Сварка плавлением толстостенных титановых сплавов: Обзор технических исследований

Резюме

Титановый сплав широко используется в аэрокосмической, морской и других отраслях промышленности благодаря высокой удельной прочности, отличной коррозионной стойкости и высокотемпературным характеристикам.

В последние годы технология сварки толстостенных титановых сплавов приобрела значительное прикладное значение в связи с растущим спросом на такие сплавы. Таким образом, данная статья ставит своей целью обобщить прогресс в технологии сварки плавлением толстостенных титановых сплавов. В первую очередь она включает в себя сварку неплавящимся электродом в защитном газе, электронно-лучевую сварку и лазерная сварка. Кроме того, в данной статье также представлен прогноз тенденции развития толстостенного титанового сплава технология сварки.

Похожие статьи: Ручная дуговая сварка и сварка в защитном газе CO2

Предисловие

Титановый сплав характеризуется низкой плотностью, высокой удельной прочностью, удельной жесткостью, отличной коррозионной стойкостью и хорошей технологичностью. Это новый функциональный материал с огромным потенциалом развития и многообещающими перспективами применения. Известный как "третий металл" после стали и алюминия, он является важнейшим стратегическим металлическим материалом, широко используемым в аэрокосмической, нефтехимической, национальной оборонной технике и других областях.

В последние годы, с ростом спроса на крупногабаритное и легкое оборудование в национальной оборонной промышленности, потребность в толстостенном титановом сплаве стала более актуальной, как и соответствующая технология его обработки.

В практическом машиностроении сварка является основным методом соединения толстостенных конструкций из титановых сплавов, что позволяет создавать эффективные и высококачественные толстостенные титановые конструкции. сварка сплавом технология, имеющая важное значение и привлекающая большое внимание.

В этой статье обобщен статус исследований технологии сварки плавлением толстостенных титановых сплавов, определены существующие проблемы сварки плавлением толстостенных титановых сплавов, а также рассмотрены перспективы развития и направления исследований технологии сварки плавлением толстостенных титановых сплавов.

1. Классификация и характеристики титановых сплавов

1.1 Классификация титановых сплавов

По химическому составу и содержанию титановые сплавы можно разделить на пять категорий: α-титановый сплав, титановый сплав близкий к α (с массовой долей β-фазы ≤10%), α-β двухфазный титановый сплав (с массовой долей β-фазы 10% ≤ β ≤ 50%), метастабильный β-титановый сплав и β-титановый сплав.

Двухфазный титановый сплав α-β широко используется благодаря своим превосходным комплексным свойствам. Он сочетает в себе характеристики термической стабильности титанового сплава типа α и упрочняющие свойства титанового сплава типа β при термообработке.

1.2 Характеристики материала титанового сплава

(1) Высокая удельная прочность.

Титановый сплав - это легкий сплав с плотностью 4,54 г/см3 при 20℃, что примерно на 56% больше, чем у обычной стали. Использование титанового сплава для изготовления механических деталей позволяет значительно снизить вес и добиться эффекта легкости.

(2) Хорошая коррозионная стойкость.

При контакте с воздухом титановый сплав образует на поверхности стабильную, непрерывную и плотную оксидную пленку, которая переводит его в пассивное состояние. Кроме того, оксидная пленка титанового сплава обладает отличными восстановительными свойствами. В случае повреждения под воздействием внешних факторов она может быть быстро восстановлена, что придает титановому сплаву замечательную коррозионную стойкость.

(3) Высокотемпературные характеристики.

Температура плавления титанового сплава составляет 1667 ℃, который может стабильно работать в среде 500~600 ℃, обладает высокой ползучестью и жаропрочностью.

1.3 Характеристики сварки толстостенного титанового сплава

(1) Охрупчивание сварного соединения:

Без надлежащей защиты температура нагрева титанового сплава может вызвать различные химические реакции. Поглощение водорода начинается при 250 ℃, поглощение кислорода - при 400 ℃, сильное окисление происходит при 540 ℃, а поглощение азота - при 600 ℃.

Эти газы растворяются в расплавленной ванне во время сварки и вступают в химические реакции, которые могут вызвать охрупчивание сварного соединения. В результате пластичность и вязкость сварного соединения быстро снижаются. Поэтому очень важно защитить процесс сварки чтобы предотвратить возникновение подобных реакций.

(2) Трещины при сварке:

Титановые сплавы отличаются низким содержанием примесей, включая S, P, C и другие загрязняющие вещества. Они также содержат меньше эвтектических соединений с низкой температурой плавления и имеют узкий диапазон температур кристаллизации, что делает их менее восприимчивыми к горячему растрескиванию.

Однако при сварке толстостенных титановых сплавов с использованием технологий многослойной и многопроходной сварки сварное соединение подвергается высоким уровням ограничивающих напряжений, что приводит к значительным остаточное напряжение в соединении. Под воздействием этого остаточного напряжения легко образуются холодные трещины.

(3) Пористость:

Пористость - распространенный дефект, который может возникнуть при производстве титана сварка сплавом. Это связано с высоким давлением насыщенных паров и активными элементами, присутствующими в титановом сплаве. Водородная пористость может возникать, когда поверхность основного металла и сварочный материал загрязнен, или если защитный газ содержит примеси, такие как кислород, водород или вода.

2. Состояние исследований в области сварки неплавящимся электродом в защитном газе

2.1 Традиционная сварка TIG

Сварка TIG в защитном газе широко используется в области сварки титановых сплавов благодаря таким преимуществам, как стабильная дуга, меньшая сварочные брызгии хорошее формирование сварного шва. Однако традиционный Сварка TIG процесс для титановых сплавов приводит к увеличению времени высокотемпературной выдержки сварного соединения и более быстрому охлаждению жидкого расплавленного металла в ванне.

Это связано с низкой теплопроводностью титановых сплавов, что приводит к заметной тенденции к огрублению зерна в зоне сварки и зона термического влияния.

Кроме того, большой размер канавки требует многослойной и многопроходной сварки, что приводит к низкой эффективности сварки, чрезмерному напряжению и деформации. Чтобы уменьшить тенденцию к огрублению зерна, Лу Синь использовал сварку TIG для многослойной и многопроходной сварки титанового сплава TC4 толщиной 20 мм с углом канавки 60°. На рис. 1 показаны микроструктуры сварные соединения при различных тепловых нагрузках.

Как сварочное тепло При уменьшении подачи тепла размер мартенсита внутри зерен становится меньше и равномернее, а зерна шва постепенно становятся более мелкими. Поэтому при использовании сварки TIG для сварки толстых листов из титанового сплава TC4 необходимо строго контролировать подачу сварочного тепла, чтобы предотвратить образование крупных зерен в шве и избежать появления аномальных структур, трещин и других дефектов.

Рис.1 Микроструктура зоны сварки при различном подводе тепла

Ян Лу и др. использовали Х-образную канавку и чередование сварки спереди и сзади для многослойной TIG-сварки титанового сплава TC4 толщиной 24 мм, стремясь минимизировать остаточные напряжения и деформации в сварных соединениях.

Одновременно с этим, используя платформу SYSWELD, исследователи провели численное моделирование температурного поля, поля напряжений и сварочной деформации в сварных соединениях. Моделирование проводилось в предположении абсолютно жесткого зажима с обоих концов сварочная пластинакак показано на рисунке 2.

Результаты показали, что использование последовательности сварки с чередованием двух сторон может значительно снизить напряжение и деформацию в сварном соединении.

Рис.2 Профиль морфологии ТЭМ сварное соединение толщина остаточного напряжения

В итоге, несмотря на то, что традиционная сварка TIG подходит для сварки толстостенных титановых сплавов, размер зерна, напряжение и деформацию шва можно свести к минимуму за счет соответствующего снижения теплового нагрева при сварке и использования Х-образной канавки для двусторонней попеременной сварки.

Похожие статьи: Сварка MIG и TIG

Однако до сих пор существует проблема больших размеров канавок, приводящих к низкой эффективности сварки, что затрудняет популяризацию этой технологии при сварке толстостенных титановых сплавов.

2.2 Сварка TIG с узким зазором

Размер канавки при сварке с узким зазором невелик, что приводит к значительному уменьшению объема по сравнению с традиционными сварными швами с заполнением канавок. Такое уменьшение не только повышает эффективность сварки, но и снижает производственные затраты.

Сварка TIG с узким зазором - это гибкий процесс, который отличается относительно низкой стоимостью оборудования и стабильностью сварочного процесса. Кроме того, узкие канавки позволяют сократить количество сварочных проходов, что, в свою очередь, улучшает сварочную деформацию и позволяет лучше контролировать сварочное напряжение.

Таким образом, сварка TIG в узком зазоре для толстостенных титановых сплавов обладает значительными преимуществами.

Однако небольшой зазор в канавке при сварке TIG с узким зазором может привести к тому, что дуга будет "подниматься" вдоль боковой стенки, что приведет к недостаточному подводу тепла в нижний угол с обеих сторон сварная шайба и плохое скрепление боковины.

В настоящее время в технологии сварки TIG с узким зазором для толстостенных титановых сплавов часто используются механические качели и внешние магнитные поля для регулирования дуги. Эти методы эффективно решают проблему плохого проплавления боковых стенок узкого зазора.

2.2.1 Механическая качающаяся сварка TIG с узким зазором

Принцип механической сварки TIG с узким зазором заключается в следующем: в процессе сварки вольфрамовый электрод перемещается в канавке вперед-назад за счет вращения зажима вольфрамового электрода, в результате чего дуга периодически направляется к боковым стенкам канавки, обеспечивая качество проплавления боковых стенок.

Процесс сварки показан на рисунке 3.

Механический режим сварки с узким зазором хорошо адаптируется к изменениям ширины сварочной канавки. Он сводит к минимуму возникновение дефектов несплавления боковых стенок во время сварки, что приводит к более стабильному качество сварки. Эта технология получила широкое распространение при сварке TIG с узким зазором толстостенных титановых сплавов.

Рис.3 Схема процесса механической сварки в узком зазоре TIG

Цзян Юнчунь использовал механическую качающуюся узкую щель TIG техника сварки для получения высококачественного соединения титанового сплава TC4 толщиной 52 мм. Это стало возможным благодаря выбору соответствующих параметров сварки и мер защиты при сварке.

Рисунок 4 иллюстрирует макро-металлографию и микроструктуру сварного соединения. Из-за высокой скорости охлаждения α 'мартенсит образуется в зоне термического влияния. Тем не менее прочность сварки достигает 90% основного металла, а твердость зоны сплавления достигает максимального значения.

Рис.4 Макроскопическая металлография и микроструктура сварного соединения

Ли Шуан и др. использовали технологию механической сварки TIG с узким зазором для получения однослойной сварки присадочной проволокой титанового сплава TC4 толщиной 30 мм и проанализировали микроструктуру сварного соединения.

Результаты исследования показали, что зерна в зоне сварки были значительно огрублены, преимущественно крупные столбчатые зерна, а их микроструктура состояла из ациклического α'мартенсита, который был параллельно рассеян в зернах β-фазы.

В зоне термического влияния, прилегающей к стороне сварного шва, наблюдалось более значительное огрубление зерна, чем со стороны основного металла.

В заключение следует отметить, что технология механической сварки в узком зазоре TIG отличается стабильностью процесса сварки и низкой стоимостью оборудования.

Периодические колебания вольфрамового электрода эффективно решали проблему недостаточного сплавления толстостенной боковой стенки из титанового сплава.

Однако из-за значительного нагрева соединение демонстрировало явную тенденцию к огрублению зерна.

2.2.2 Магнитоуправляемая сварка TIG с узким зазором

Концепция технологии сварки TIG с магнитным управлением в узком зазоре была впервые представлена украинским Научно-исследовательским институтом сварочных технологий "Бартон". В последние годы Гуандунский научно-исследовательский институт сварочных технологий провел фундаментальные исследования и способствовал промышленному применению этой технологии для толстостенных титановых сплавов.

На рисунке 5 показана схема процесса сварки и колебания дуги при сварке TIG с магнитным управлением в узком зазоре. В процессе сварки электромагнитная катушка подключается к переменному току, и лист кремнистой стали проходя через катушку, становится магнитом.

Затем линия магнитной индукции проходит через электрод и дугу, в результате чего дуга периодически отклоняется в сторону двух боковых стенок. Это облегчает сплавление боковых стенок с узким зазором, что делает возможной сварку TIG с узким зазором.

Рис.5 Схематическое изображение внешнего поперечного магнитного поля и дугового размаха

Ученые во всем мире провели обширные исследования влияния напряженности магнитного поля, частоты магнитного поля и положения электрода на проплавление боковых стенок, формирование сварного шва и процесс кристаллизации, чтобы достичь высокого уровня прочности.качественная сварка Магнитоуправляемая сварка в узком зазоре TIG.

Kshirsagar R et al. исследовали влияние внешнего магнитного поля на формирование сварного шва, как показано на рис. 6.

Полученные данные свидетельствуют о том, что при отсутствии внешнего магнитного поля наблюдается значительный недостаток плавления в боковой стенке. Однако при наличии внешнего магнитного поля сплавление боковой стенки происходит удовлетворительно.

Рис.6 Влияние внешнего поперечного магнитного поля на конфигурацию и микроструктуру сварочного шва

(a) Без внешнего магнитного поля

(b) С внешним магнитным полем

В исследовании, проведенном Хуа Айбин и др., изучалось влияние напряженности внешнего магнитного поля на проплавление боковой стенки узкого зазора сварного шва. Результаты показывают, что напряженность магнитного поля ≥ 4 мТл может эффективно улучшить проплавление боковой стенки, что приводит к относительно равномерному проплавлению шва.

В другом исследовании Чанг Юньлун и др. изучалось влияние частоты внешнего магнитного поля на проплавление боковой стенки. Результаты показали, что с увеличением частоты магнитного поля глубина проплавления дна шва и глубина воздействия дуги также увеличиваются, в то время как провар ширина и проницаемость боковых стенок уменьшились.

Ю Чен и др. провели исследование влияния положения электрода на проплавление боковой стенки. Результаты показали, что при смещении вольфрамового электрода от центрального положения интенсивность тока, поступающего на ближнюю боковую стенку, увеличивается, а интенсивность тока, поступающего на дальнюю боковую стенку, уменьшается. Чтобы избежать неравномерного проникновения в боковую стенку и плохого сплавления боковых стенок, необходимо строго контролировать положение электрода.

Сунь Цзе и др. провели исследование влияния электромагнитной силы на процесс кристаллизации. На рисунке 7 показана первичная кристаллизация сварного шва из титанового сплава под действием магнитного поля.

Результаты показывают, что электромагнитное воздействие может повысить стабильность планарной области фронта кристаллизации и последующего образования равноосных кристаллов.

По мере увеличения напряженности магнитного поля микроструктура вблизи линии сплавления постепенно изменяется от столбчатой до равноосной. Магнитоуправляемая дуга значительно повышает стабильность равноосного кристалла, образующегося в центре шва. Кроме того, равноосный кристалл растет в одном направлении с увеличением напряженности магнитного поля.

В другом исследовании Ху Цзиньлян и др. использовали технологию сварки TIG с магнитным управлением в узком зазоре для сварки титанового сплава TA17 толщиной 120 мм, и на рис. 8 показана микроструктура сварного соединения. Результаты показывают, что микроструктура соединения демонстрирует значительную неоднородность в поперечном направлении, в то время как в направлении толщины существенных различий не наблюдается. Из-за большого количества сварочного тепла зона сплавления сильно размягчается.

Рис.7 Процесс первичной кристаллизации металла шва титанового сплава под воздействием магнитного поля

Рис.8 Микроструктура соединения титанового сплава TA17 толщиной 120 мм, сваренного магнитоуправляемым швом NG-TIG

Таким образом, технология сварки в узком зазоре TIG с магнитным управлением обеспечивает стабильный процесс сварки при меньшей стоимости оборудования. Благодаря добавлению магнитного поля технология обеспечивает периодическое колебание дуги, что эффективно решает проблему плохого проплавления, связанную с толстостенными боковыми стенками титановых сплавов, и приводит к равномерной структуре зоны сварки.

Тем не менее, эта технология по-прежнему сталкивается с серьезной проблемой размягчения зоны сплавления сварных соединений из-за высокой тепловой нагрузки. С другой стороны, сварка TIG с узким зазором позволяет добиться стабильной сварки толстостенного титанового сплава. Эта технология позволяет сократить количество сварочных проходов и повысить эффективность сварки по сравнению с традиционной TIG-сваркой.

Однако сварка TIG с узким зазором также имеет свои проблемы. Из-за многократного переплавления и нагрева зерен шва возникают такие проблемы, как крупное зерно и неравномерное распределение микроструктуры и свойств по толщине.

2.3 Дуговая сварка под флюсом

Дуговая сварка под флюсом - это отдельная форма сварки, отдельная от TIG-сварки.

В этом методе гелий используется в качестве защитный газдиаметр электрода и сварочный ток велики.

Благодаря сочетанию гелия и силы дуги он способен вытеснить жидкий расплавленный металл из ванны в месте сварки.

Электрод погружается в свариваемый основной металл, дуга горит в электроде и полости, образовавшейся на дне кратера, что в конечном итоге приводит к образованию расплавленной ванны.

Из-за того, что место горения дуги находится под поверхностью основного металла, такая сварка называется дуговой сваркой под флюсом.

Принцип работы дуговой сварки под флюсом показан на рисунке 9.

Рис.9 Схематическое изображение принципа работы ПАВ

В последние годы ученые проводят исследования по применению технологии дуговой сварки под флюсом для титановых сплавов большой толщины.

Чэнь Гоцин и его коллеги провели стыковые испытания с использованием дуговой сварки под флюсом на титановом сплаве TA15 толщиной 29 мм и получили хорошо сформированные сварные швы.

Однако из-за высокой тепловой нагрузки зона сварного соединения и зона термического влияния относительно широки, и удлинение соединения после разрушения составляет всего 50% от основного металла.

Сварное соединение плохо поддается изгибу, и при изгибе до 15° оно ломается.

Лю Яньмэй и другие выполнили сварку титанового сплава TA15 толщиной 58 мм с помощью двухсторонней дуговой сварки под флюсом.

Макроразрез сварного шва показан на рис. 10. В зоне сварного шва имеются столбчатые кристаллы с крупным размером зерна, а внутригранулярная часть представляет собой ациклический α'-мартенсит.

Сустав разрушение при растяжении место - зона сварного шва, которая является вязким разрушением.

Прочность на разрыв достигает 96% от прочности основного металла.

Для улучшения механических свойств соединения, полученного дуговой сваркой под флюсом, Дуцян и др. провели дуговую сварку под флюсом титана TA15 толщиной 64 мм. легированная пластина с добавлением прослойки из чистого титана TA1.

Результаты показали, что содержание водорода, кислорода и азота в сварном шве после добавления прослойки было снижено по сравнению с основным металлом, а пластичность сварного соединения значительно улучшилась.

Хоу Ци и др. исследовали влияние чистоты защитного газа на характеристики соединения пластин из титанового сплава TA15 при дуговой сварке под флюсом.

Результаты показали, что механические свойства сварного соединения могут быть в некоторой степени улучшены за счет повышения чистоты защитного газа.

Рис.10 Макроскопическое поперечное сечение сварного шва

В целом, дуговая сварка под флюсом позволяет сваривать толстостенные титановые сплавы с относительно стабильной формой дуги, что приводит к лучшему формированию шва. Гелий обычно используется для защиты коаксиальной зоны при дуговой сварке под флюсом из-за его высокого потенциала ионизации и высокой теплопроводности по сравнению с аргоном.

В результате область столба дуги при сварке под флюсом становится узкой и концентрированной, что приводит к высокому коэффициенту использования тепла дуги. Этот метод сварки позволяет выполнять двустороннюю сварку толстых титановых сплавов, значительно повышая эффективность сварки по сравнению со сваркой TIG с узким зазором.

Однако с этим методом связаны некоторые проблемы, такие как чрезмерное тепловыделение, крупнозернистая структура, неравномерное распределение микроструктуры и свойств по толщине.

2.4 Резюме

Дуговая сварка в неплавящемся инертном газе позволяет сваривать толстые титановые сплавы с относительно стабильной формой дуги, что приводит к лучшему формированию шва. Эта технология демонстрирует высокую прикладную ценность в исследованиях по сварке толстых титановых сплавов.

Тем не менее, остаются такие проблемы, как размягчение шва, вызванное высокой тепловой нагрузкой при сварке. Поэтому крайне важно провести исследования по снижению теплового воздействия при сварке толстолистовых титановых сплавов. Это может улучшить однородность структуры и свойства толстостенных титановых сплавов, сваренных без применения МИГ.

3. Состояние исследований в области электронно-лучевой сварки

Технология электронно-лучевой сварки использует пучки электронов высокой плотности для облучения металлических материалов, что позволяет производить одностороннюю сварку и двустороннюю формовку толстых металлических материалов.

В процессе сварки плотность мощности луча высока, что обеспечивает большое соотношение глубины и ширины сварного шва и минимальную сварочную деформацию.

Кроме того, электронно-лучевая сварка должна выполняться в вакуумной среде, что эффективно предотвращает негативное воздействие водорода, кислорода и азота в процессе сварки. В результате электронно-лучевая сварка широко используется для сварки титановых сплавов большой толщины.

На рисунке 11 показано устройство для электронно-лучевой сварки.

Рис.11 Схема электронно-лучевой сварки

3.1 Совместная структура и производительность

Отечественные и зарубежные ученые исследовали микроструктуру и свойства вакуумных электронно-лучевых сварных соединений титановых сплавов.

Хоу Цзянтао использовал технологию электронно-лучевой сварки для сваривания титанового сплава TC4 толщиной 20 мм, проанализировал размер зерна в зоне сварки и механические свойства соединения по толщине.

Результаты показали, что в верхней части зоны сварки размер зерна составляет 1200 мкм, а в нижней части - 200 мкм, что приводит к различиям в свойствах.

Sun et al. также использовали технологию электронно-лучевой сварки для сваривания титанового сплава TC4 толщиной 20 мм и проанализировали макроморфологию сварного соединения (см. рис. 12).

Зона сплавления и зона термического влияния в верхней, средней и нижней частях сварного соединения имели значительно отличающуюся ширину, а также различия в морфологии и размере зернистой структуры, которые уменьшались по направлению глубины.

Вей Лу и др. сварили листы титанового сплава TC4 толщиной 50 мм с помощью технологии электронно-лучевой сварки и провели испытания механических свойств по толщине. Результаты показали, что механические свойства распределялись неравномерно по глубине сварки.

Сайт предел текучестиПрочность, предел прочности и микротвердость сварного соединения повысились по сравнению с основным металлом, в то время как пластичность и вязкость снизились.

Наконец, Сун Цинцзюнь использовал технологию электронно-лучевой сварки для сваривания титанового сплава TC4 толщиной 60 мм и проанализировал микроструктуру и свойства сварного соединения. Результаты показали, что микроструктура сварного соединения была распределена неравномерно по толщине, а ударная вязкость постепенно снижалась от верхней части шва к нижней.

Рис.12 Макроскопический вид сварного соединения

Таким образом, при электронно-лучевой сварке толстостенных титановых сплавов металл шва проходит быстрый термический цикл, что приводит к неравномерному распределению микроструктуры и свойств в различных областях вдоль направления толщины из-за неодинакового времени пребывания при высоких температурах.

Для решения проблемы неравномерного распределения микроструктуры и свойств, а также низких механических свойств в толстостенных электронно-лучевых сварных соединениях из титановых сплавов исследователи оптимизировали процесс сварки и провели послесварочную термообработку для корректировки микроструктуры и свойств соединений.

Гонг Юбинг и др. провели обширное исследование неоднородности электронно-лучевого сварного соединения титанового сплава TC4 толщиной 20 мм и эволюции структуры. На рис. 13 показаны микроструктуры различных участков сварного соединения.

Результаты показывают, что сварное соединение титанового сплава имеет значительную неоднородность в направлении ширины проплавления и глубины проплавления. Средний размер зерна в верхней части сварного соединения больше, чем в средней и нижней частях.

Структура Widmanstatten появляется в верхней и средней частях сварного соединения, повышая хрупкость соединения и снижая его пластичность. При использовании сварки с большим тепловыделением неравномерность распределения микроструктуры может быть улучшена.

Ли Цзиньвэй и др. добились контроля однородности электронно-лучевой сварки титанового сплава TA15 толщиной 20 мм, подавая на электронный луч сканирующие волны определенной частоты и амплитуды отклонения во время сварки, внедряя переход металлические материалы в сварочном интерфейсе и настройка параметров сварки.

На рис. 14 показан эффект контроля однородности состава шва при различных условиях процесса. По сравнению с традиционной электронно-лучевой сваркой, сканирующая электронно-лучевая сварка приводит к меньшим колебаниям элементы сплава в направлении толщины, что приводит к более однородному составу.

Рис.13 Микроструктура различных участков сварного соединения

Рис.14 Влияние контроля однородности состава сварного шва при различных условиях процесса

Фанг Вейпинг и др. использовали технологию электронно-лучевой сварки для сваривания пластин из титанового сплава TC4 толщиной 100 мм. Полученные сварные соединения были подвергнуты рекристаллизации отжиг при 850 ℃ и термообработке со старением раствора при 920 ℃×2 ч и 500 ℃×4 ч.

Результаты показали, что микротвердость зоны сварного шва, зоны термического влияния и зоны основного металла, полученных в результате термической обработки со старением в растворе, была выше, чем у сварного соединения. Кроме того, предел прочности при растяжении сварного соединения был на 11,3% выше, чем в сваренном состоянии, а предел текучести - на 17,2% выше, чем в сваренном состоянии. Однако удлинение после разрушения составляло лишь около 50% от удлинения в сваренном состоянии.

Ма Куан и др. исследовали влияние процессов термообработки на микроструктуру и механические свойства электронно-лучевых сварных соединений из сплава Ti-1300. Результаты показали, что различные виды термообработки перед сваркой оказывают незначительное влияние на микроструктуру и свойства сварного шва из титанового сплава. Напротив, термическая обработка после сварки не изменила форму и размер β-зерна в зоне сварки, но позволила регулировать содержание, размер и форму фазы a в зоне сварки. Однако распределение осажденной фазы a имело тенденцию к формированию на стабильной границе зерен.

Характеристики зоны сварки зависели от размера и количества осажденной α-фазы. Только при отжиге или старении при более низкой температуре усиливающий эффект α-фазы в зоне сварки был выше, и прочность шва была выше, чем у основного металла.

Таким образом, соответствующее тепловое воздействие при сварке в сочетании с качающимся электронным пучком может несколько улучшить неоднородность микроструктуры и свойства сварных соединений. Кроме того, послесварочная термообработка может улучшить механические свойства сварных соединений.

3.2 Совместное распределение остаточных напряжений

Остаточные напряжения при сварке являются критическим фактором, который может привести к коррозии под напряжением и снижению усталостная прочность структурных компонентов.

Точная оценка сварочное остаточное напряжение имеет решающее значение для определения срока службы сварных компонентов.

Лю Минь и коллеги проанализировали распределение остаточных напряжений в электронно-лучевом образце из титанового сплава TC4 толщиной 75 мм, основываясь на теории термоупругого конечного элемента.

На рис. 15 представлены результаты испытания на остаточное напряжение.

Полученные данные свидетельствуют о наличии трехмерного остаточного растягивающего напряжения с высоким значением в области, расположенной в 10 мм от начального и конечного концов, охватывающей около 1/4 толщины. Это напряжение может существенно повлиять на механические свойства сварных соединений и, следовательно, требует соответствующего внимания.

Рис.15 Результаты расчета остаточных напряжений

Ву Бинг и др. провели исследование по снижению остаточных напряжений в сварных соединениях путем измерения распределения остаточных напряжений в электронно-лучевых сварных соединениях из титанового сплава TA15 толщиной 50 мм после вакуумного отжига с использованием метода глухих отверстий. Результаты показали, что в результате термической обработки поперечные и продольные напряжения в сварных соединениях стали более стабильными, а напряжение во всем сварном соединении стало более равномерным.

Аналогичным образом, Ю Чен и др. измерили распределение остаточного напряжения в электронно-лучевых сварных соединениях из титанового сплава TC4 толщиной 100 мм после термообработки 600 ℃×2 ч методом рентгеновской дифракции. Результаты показали, что термообработка в некоторой степени уменьшила остаточное напряжение в сварном соединении, а распределение на верхней и нижней поверхностях сварного соединения заметно отличалось.

Горизонтальные и продольные остаточные напряжения на верхней поверхности уменьшились, а продольные остаточные напряжения на некоторых участках перешли из состояния растяжения в состояние сжатия. Продольное остаточное напряжение на нижней поверхности было эффективно устранено, а некоторые участки находились в состоянии сжимающего напряжения. Эффект снятия горизонтальных остаточных напряжений был средним.

Кроме того, Хоссейнзаде Ф и др. использовали контурный метод для измерения распределения остаточных напряжений в электронно-лучевых сварных соединениях титанового сплава TC4 толщиной 50 мм после термообработки. Результаты показали, что максимальное растягивающее напряжение на начальном конце шва составляло 330 МПа, максимальное сжимающее напряжение - 600 МПа в пределах 10 мм от заднего конца испытательной пластины, а растягивающее напряжение на осевой линии шва после термообработки может быть снижено до 30 МПа.

Таким образом, послесварочная термическая обработка может значительно снизить остаточные напряжения в сварных соединениях толстостенных титановых сплавов.

3.3 Резюме

Таким образом, электронно-лучевая сварка позволяет достичь высокой эффективности сварки и получить сварные соединения с минимальной деформацией и хорошей формой при сварке толстостенных титановых сплавов. Однако из-за узкой области плавления и большого температурного градиента термоциклирование может привести к образованию трехосных напряжений в структуре, что приведет к резкому снижению пластичности и вязкости соединения.

Хотя соответствующий процесс термообработки может частично улучшить структуру и эксплуатационные характеристики сварного соединения, полностью эта проблема не решена. Остаются скрытые опасности для последующей эксплуатации, такие как неравномерность структуры, характеристик и распределения напряжений по толщине. Кроме того, процесс термообработки не только увеличивает производственные затраты, но и снижает эффективность производства.

Кроме того, вакуумная камера также ограничивает применение электронно-лучевой сварки для крупных деталей из титановых сплавов. Поэтому необходимо провести исследования микроструктуры, свойств и равномерности распределения напряжений в сварных соединениях, особенно в направлении локальной вакуумной электронно-лучевой сварки.

4. Состояние исследований в области лазерной сварки

После десятилетий развития технология лазерной сварки достигла значительного прогресса. С появлением волоконных лазеров и развитием фотоэлектрических модулей увеличилась выходная мощность лазеров, улучшилась стабильность луча, что заложило прочную основу для их применения в области сварки толстостенных деталей.

По сравнению с традиционной технологией толстостенной дуговой сварки, лазерная сварка обеспечивает высокую эффективность сварки, минимальные сварочные деформации и остаточные напряжения, узкие зоны термического влияния и отличную приспособленность для сварки больших и сложных конструкций.

Благодаря этим преимуществам технология лазерной сварки стала одним из основных направлений исследований в области сварки толстостенных деталей в последние годы.

В настоящее время технология лазерной сварки толстостенных титановых сплавов включает в себя лазерную сварку присадочной проволокой и вакуумную лазерную сварку.

4.1 Лазерная сварка в узком зазоре с присадочной проволокой

Лазерная сварка с узким зазором присадочной проволокой предполагает использование механизма подачи проволоки для подачи присадочного металла к месту сварки. лазерный фокус место. Затем расплавленный присадочный металл заполняет сварной шов под действием лазерного луча, завершая процесс сварки.

На рис. 16 показана схема узкозазорной лазерной сварки с присадочной проволокой. В последние годы эта технология получила бурное развитие.

Несмотря на достигнутые успехи, узкозазорная лазерная сварка с использованием присадочной проволоки все еще сталкивается с некоторыми проблемами, особенно при сварке толстостенных титановых сплавов. К таким проблемам можно отнести недостаточное проплавление боковой стенки, пористость при сваркесварочных деформаций и высоких напряжений, а также низкой пластической прочности сварных соединений.

Рис.16 Схема узкозазорной лазерной сварки с заполнением проволокой

Ли Кун и др. использовали качающийся лазерный луч для подавления пористости в титановом сплаве и проанализировали его механизм, чтобы решить проблему несплавления боковых стенок и пористость при сварке.

Результаты показали, что качающаяся балка оказала значительное влияние на снижение пористости при сварке шпоночных отверстий титановых сплавов. Это было связано с повышением стабильности шпоночного отверстия во время сварки, что привело к уменьшению пористости шпоночного отверстия.

Сюй Кайсинь и др. использовали круговое качание лазерного луча для сварки титанового сплава TC4 толщиной 40 мм. Когда амплитуда колебаний составляла 2 мм, а частота колебаний - 100-200 Гц, то сварной шов Не было видимых пор, а боковая стенка была хорошо сросшейся.

Анализ микроструктуры и свойств сварного соединения показал, что столбчатый кристалл сварного шва содержит плотно расположенный ациклический α'мартенсит и дисперсно распределенную зернистую αg-фазу. Предпочтительная ориентация α' была обнаружена в одном и том же зерне β, а доля крупноугловых границ зерен была высокой. Сварное соединение демонстрировало высокую прочность, но плохую пластичность и вязкость.

В заключение следует отметить, что качающийся лазерный луч является эффективным решением проблемы несплавления боковых стенок и пористости при сварке.

Рис.17 Морфология и микроструктура узкого участка зазора из титанового сплава TC4 толщиной 40 мм

Чтобы решить проблему низкой пластичности и вязкости сварных соединений толстостенных титановых сплавов, исследователи улучшили микроструктуру и свойства сварных соединений путем регулирования подводимого тепла и элементов сплава.

Fang Naiwen и коллеги исследовали влияние подводимого сварочного тепла на лазерную сварку титанового сплава TC4 присадочной проволокой. Результаты исследования показали, что соответствующее количество сварочного тепла может обеспечить хорошую пластичность сварного соединения.

Кроме того, используя метод наблюдения in-situ с помощью высокотемпературного лазерного конфокального микроскопа, они проанализировали особенности формирования микроструктуры и закономерности трансформации саморазвивающегося титанового сплава серии Ti-Al-V-Mo в процессе охлаждения при термический цикл сварки. Результаты показали, что добавление Mo снизило температуру начального превращения, уменьшило аспектное соотношение ациклического α-мартенсита и начальной α-фазы, а также повысило ударную вязкость сварных соединений.

Таким образом, регулируя подачу тепла в процессе сварки и разумно подбирая соотношение легирующих элементов порошковой проволоки, можно повысить пластическую прочность сварного соединения.

Процесс лазерной сварки толстой пластины из титанового сплава со сверхузким зазором происходит в результате накопления тепла за один проход многослойного присадочного металла. Многочисленные термические циклы в процессе многослойной сварки неизбежно создают чрезвычайно сложную структуру сварного шва с неравномерным температурным полем.

Во время сварки в сварном соединении может возникнуть неравномерное распределение остаточных напряжений и сварочных деформаций. Кроме того, титановый сплав обладает высоким коэффициентом линейного расширения и низкой теплопроводностью, что еще больше увеличивает вероятность возникновения остаточных напряжений и сварочных деформаций.

Негативное влияние сварочных остаточных напряжений на прочность при статических нагрузках, малоцикловую усталость и коррозионную стойкость сварных соединений из титановых сплавов весьма значительно. Кроме того, сварочные деформации могут существенно повлиять на внешний вид сварных соединений, снизить несущую способность конструкции и точность сборки последующих сварочных компонентов.

Для более глубокого изучения влияния формы канавок на остаточные напряжения в сварных соединениях Фанг Найвен и др. использовали программу моделирования ANSYS для проведения численного анализа напряжений и деформаций различных форм канавок в лазерных сварных соединениях из титанового сплава TC4 толщиной 40 мм.

На рис. 18 показано распределение продольных напряжений в двух формах канавок. Результаты показывают, что распределение напряжений в сварном соединении с одинарной U-образной канавкой отличается от распределения напряжений в сварном соединении с двойной U-образной канавкой. В сварном соединении с одинарной U-образной канавкой очевидная концентрация напряжений возникает на одной стороне торцевого шва, в то время как распределение напряжений в сварном соединении с двойной U-образной канавкой симметрично вдоль направления толщины стенки.

Рис.18 Распределение продольных остаточных напряжений

Таким образом, лазерная сварка в узком зазоре с использованием присадочной проволоки позволяет получать толстостенные сварные соединения из титановых сплавов без дефекты сварки например, пористость и неполное сплавление боковой стенки путем периодического колебания лазерного луча.

Пластическая прочность сварного соединения может быть улучшена путем регулирования теплового нагрева в процессе сварки и соотношения легирующих элементов в металлической проволоке с порошковым покрытием.

Однако в области лазерной сварки толстостенных титановых сплавов в узком зазоре присадочной проволокой необходимо продолжать исследования по контролю микроструктуры и свойств сварных соединений, особенно в области лазерной сварки металлической порошковой проволокой с многослойной системой сплавов.

4.2 Лазерная сварка в вакууме

В последние годы мощность мощных промышленных волоконных лазеров достигла 10 000 ватт. Однако эффективное использование высококачественных мощных лазеров и повышение проникающей способности лазерной сварки без ущерба для ее качества - сложная задача в машиностроении.

Недавние исследования показали, что глубина проплавления может быть значительно увеличена в вакуумной среде, что улучшает пористость сварного шва и его формирование. Рейсген У из Технического университета Аахена (Германия) сравнил проникающую способность лазерной сварки, лазерной сварки в вакууме и электронно-лучевой сварки.

Результаты показали, что при одинаковой энергии линии провар полученная при лазерной сварке в вакууме, примерно в 2,5 раза выше, чем при сварке в атмосфере, и аналогична той, что получается при электронно-лучевой сварке. Однако вакуум, необходимый для лазерной сварки в вакуумной среде, составляет всего 10 Па, в то время как для электронно-лучевой сварки требуется не менее 10-1 Па, что делает стоимость вакуумной лазерной сварки ниже.

Поэтому ученые проводили исследования в области низкого вакуума. технология лазерной сварки для толстостенных конструкций. Мэн Шенхао и др. исследовали характеристики лазерной сварки титанового сплава TC4 в вакуумной среде для средних и толстых листов.

Результаты показали, что лазерная сварка в вакуумной среде обеспечивает лучшее формирование шва, значительно улучшает проплавление, увеличивает соотношение глубины и ширины шва, подавляет разбрызгивание в процессе сварки и значительно уменьшает дефекты газовых отверстий в шве.

Харбинский научно-исследовательский институт сварки (Harbin Welding Research Institute Co., Ltd.) выполнил сварку сплава TC4 толщиной 40 мм с использованием технологии лазерной сварки в низком вакууме (степень вакуума 10 Па). Они сравнили и проанализировали микроструктуру и механические свойства различных позиций.

Макроморфология сварного соединения представлена на рис. 19. Результаты показали, что микроструктура зоны термического влияния представлена α-фазой, остаточной β-фазой и α' мартенситом.

Микроструктура зоны плавления сварного шва в основном включает α' мартенсит различных размеров и состояний распределения, а также α-фазу, образующуюся при низкой скорости охлаждения. Характеристики растяжения по толщине однородны, значения прочности в верхней и нижней части больше, а значения прочности в средней верхней и средней нижней частях меньше, но общая разница невелика.

Рис.19 Макроморфология сварного соединения из титанового сплава толщиной 40 мм

4.3 Резюме

Таким образом, вакуумная лазерная сварка позволяет сваривать толстостенные титановые сплавы. Этот процесс сварки имеет ряд преимуществ перед электронно-лучевой сваркой, включая более низкие требования к вакууму, отсутствие радиационного загрязнения, более низкую стоимость сварки и более высокую эффективность. В результате вакуумная лазерная сварка представляет собой перспективный метод сварки толстостенных титановых сплавов.

Несмотря на эти преимущества, все еще существует необходимость в дальнейших исследованиях соответствующих ученых в области лазерной сварки толстостенных титановых сплавов в низком вакууме. В частности, необходимо провести углубленное исследование следующих вопросов характеристики лазера передача энергии в условиях вакуума и контроль микроструктуры и свойств сварочного соединения.

5. Заключение

В этой статье в первую очередь рассматривается прогресс, достигнутый в технологии сварки плавлением толстостенных титановых сплавов, направленной на удовлетворение требований высококачественной сварки и производства аэрокосмической, морской техники и других смежных областей.

За последнее десятилетие были достигнуты значительные успехи в технологии сварки плавлением толстостенных титановых сплавов. Эти достижения охватывают различные области, такие как технология сварки, контроль качества, структура соединений и контроль свойств.

С учетом современного состояния исследований, сварка плавлением толстостенных титановых сплавов в основном имеет следующие направления исследований:

(1) Контроль напряжений при сварке толстостенных титановых сплавов.

Из-за малой теплопроводности и большого коэффициента линейного расширения титанового сплава в структуре после термоциклирования в процессе сварки толстостенного титанового сплава могут легко образоваться трехсторонние напряжения. Это может привести к резкому снижению пластичности и вязкости соединения.

Для решения этой проблемы можно использовать различные методы, такие как послесварочная термообработка, оптимизация канавок и ультразвуковая ударная обработка в зависимости от используемого метода сварки. Эти методы могут помочь контролировать напряжение и деформацию сварных соединений толстостенных титановых сплавов.

(2) Разработка технологии сварки с использованием нескольких источников тепла.

В настоящее время технология сварки плавлением толстостенного титанового сплава включает в себя в основном отдельные источники тепла, такие как традиционная дуговая сварка, электронно-лучевая сварка и лазерная сварка. Однако эти методы сварки имеют определенные ограничения.

Поэтому, чтобы устранить эти ограничения, для сварки толстостенных титановых сплавов следует разработать технологию сварки с несколькими источниками тепла, например, гибридную сварку TIG-MIG и гибридную сварку лазерной дугой.

(3) Контроль микроструктуры и свойств сварных соединений.

В настоящее время существует ограниченное количество исследований по контролю микроструктуры сварных соединений толстостенных титановых сплавов.

Однако существует возможность разработки сварочных материалов с мультилегированными системами и регулирования микроструктуры сварных швов. Это может потенциально улучшить механические свойства толстостенных титановых сплавов.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.

Далее

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...

Топ-4 метода специальной обработки в современном машиностроении

В этой статье в основном представлены несколько зрелых методов специальной обработки. I. Обработка электрическим разрядом (EDM) EDM - это метод обработки токопроводящих материалов, использующий явление электрической коррозии во время [...]...

Что такое обработка с ЧПУ? Виды, преимущества, недостатки и этапы обработки

Что такое обработка с ЧПУ? Числовое программное управление (ЧПУ) - это метод управления движением и операциями обработки на станках с помощью оцифрованной информации. Станки с числовым программным управлением, часто сокращенно называемые [...]...

Изучение высокоскоростной резки: Обзор технологий и применение

Обработка резанием остается наиболее распространенным методом механической обработки, играющим важную роль в механическом производстве. С развитием производственных технологий технология обработки резанием претерпела значительный прогресс в [...].

Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или находящиеся в стадии разработки материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, [...]...

Методы расширения металла: Исчерпывающее руководство

Формирование выпуклости подходит для различных типов заготовок, таких как чашки глубокой вытяжки, разрезанные трубы и прокатные конические сварные изделия. Классификация по средствам формования выпуклости Методы формования выпуклости можно разделить [...].
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.