基于航天压力容器的焊后热处理对TC4合金焊接接头应力分布的影响

认证与实验室基于航天压力容器的焊后热处理对TC4合金焊接接头应力分布的影响EffectofPost-weldHeatTreatmentonStressDistributionofTC4AlloyWeldedJointsBasedonSpacePressureVessel李立凌(中国空间技术研究院载人航天总体部,北京100094)LiLi-ling(ChineseAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094)摘要：该文针对压力容器TC4钛合金氩弧焊焊接接头，采用真空热处理对焊接接头进行去应力处理，研究了焊接接头焊接前后的综合力学性能及应力分布情况，分析得出了：真空退火对焊接接头应力分布有重要影响，采用合理的热处理工艺可大大降低焊接应力，最终通过此研究得出了接嘴焊接后退火的最佳工艺规范。关键词：TC4；热处理；残余应力中图分类号：TG456.3文献标识码：B文章编号：1003-0107(2019)07-0073-07Abstract:TheTC4titaniumalloyargonarcweldedjointwasdestressedbyvacuumheattreatment.Thepropertiesandstressdistributionoftheweldedjointbeforeandafterweldingwerestudied.Theanalysisshowedthattheheattreatmenthadanimportantinfluenceonthestressdistributionintheweldzoneandtheheataffectedzone.Thereasonableheattreatmentprocesscaneffectivelyreducetheweldingstress;throughthisstudy,theoptimalprocessspecificationforpost-weldannealingisobtained.Keywords:TC4;heattreatment;residualstressCLCnumber:TG456.3Documentcode:BArticleID：1003-0107(2019)07-0073-070概述誉为\"太空金属\"[5]，也大量用于制造各类航天压力容航天压力容器是包括各类卫星、飞船、空间实验室、器[6]。钛及钛合金的种类超过20种[7-8]，应用最广泛的有空间站、深空探测航天器、运载火箭、导弹等装备上不可纯钛TA1、TA2、TA4、TC11及钛合金TC4，这几种钛合金缺少的重要部件，在这些装备领域有广泛而普遍的应用约占钛及钛合金总用量的80%，这些本文选取综合性能需求[1]。贮箱与气瓶属于航天压力容器，是卫星、飞船、空优越的TC4钛合金为研究对象。贮箱的焊缝为贮箱的间实验室、空间站、深空探测航天器、运载火箭、导弹等承力能力的关键，其中接嘴与壳体氩弧焊焊缝推进系统的关键部件，其作用是给推进系统提供气体、接嘴焊缝\")是贮箱与气瓶的主要密封、承力焊缝之一，液体等工作介质[2-3]。所以确保接嘴焊缝的质量是保证贮箱正常工作的关键航天压力容器制造材料总体有金属与非金属两类。环节。氩弧焊主要用于钛合金压力容器中的壳体连接、其中钛及钛合金材料凭借质量轻，高比强度，高抗腐蚀接嘴连接和一些密封连接中，其中壳体连接、性、优良的高温力学性能、抗疲劳及抗蠕变性好等优的氩弧焊对接焊缝，形成的焊缝一般点[4]，已成为航空航天工业中不可或缺的重要原材料，被QJ1999-2007《钛及钛合金熔焊技术要求》的作者简介院李立凌(1987-)，男，中国空间技术研究院载人航天总体部，硕士，工程师，研究方向为航天器项目管理。E-mail：liyuan881215@163.com。到73(后称\"接嘴连接要求达I级要求。电子质量2019年第07期(总第388期)本研究采用氩弧焊对贮箱特殊的接嘴结构进行焊在完成焊接后，接，为了改善应力分布及稳定金相组织，还没有研究对常采用热处理对产品去应力处理。目前，贮箱接嘴焊缝的退火处理效果进行过准确的定量测试与评价。因此，本文以典型钛合金TC4作为研究对象，对贮箱接嘴焊缝热处理前后的性能以及应力分布等情况进行研究与分析；并在此基础上得出合理的热处理工艺规范。为确保加工试验采用14mm厚的TC4钛合金板材，质量，原材料具备合格证书。并按照Q/W15-93《常用金属材料复验规定》进行了复验且复验合格。对原材料进并达到GB/T5193-85行超声波探伤，《钛及钛合金加工的A1级标准。产品超声波探伤方法》TC4合金的主要组成为Al、V、Ti三种主元素及多种微量元素，详细成分如表1所示。室温力学性能优良，具有很高的屈强比，同时兼具高塑性，如表2所示。1试验材料表1TC4钛合金的主要组成(质量分数袁%)Al 5.92 V 3.86 Fe <0.05 C 0.015 O 0.068 N 0.030 H 0.0005 Ti 其余 表2TC4钛合金的室温力学性能

抗拉强度/MPa 965 屈服强度/MPa 844 延伸率(%) 14 冲击韧度/j.cm-2 3.9 TC4合金的显微组织图如图1所示，在常温下是琢其中琢相为基本相，其相+茁相的混合物，茁相为强化相，沿着琢基体晶界均匀分布。2试验方法2.1模拟试件的焊接焊接前试验板材选用14mm厚的TC4钛合金板料，车削等工序，最终将板料加工成贮需要进行冲压、脱壳、试件外形及尺寸如图2、箱接嘴焊接模拟试件，图3所按图4所示。在按照相关规程完成模拟试件的装配后，示完成接嘴模拟试件的焊接。本研究采用自动氩弧焊机，焊接参数如表3所示。图1TC4钛合金母材显微组织图2接嘴焊接模拟试件1图3接嘴焊接模拟试件274图4接嘴焊接模拟试件焊接示意图表3模拟试件焊接工艺参数焊接电流 焊接电压 焊接速度 气体流量(L/min) (A) (V) (mm/min) 喷嘴 正面 反面 136 24 50 5 7 2 5所示。通过对试件进行X光探伤检验，得出了该组模拟试件焊接质量达到QJ1666-2007《钛及钛合金熔焊技术条件》Ⅰ级焊缝，焊接合格。按照国家标准GB2649-89《焊接接头机械性能试验取样方法》，对焊接试件进行线切割取样，取样位置沿垂直于焊缝的方向截取，且均涵盖母材与焊缝区域。在完成取样后委托具备检测资质的单位按照GB2651-89接接头拉伸试验方法》对试样进行拉伸，拉伸设备为RSA250250kN电子万能试验机。最后采用Stresstech(a)XRD3000型射线应力检测仪对焊接试件的残余应力进行了检测。2.2模拟试件退火因为考虑到TC4合金的高温氧化性，采用真空退火方式进行试件的退火，真空退火热处理试验分为分别为变温等时、等温变时、变温变时三种方式，每种方式下取4组变量值，如表4、表5、表6所示。(b)图5试件外观实物图表4第1组退火试验工艺参数试件 热处理前加工工序 加热温度T(℃) 保温时间t(min) 冷却方式 1.1(原工艺) 车+组装+氩弧焊 600 120 炉冷 1.2 车+组装+氩弧焊 700 120 炉冷 1.3 车+组装+氩弧焊 650 120 炉冷 1.4 车+组装+氩弧焊 550 120 炉冷 《焊组，75焊后焊接试件的形貌如图3电子质量2019年第07期(总第388期)表5第2组退火试验工艺参数试件 2.1 2.2 2.3 2.4 热处理前加工工序 车+组装+氩弧焊 车+组装+氩弧焊 车+组装+氩弧焊 车+组装+氩弧焊 加热温度T(℃) 600 600 600 600 保温时间t(min) 150 180 210 240 冷却方式 炉冷 炉冷 炉冷 炉冷 试件 3.1 3.2 3.3 3.4 表6第3组退火试验工艺参数热处理前加工工序 车+组装+氩弧焊 车+组装+氩弧焊 车+组装+氩弧焊 车+组装+氩弧焊 加热温度T(℃) 600 650 500 550 保温时间t(min) 150 180 210 240 冷却方式 炉冷 炉冷 炉冷 炉冷 真空退火工艺路线如图6所示，退火工艺曲线如图 7所示。在完成真空热处理后采用应力检测仪检测焊缝横向和纵向的残余应力分布情况。按照国家标准GB2649所取的焊缝拉伸-89《焊接接头机械性能试验取样方法》试件的形状尺寸如图8所示。拉伸试验按照GB2651-89《焊接接头拉伸试验方法》执行，试验设备为RSA250250kN电子万能试验机。图6退火工艺流程图图7退火工艺曲线图8焊缝拉伸试件示意图(单位院mm)763试验结果分析3.1焊缝退火前的拉伸性能性能/区域 母材 焊缝 σb(Mp) 941.7 850.6 σ0.2(Mp) 892.5 820.6 焊接模拟试件退火前焊缝和母材拉伸性能对比如表7所示。表7母材及焊缝拉伸试验结果伸长率δ% 16 15 断裂位置 母材 热影响区 从表7 得出，焊接前焊缝的抗拉强度超过母材强度的90%，屈服强度达到母材的92%。伸长率两者基本一致。焊缝断裂的位置为焊接接头最为薄弱的热影响区，这是热影响区晶粒粗大及残余应力大所致。3.2试件退火后的拉伸性能和残余应力焊接模拟试件在完成退火后，采用X射线残余应力检测仪对焊缝环向滓x和纵向应力分布滓y情况进行检测，残余应力检测按照GB7704-87《X射线应力测定设置的残余应力测试点如图9所示。方法》标准执行，其中焊缝区域测量点3个，共设置9个测量点，间距为4.5mm，在热影响区对称取点6个，间距为3mm。性能。表8退火后试件力学性能结果表(a)图9应力测试点布置(b)接嘴试件真空退火后检测得到如表8所示的力学退火参数 试件号 退火温度/℃ 第一组退火参数第二组退火参数第三组退火参数1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 600 550 650 700 600 600 600 600 700 650 500 550 保温时间/min 120 120 120 120 150 180 210 240 100 180 210 240 σb 858.2 851.5 848 852 850 854 842 860 843 845 852 850 力学性能指标 σ0.2 768 686.4 760.5 746 740.3 752.1 748 740.2 687.2 723.2 732.3 706.5 δ% 13 11 15 14 15 16 15 14 12 12 14 13 由表8得知，经过真空热处理后，12组试件抗拉强度均超过840Mpa，最大为860Mpa，最小为843，这与退火前基本一致，说明在一定温度范围内(550℃-700℃的温度区间内)，真空退火温度对焊接接头的强度影响较小；而相比较而言，在550℃-700℃的温度区间内，滓0.2当温度在650℃左右时，焊接接对退火温度比较敏感，头的综合力学性能较好。 由表8可知，适当延长保温时间，可以更有效地释放焊接应力，同时适当延长退火保温时间可以有效改善焊接接头的塑性，但保温时间过长会导致焊接接头的强度降低，所以选择适当的保温时间很重要，综合考虑强塑性和残余应力，选定保温时间为120min为最佳的度、选择。焊件退火前后残余应力检测结果如表9所示。77电子质量2019年第07期(总第388期)表9退火前后试件残余应力检测结果表序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 环向残余应力σx(Mpa) 退火前 182 -140 120 -154 165 -170 146 -150 124 退火后 47 -38 10 -35 33 -43 64 -26 -36 纵向残余应力σy(Mpa) 退火前 181 193 262 257 332 278 259 136 157 退火后 26 34 42 33 61 66 46 40 36 由表9所知，焊缝区以纵向应力为主，应力在270Mpa左右变化，远小于材料的屈服强度，退火后残余 应力大大降低，焊后去应力退火效果明显，有效地改善了接头的性能，残余应力分布如图10、图11所示。图10焊件退火前后纵向残余应力分布情况图11焊件退火前后环向残余应力分布情况78图10及图11综合可以得出，模拟试件经由表9、过自动氩弧焊后，纵向残余应力的极大值位于焊缝中心及近缝区，最大值为332MPa，达到了母材屈服强度的39％，是一个与母材屈服强度相等量级的值。而环向残约为母材屈服强余应力的分布较为均匀，且均比较小，度的15%，为纵向残余应力极大值的一半左右。从表9经过退火后焊缝及近缝区的残余应力显著中可以看出，最终转下降，说明热处理对焊接应力的释放效果明显，化为量级较小的残余应力，不到母材屈服强度的10%，4结论(1)通过退火试验可以得出接嘴焊接后退火的最佳工艺规范：650℃的加热温度+120min的保温时间，随炉冷却。(2)接嘴模拟试件焊后焊缝的残余应力主要集中在焊缝中心及近缝区，残余应力峰值为332Mpa，达到了母材屈服强度的39%左右；(3)接嘴模拟试件真空退火处理后接头的残余应力得到了大量的释放，消除残余应力平均水平达到了预期的可有效提升焊缝质量。TC4焊缝及热影响区的残余应力通常表现为拉应力，这与焊缝的形成机理有关，当熔池形成后，温度梯度高，从熔池中心到焊接热影响区温度递减，冷却时，远离熔池中心的金属先结晶，冷却后期导致熔池中心受到周围金属的制约形成了拉应力。钛合金的相变温度一般位于900~1020℃范围内，在650℃加热温度+120min保温时间的工艺参数下，钛合金屈服强度不会发生明显的下降，也不会发生相变。采用真空热处理后，大大降低了焊缝及热影响区的残余应力，表现在分布范围和极值都降低。退火后，滓x平均值从150.1MPa降到了36.9MPa，降幅约75%；滓y平均值从228.3MPa降到了42.7MPa，降幅达到了81%多，去应力效果明显，达到工艺要求。同时，加上随炉冷却方式降低了钛合金试件的冷却速度，最终焊后热处理的作用结果是焊缝区域的拉应力大幅降低，应力释放效果明显。降低了焊接应力，最终将有效减小贮箱焊缝变形，对于稳定产品尺寸也起积极作用。综上，按照650℃加热温度+120min保温时间的工艺参数进行退火，接头的抗拉强度下降较小，同时具有良好的塑形及较高的屈服强度，综合力学性能良好。目标。参考文献：[1]白天,阴中炜,王冰,等.航天用气瓶、贮箱分类及制造技术[J].宇航材料工艺,2015,45(5):14-18.[2]邹武装.钛及钛合金在航天工业的应用及展望[J].中国有色金属,2016,(1):70-71.[3]张绪虎,单群,陈永来,等.钛合金在航天飞行器上的应用和发展[J].中国材料进展,2011,30(6):28-32.[4]孙学银,姜建堂,甄良.金属材料在航天领域的应用及其热处理工艺[J].金属热处理,2010,35(12):14-20.[5]吴新强.TC4钛合金电子束焊接数值模拟及接头组织与性能[D].南京:南京航空航天大学,2011.[6]董欣勇.TA15薄板EBW及焊后再热处理对应力分布影响的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.[7]王者昌,陈亮山,付少亭.钛合金高压气瓶焊后热处理[J].稀有金属,1986,(1):22-26.[8]孙玮.氩弧焊接TA2及Ti62421s合金组织、究[D].长沙:中南大学,2012.79性能的研