专利名称：：钛合金焊接过程细化焊缝组织提高焊缝塑性的方法
技术领域：
：本发明涉及一种在钛合金焊接过程中细化焊缝组织提高焊缝塑性的方法。
背景技术：
：钛合金是当今最重要的航空结构材料之一，这些合金自身具有较高的强度、塑性和韧性，完全可以满足飞机结构的设计和使用要求。但是，随着飞机减重需求的进一步突显，许多钛合金结构件希望采用焊接结构；另外，一些结构由于尺寸或形状原因，直接采用锻造、铸造和机加工工艺制造的难度很大，也希望采用焊接技术。因此钛合金，尤其是某些中高强度钛合金的焊接性能问题变得至关重要。不少性能优良的钛合金经过焊接热循环和一系列冶金变化，焊缝的性能损失严重。虽然经过一定的焊后热处理，仍难以恢复至母材或合用的水平。这使钛合金的推广应用受到很大的限制。对于许多钛合金焊接而言，普遍存在的一个突出问题是焊缝塑性降低严重。造成钛合金焊缝塑性降低的一个重要原因就是焊缝初始e晶粒粗大，且往往以柱状晶的形式贯穿焊缝的大部分厚度。钛合金焊接造成的粗大晶粒和晶内针状结构，很难通过焊后热处理改变。为控制钛合金焊缝凝固过程、细化初始e晶粒，人们提出了多种工艺，但效果仍不够理想。如采用低热输入的高能束焊，虽能细化初始P晶粒，但因晶内针状结构过于细密，塑性改善并不明显。电磁搅拌作为一种细化焊缝晶粒的工艺，在铝合金、钢的焊接方面取得了成功的应用，但用于钛合金焊接，仍未取得明显效果。通过焊丝向熔池中填加Y元素进行变质处理，可以收到细化晶粒、防止热裂纹的效果，但焊缝强度提高，塑性有所降低，进一步的研究表明，添加Y不能阻止晶粒从焊缝界面的联生生长，晶粒细化仅局限于焊缝中心。
发明内容本发明的目的是提供一种减轻钛合金焊接过程中焊缝塑性降低的钛合金焊接过程细化焊缝组织提高焊缝塑性的方法。本发明的技术解决方案是，在焊枪后方通过一粉末填加装置向熔池后半部填加钛合金粉末或其他性质的粉末，其具体步骤是，1)根据待焊工件的材料性质，确定焊接时填加粉末的材质，可以是同质也可以是异质，以所填加粉末熔点略高于待焊材料熔点为宜；2)采用旋转电极法或雾化法制备粒度范围在-40目+80目的粉末；3)根据试板厚度确定焊接电流、焊接速度和送粉速度，送粉速度范围为1.0g/min8.Og/min;4)通过拖罩-粉末出口调节器，调节粉末出口的角度、宽度、高度及其与钨极的距离，粉末出口与水平方向夹角为25。45°、粉末出口宽度与熔池宽度相适应，为5ram10咖，粉末出口下缘高出焊件2mm6mm，粉末出口下端前缘位于钨极轴线后方5誦10mm;5)送粉采用气载非接触式方式，根据送粉速度确定送粉托盘电机转速，根据粉末粒度和比重确定载粉氩气流量；6)焊接时采用先送载粉氩气-再送粉-后引弧的方式启动焊接，通过拖罩-粉末出口调节器将粉末由焊枪后方以25°45°的角度和以待焊件上表面为基准2mm6mm的高度送入焊接熔池的后半部分；焊接结束时，以先停止送粉-再停止送载粉氩气-最后熄弧的方式结束焊接。焊接过程细化焊缝组织提高焊缝塑性方法的粉末填加装置是由非接触式气载送粉控制器、送粉管路、氩气瓶、拖罩-粉末出口调节器、送气管路组成，非接触式气载送粉控制器的壳体内装有电机，电机通过线路与转速调节器相连，电机的旋转轴上安装一个托盘，托盘安装于一个腔体中，托盘的盘面上开有环形槽，托盘的上方设置一个漏斗，漏斗下部插入腔体，腔体的上侧开有一个进气管，进气管通过氩气管路和一个流量计与氩气瓶相连，从腔体的内部上壁通过螺栓固定一个刮板于托盘环形槽中，刮板前侧的环形槽上方设有一个吸气管，吸气管伸出封闭腔体与送粉管路相接；漏斗的下端口与托盘上的环形槽对正平齐，漏斗的上端置于非接触式气载送粉控制器壳体的外部并密封；拖罩-粉末出口调节器的拖罩的底部为一不锈钢丝网底面，拖罩内通入一个氩气管，氩气管的上部均匀开有一排小孔，粉末出口从拖罩的上方斜插穿入拖罩并从拖罩的下方伸出，粉末出口的上端与送粉管路相连，拖罩通过连接装置安装于焊枪的后部。本发明具有的优点和有益效果，本发明通过在焊接过程中向焊接熔池中填加与被焊钛合金同质或异质的粉末，利用未熔尽的粉末作为焊缝形核的核心，增加同时结晶的晶粒数目，使钛合金焊缝组织细化，实现提高焊缝塑性的目的。该方法可采用同质或异质钛合金粉末，也可采用熔点较高的氧化物、碳化物粉末作为异质形核的核心。通过采用不同粒度搭配的粉末，可利用较大粒度的粉末造成未熔尽形核核心，也可利用较小粒度粉末熔化吸热加快熔池的凝固，细化钛合金焊缝的一次结晶组织。本发明克服了钛合金粗大焊缝组织无法通过焊后热处理进行细化的周限，使焊缝一次结晶组织得到细化，具有实质性的特点和显著进步。与能够细化初始e晶粒的低热输入的高能束焊相比，本发明可避免因晶内组织过于细密而造成的塑性降低。与电磁搅拌相比，本发明细化焊缝组织及提高塑性的效果更明显。采用含Y元素焊丝的方法仅使焊缝中心的晶粒细化，本发明可使整个焊缝的组织得到细化，改善焊缝塑性的效果更明显。图1为本发明粉末填加装置结构示意图。具体实施例方式本发明是通过以下技术方案实现的，根据待焊钛合金的材质，制造或选择同质或异质、粒度适中(-40目+80目)的粉末，在焊接过程中采用气载非接触方式以合适的送粉速度(1.0g/min8.0g/min)，通过粉末出口调节器以合适的角度(与水平方向夹角25°45°)、宽度(5mm10mm)、高度(高出焊件2mm6mm)和距离(粉末出口下端前缘位于钨极轴线后方5mm10mm)将粉末输送到焊接熔池的后半部。其具体步骤是，(1)根据待焊钛合金的材质，确定填加粉末的材质，粉末可以与待焊钛合金同质也可以异质，以所填加粉末熔点略高于待焊材料熔点为宜。(2)采用旋转电极法或雾化法制备粒度范围适中的粉末，粉末粒度以-40目+80目为宜。(3)根据待焊钛合金的厚度确定焊接电流、焊接速度和送粉速度。送粉速度范围为1.0g/min~8.0g/min。(4)将粉末加入送粉器物料漏斗中，拧紧漏斗盖，确保漏斗与外界空气隔绝。(5)接通送粉控制器电源，将送粉控制器载粉氩气进气管通过软管和流量计与氩气瓶相连接。(6)进行送粉速度与送粉器托盘电机转速电压对应关系的标定。(7)将送粉器吸气管出口通过塑料软管与拖罩-粉末出口调节器相连接。(8)通过拖罩-粉末出口调节器，调节粉末出口的角度、宽度、高度及与钨极的距离。粉末出口与水平方向夹角为25°45°、粉末出口宽度与熔池宽度相适应，为5mm10mm，粉末出口下缘高出焊件2mm6mm，粉末出口下端前缘位于钩极轴线后方5mm10mm。(9)根据送粉速度在送粉控制器上设定托盘电机转速电压(1V5V)，设定载粉氩气流量，载粉氩气流量为2.5L/min5.0L/min。(10)设定焊机的焊接电流、焊接速度，设定拖罩保护氩气、焊枪保护氩气以及背面保护氩气的流量；(11)以先送载粉氩气-再送粉-后引弧的方式启动焊接，焊接完毕时以先停止送粉-再停止送载粉氩气-最后熄弧的方式结束焊接。焊接过程细化焊缝组织提高焊缝塑性方法的粉末填加装置是由非接触式气载送粉控制器、送粉管路8、氩气瓶26、拖罩-粉末出口调节器、送气管路7组成，非接触式气载送粉控制器的壳体11内装有电机24，电机24通过线路23与转速调节器22相连，电机24的旋转轴上安装一个托盘12，托盘12安装于一个腔体18中，托盘12的盘面上开有环形槽19，托盘12的上方设置一个漏斗17，漏斗17下部插入腔体(18)，腔体18的上侧开有一个与氩气瓶26相通的进气管15，氩气管路20与进气管15相连，氩气管路25与氩气瓶26相连，氩气管路20和氩气管路25之间有一个流量计21，从腔体18的内部上壁通过螺栓14固定一个刮板13于托盘环形槽19中，刮板13前侧的环形槽19上方设有一个吸气管16，吸气管16伸出封闭腔体18与送粉管路8相接；漏斗17的下端口与托盘12上的环形槽19对正平齐，漏斗17的上端置于非接触式气载送粉控制器壳体ll的外部并密封；拖罩-粉末出口调节器的拖罩2的底部为一不锈钢丝网3底面，拖罩内通入一个氩气管1，氩气管1的上部均匀开有一排小孔6，粉末出口4从拖罩2的上方斜插穿入拖罩2并从拖罩2的下方伸出，粉末出口4的上端与送粉管路8相连，拖罩2通过连接装置9安装于焊枪10的后部。粉末倒入漏斗17后，拧紧漏斗17的盖子，使漏斗17内部和腔体18构成一封闭的空间，托盘12的转轴与腔体18之间采用动密封，气体只能通过进气管15和吸气管16进入该封闭的空间。粉末依靠重力作用填平托盘12的环形槽19，电机24带动托盘12旋转，将粉末均匀地输送到吸气管16的下方，刮板13将粉末拦挡于吸气管16下方，载粉氩气从进气管15进入腔体18，从吸气管16排出腔体，吸气管16下方的氩气流造成负压，将输送到吸气管16下方的粉末吸走，粉末通过送粉管路8进入粉末出口4，从粉末出口4下端进入熔池后部，电机24的转速决定送粉速度，通过转速调节器22调节转速，载粉氩气的流量决定吸气管16下方的载粉能力，通过流量计调节载粉氩气流量。氩气通过送气管路7进入氩气管1，再从氩气管1上面的一排小孔6进入拖罩2内部上方，然后向下流动，通过不锈钢丝网3的孔眼均匀地向下流出，对熔池后方刚凝固的仍处于高温的钛合金焊缝及其近缝区提供良好的氩气保护。拖罩保护气和载粉氩气流量单独调节，粉末出口4的送粉高度、宽度、角度可以调节，粉末出口4下端前缘与钨极5之间的距离也可以调节。根据待焊钛合金的材质，确定填加粉末的材质，粉末可以与待焊钛合金同质也可以异质，以所填加粉末熔点略高于待焊材料熔点为宜；采用旋转电极法或雾化法制备粒度范围适中的粉末。通过拖罩-粉末出口调节器，设定粉末出口的角度、宽度、高度及其与钨极的距离；采用气载非接触方式在焊接过程中向焊接熔池的后半部以1.0g/min8.0g/min的速度输送粉末；通过送粉控制器的转速调节器设定送粉速度，通过送粉控制器的流量计设定载粉氩气流量。实施例一在TA15钛合金钨极氩弧悍过程中采用随焊填加TC4钛合金粉末的方法。TA15板厚2.5mm，TC4粉末粒度为-65目+80目和-60+65目两种规格，粉末出口与水平方向夹角30°、宽度为6mm、高度5.5mm，粉末出口前缘位于钨极轴线后方10mm，焊接速度为4.3,/s，焊接电流为170A190A，电弧电压为13.0V15.0V，焊接方式为板上堆焊，所有试板背面熔透，且背面熔宽基本一致。焊后试板进行63(TCXlhr退火处理，测试焊接接头弯曲角，并通过焊缝金相分析测量每平方毫米内的晶粒数，换算得到晶粒度级别。表l为试验条件和试验结果。可见，与常规焊(试验1)相比，随焊填加钛合金粉末的试验中焊缝组织均得到明显细化，焊接接头的弯曲角增大，接头塑性得到明显改善。表l不同试验条件下焊缝晶粒度与接头弯曲角比较<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>权利要求1、一种钛合金焊接过程细化焊缝组织提高焊缝塑性的方法，其特征在于，在焊枪后方通过一粉末填加装置向熔池后半部填加钛合金粉末或其他性质的粉末，其具体步骤是，1)根据待焊工件的材料性质，确定焊接时填加粉末的材质，可以是同质也可以是异质，以所填加粉末熔点略高于待焊材料熔点为宜；2)采用旋转电极法或雾化法制备粒度范围在-40目～+80目的粉末；3)根据焊件厚度确定焊接电流、焊接速度和送粉速度，送粉速度范围为1.0g/min～8.0g/min；4)通过拖罩-粉末出口调节器，调节粉末出口的角度、宽度、高度及其与钨极的距离，粉末出口与水平方向夹角为25°～45°、粉末出口宽度与熔池宽度相适应，为5mm～10mm，粉末出口下缘高出焊件2mm～6mm，粉末出口下端前缘位于钨极轴线后方5mm～10mm；5)送粉采用气载非接触式方式，根据送粉速度确定送粉托盘的电机转速，根据粉末粒度和比重确定载粉氩气流量；6)焊接时采用先送载粉氩气-再送粉-后引弧的方式启动焊接，通过拖罩-粉末出口调节器将粉末由焊枪后方以25°～45°的角度和以待焊件上表面为基准2mm～6mm的高度送入焊接熔池的后半部分；焊接结束时，以先停止送粉-再停止送载粉氩气-最后熄弧的方式结束焊接。2、一种完成权利要求1所述的焊接过程细化焊缝组织提高焊缝塑性方法的粉末填加装置，其特征是，粉末填加装置由非接触式气载送粉控制器、送粉管路(8)、氩气瓶(26)、拖罩-粉末出口调节器、送气管路(7)组成，非接触式气载送粉控制器的壳体(11)内装有电机(24)，电机(24)通过线路(23)与转速调节器(22)相连，电机(24)的旋转轴上安装一个托盘(12)，托盘(12)安装于一个腔体(18)中，托盘(12)的盘面上开有环形槽(19)，托盘(12)的上方设置一个漏斗(17)，漏斗(17)下部插入腔体(18)，腔体(18)的上侧开有一个与氩气瓶(26)相通的进气管(15)，氩气管路(20)与进气管(15)相连，氩气管路(25)与氩气瓶(26)相连，氩气管路(20)和氩气管路(25)之间有一个流量计(21)，从腔体(18)的内部上壁通过螺栓(14)固定一个刮板(13)于托盘环形槽(19)中，刮板(13)前侧的环形槽(19)上方设有一个吸气管(16)，吸气管(16)伸出封闭腔体(18)与送粉管路(8)相接；漏斗(17)的下端口与托盘(12)上的环形槽(19)对正平齐，漏斗(17)的上端置于非接触式气载送粉控制器壳体(11)的外部并密封；拖罩-粉末出口调节器的拖罩(2)的底部为一不锈钢丝网(3)底面，拖罩内通入一个氩气管(l)，氩气管(l)的上部均匀开有一排小孔(6)，粉末出口(4)从拖罩(2)的上方斜插穿入拖罩(2)并从拖罩(2)的下方伸出，粉末出口(4)的上端与送粉管路(8)相连，拖罩(2)通过连接装置(9)安装于焊枪(10)的后部。全文摘要本发明涉及一种在钛合金焊接过程中填加钛合金粉末或其他材料粉末的焊缝组织细化与塑性改善方法。方法为在钛合金焊接熔池的尾部通过一粉末填加装置将同质或异质粉末加入到正在结晶的熔池中，一方面利用未熔尽的粉末作为形核核心，另一方面利用粉末的熔化吸热加速熔池的凝固，增加焊缝中同时结晶的晶粒数目，使钛合金焊缝组织细化，达到提高钛合金焊接接头塑性的目的。文档编号B23K9/23GK101391339SQ200810172470公开日2009年3月25日申请日期2008年11月12日优先权日2008年11月12日发明者刘志彬,刘文慧,标周,张学军,张文扬,李小飞,郭绍庆申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院