[发明专利]钛合金随焊残余应力应变控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够降低焊接残余应力和变形的装置，特别是针对屈服强度高、难以均匀塑性延展的钛合金TC4薄板焊件的残余应力和变形的控制装置。

背景技术

钛合金与其他金属材料相比,有下列优点:①比强度（抗拉强度／密度）高，抗拉强度可达1000～1400MPa，而密度仅为钢的60％；②中温强度好,使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作；③耐蚀性好,在大气中钛表面立即形成一层均匀致密的氧化膜，有抵抗多种介质侵蚀的能力；④低温性能好；⑤弹性模量低,热导率小，无铁磁性。这些特点使钛合金在国民生产建设中发挥着巨大的作用。

针对钛及钛合金目前主要采用熔焊(TIG、MIG、等离子焊、电子束焊、激光焊、电阻焊)、钎焊和固相焊(摩擦焊、爆炸焊、热压焊、扩散焊)等方法进行钛合金结构件的焊接。钛合金的焊接残余应力低于其屈服强度，但其绝对值并不低。在薄壁构件上，如果焊后残余应力相当的话，由于钛合金的弹性模量小，钛合金构件的焊接变形会比一般钢结构严重些。因此对钛合金构件的焊接变形控制就显的尤为重要。

引起焊接残余应力和各类焊接变形的基本原因在于焊接过程不均匀的加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩，即在焊接过程中焊缝和近缝区发生了塑性收缩。很多情况下，由于焊接结构不能满足设计要求，必须采取措施消除焊接变形。

为解决上述问题，国内外曾提出预拉伸法、静态和动态温差拉伸法、随焊碾压法、随焊锤击法等多种方法。这些方法在某些具体的生产条件下，对控制焊接残余应力变形方面均起到了较好的效果。

预拉伸法是指在焊前和焊接过程中施加大于母材屈服强度50%的弹性拉伸，从而降低焊件的残余应力,减小焊接变形。在预置拉伸应力一定的情况下，随着加载宽度的增加，试样拉伸中心部位所承受的拉应力越接近端部的预置拉应力，拉伸效果越好。在焊接情况下，为保证焊道部位的金属受到相同的拉伸效果，不得不加大加载宽度，因此需要较大的拉伸设备才能提供足够的拉伸力，这在实际生产中必然会受到一定的限制。该法对于结构比较复杂的焊接结构来说，应用起来更是有局限性。

均匀或局部加热可以减小焊接温度梯度，从而可以降低焊接残余应力和变形。静态温差拉伸法为了达到所需的温差，需要较长时间的预热，容易使加热区金属软化，并且恶化了工作条件，操作复杂、生产效率低、生产成本较高；动态温差拉伸法喷水容易污染焊接熔池，导致焊缝缺欠、影响焊接效率及质量，而液氮冷却柔性接触式成本又太高。另外，无论是静态温差拉伸还是动态温差拉伸都不能降低焊缝的横向收缩，不利于封闭焊缝失稳变形控制和热裂纹防止，因而温差拉伸法不适用于封闭焊缝的焊接。

碾压强化和钝化工艺是一种改善焊接接头力学性能的有效手段。碾压强化研究始于六十年代初,前苏联学者Куркин等人最先研究了焊后碾压焊缝提高АМг6焊接接头强度的可能性，发现碾压后焊接接头的硬度显著升高，硬度值随碾压力的增加而增大。不仅焊缝金属的硬度升高而且近缝区金属的硬度也有不同程度的升高。对于冷作硬化状态的АМг6合金焊接接头经碾压焊缝后的接头强度可接近母材强度。但是随焊碾压法设备庞大，制造成本高，应用对象主要集中于长直平板的拼焊焊缝、较大型筒体纵缝及环缝的焊接，且对被焊件形状要求比较严格，由于主要靠碾压轮轴承受压力，所以碾压轮的尺寸较大，可到达性差，无法满足实际生产的要求。

锤击消除焊接接头残余应力是通过锤击处理焊接接头过程中，被处理金属在面内产生两维塑性伸长释放了焊接过程中产生的残余拉伸应变，从而达到释放焊接残余应力的目的。锤击能够在接头焊趾区外表面造成压应力，减少焊趾区的缺口尖锐度，降低应力集中程度，因此可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度。随焊锤击法由于锤尖直接锤击焊道两侧，锤击面粗糙，工作表面光洁度差，同时锤头偏摆振动较大，需要额外添加导向机构，在实际焊接封闭焊缝时实现起来比较困难。

对于薄壁钛合金焊接构件，如果焊后残余应力相当的话，由于钛合金的弹性模量小，钛合金构件的焊接变形会比一般钢结构严重。虽然六角密排结构的TC4合金在室温下具有较好的塑韧性，但其变形抗力大、属于难变形材料。因而焊后控制钛合金薄壁结构的变形是不易实现的。

发明内容