一种钛合金焊接接头局部热处理消应方法

技术领域

本发明涉及钛合金焊接接头热处理技术领域，具体而言，涉及一种钛合金焊接接头局部热处理消应方法。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀以及无磁等特点，在船舶、海洋工程等领域有着广泛的应用，被誉为“海洋金属”。随着我国对深海装备需求的不断增加，对综合性能优异钛合金耐压壳的需求也愈加迫切，各种大厚度、大尺寸构件应用也逐渐增多。焊接是钛合金耐压壳体和大型构件必须手段，焊缝金属熔化、凝固、冷却收缩以及内部金相变化等过程会造成较高的残余应力，特别是在大拘束度条件下，残余应力水平会进一步提升。当焊接接头内的残余应力水平较高时，严重影响接头的疲劳强度，抗脆断以及应力腐蚀开裂的能力，会大幅降低焊接耐压壳的刚性、静载强度和尺寸稳定性。因此在焊接后必须对焊接接头进行消应力处理。

现有技术中对钛合金焊接接头进行热处理的主要方式为：整体热处理和超声振动热处理。随着钛合金工件尺寸的不断增加、钛合金接头厚度的不断增厚，现有的消应方式难以继续适用，主要存在以下问题：

(1)采用超声振动消应：效率低，严重降低工件的焊接速度；厚板表面与心部消应程度不一致，容易形成应力梯度；操作过程难以量化，消应效果不能保证；残余应力消除程度理论上上仅能达到40％，效果不明显。

(2)采用整体热处理：需要将焊接结构整体放入加热炉进行热处理，针对大型钛合金构件现有热处理炉子规格不能满足整体热处理需求，需要重新定制大规格、大功率热处理炉，温控要求高、效率低、周期长、操作复杂、成本高，故而研究如何改善焊接接头局部热处理消应方式，以提高消应方式的适用范围，具有重要意义。

在专利CN102230066B中提及一种12Cr1MoV管道焊缝局部热处理工艺，包括以下几个步骤，1.1、将测温热电偶与12Cr1MoV金属管道轴线方向成锐角倾斜的固定在管道焊接接头位置处，并在测温热电偶的热端上布置一小块绝热层，然后在焊接接头外部包覆加热器，在加热器的外部包扎隔热材料；1.2、通过温度控制仪进行编程控制，首先以小于等于200℃/h的升温速度，将加热器升温至865℃±5℃，保持该温度1小时，保温空冷，缓慢将温度冷却至300℃；1.3、以200℃/h的升温速度将加热器的温度由基础温度300℃升至735℃±15℃，然后保持该温度1小时；1.4、以小于等于250℃/h的降温速度将温度降至300℃，通过该方式能够均衡晶粒组织，消除焊接应力，但是该方式针对于管道对称规格的合金结构钢的局部热处理消应技术，基于钛合金的特性与钢完全不同，由于钛合金从250℃开始吸氢，400℃开始吸氧，600℃开始吸氮，钛合金同O

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种钛合金焊接接头局部热处理消应方法，以解决现有技术中存在的对于不同规格、形状的钛合金材质该消应方式并不能够完全适用，使得该消应方式的适用范围较小，以及现有消应方式的消应效率较低、成本较高、周期较长，且对于大厚度、复杂形状结构的钛合金构件的局部残余应力消除效果较差的问题；以此达到能够有效的提高消应方式的适用范围，实现对于不同规格、形状的钛合金材质的消应，提高消应方式的消应效率，降低消应方式的消应成本，减小消应方式的消应周期，简化消应操作，大幅度的降低钛合金接头的残余应力，提高消应方式的环境适应性，实现能够有效的消除大厚度、复杂形状结构的钛合金焊接接头的局部残余应力。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明涉及的一种钛合金焊接接头局部热处理消应方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、选取待消应焊接试板；

步骤二、预处理：对试板预设位置进行预处理；

步骤三、热处理：将加热控制组件设置在试板外侧，并升温；

步骤四、后处理：对试板进行在后处理得到所需已消应板材；

步骤五、对板材进行残余应力检测，合格，完成对焊接试板的消应处理。

进一步，步骤二包括：

步骤S21：确定试板进行预处理的预设位置；

步骤S22：清理预设位置并在预设位置处涂抹防氧化涂料；

步骤S23：晾干涂料后，实现对待消应焊接试板的预处理。

进一步，预设位置为待消应焊接试板的焊接接头位置和所预设的母材区域。

进一步，步骤三中，加热控制组件包括加热控制设备和加热装置，加热控制设备与加热装置连接。

进一步，加热装置包括热电偶和加热带。

进一步，步骤三包括：

步骤S31：将热电偶设置在预处理后的待消应焊接试板外侧；

步骤S32：在热电偶远离试板的一侧铺设加热带；

步骤S33：在加热带外侧铺设保温棉；

步骤S34：将加热带、热电偶与加热控制设备连接，并通过加热控制设备控制加热带、热电偶升温至预设温度T℃，并保温预设时间t min。

进一步，步骤四中，后处理包括对保温后的试板进行喷砂或打磨抛光处理，用于去除预处理涂抹的防氧化涂料。

进一步，步骤五包括：

步骤S51：对板材进行残余应力检测，并记录热处理前后试板残余应力的检测结果；

步骤S52：根据热处理前后试板的残余应力的数据，判断消应处理后的试板是否合格，合格，完成对焊接试板的消应处理；不合格，返回步骤一。

进一步，步骤S51中，采用盲孔法对试板的焊接中心进行残余应力检测。

进一步，步骤一中，待消应焊接试板的厚度为amm，a的取值范围为10-200。

相对于现有技术，本发明所述的一种钛合金焊接接头局部热处理消应方法，具有以下有益效果：

通过所述消应方式，能够有效的提高消应方式的适用范围，实现对于不同规格、形状的钛合金材质的消应，提高消应方式的消应效率，降低消应方式的消应成本，减小消应方式的消应周期，简化消应操作，大幅度的降低钛合金接头的残余应力，提高消应方式的环境适应性，实现能够有效的消除大厚度、复杂形状结构的钛合金焊接接头的局部残余应力，避免在局部热处理过程中钛合金焊接接头的吸氢、吸氧及吸氮现象；此外，采用局部加热的方法对焊接接头及部分母材区域进行热处理，实现大幅降低钛合金接头的残余应力，具有操作简单、成本低、效率高、环境适应性广等优点，在船舶、石油化工、海洋工程钛合金装备等领域具有良好的技术应用于市场前景。

附图说明

构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附

图中：

图1为消应方式流程示意图；

图2为实施例1中的第一加热曲线示意图；

图3为残余应力检测测量位置示意图；

图4为实施例2中T型试板结构示意图；

图5为实施例2中的第二加热曲线示意图。

具体实施方式

下文将使用本领域技术人员向本领域的其它技术人员传达他们工作的实质所通常使用的术语来描述本公开的发明概念。然而，这些发明概念可体现为许多不同的形式，因而不应视为限于本文中所述的实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在现有技术中，对钛合金焊接接头进行热处理的主要方式为：整体热处理和超声振动热处理。随着钛合金工件尺寸的不断增加、钛合金接头厚度的不断增厚，现有的消应方式难以继续适用，主要在于采用超声振动消应时，面临消应效率低，严重降低工件的焊接速度；厚板表面与心部消应程度不一致，容易形成应力梯度；操作过程难以量化，消应效果不能保证；残余应力消除程度理论上上仅能达到40％，效果不明显的问题，采用整体热处理时，面临需要将焊接结构整体放入加热炉进行热处理，针对大型钛合金构件现有热处理炉子规格不能满足整体热处理需求，需要重新定制大规格、大功率热处理炉，温控要求高、效率低、周期长、操作复杂、成本高的问题。

为了解决现有技术中存在的对于不同规格、形状的钛合金材质该消应方式并不能够完全适用，使得该消应方式的适用范围较小，以及现有消应方式的消应效率较低、成本较高、周期较长的问题；本实施例提出一种钛合金焊接接头局部热处理消应方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、选取待消应焊接试板，试板材质为钛合金；

步骤二、预处理：对待消应焊接试板预设位置进行预处理；

步骤三、热处理：将加热控制组件设置在试板外侧，并升温；

步骤四、后处理：对待消应焊接试板进行在后处理得到所需已消应板材；

步骤五、对所需已消应板材进行残余应力检测，合格，完成对待消应焊接试板的消应处理；

其中，步骤一中，待消应焊接试板的厚度为amm，a的取值范围为10-200，步骤三中，加热控制组件包括加热控制设备和加热装置，加热控制设备与加热装置连接，在加热控制设备的作用下，控制加热装置工作，是试板升温，实现对焊接接头预设位置的消应处理；加热装置包括热电偶和加热带；步骤四中，后处理包括对保温后的试板进行喷砂或打磨抛光处理，用于去除预处理涂抹的防氧化涂料。

通过所述局部加热钛合金焊接接头的焊接后消应的方法，采用加热带对接头及部分母材区域进行加热，具有材料升温均匀的优点，满足高强钛合金接头焊后消应需求；还能够有效的提高消应方式的适用范围，实现对于不同规格、形状的钛合金材质的消应，提高消应方式的消应效率，降低消应方式的消应成本，减小消应方式的消应周期，简化消应操作，大幅度的降低钛合金接头的残余应力，提高消应方式的环境适应性。

步骤二包括：

步骤S21：确定试板进行预处理的预设位置；

步骤S22：清理预设位置表面的污物和杂质，并在预设位置处涂抹防氧化涂料；

步骤S23：晾干涂料，实现对待消应焊接试板的预处理；

其中，预设位置为待消应焊接试板的焊接接头位置和所预设的母材区域，预设的母材区域为以整个待消应焊接试板作为母材的局部区域。

通过在预设位置进行预处理，能够起到保护待进行消除残余应力的钛合金试板的作用，避免热处理过程中对待消应处理的钛合金试板表面造成破坏，通过设定预设位置，针对大厚度、复杂形状结构的钛合金焊接接头进行局部热处理以消除接头处的残余应力，同时在进行热处理前对接头部位进行预处理，具体包括清理表面污物杂质后，刷防氧化涂料，有利于避免在局部热处理过程中钛合金焊接接头的吸氢、吸氧及吸氮现象。

步骤三包括：

步骤S31：将热电偶设置在预处理后的待消应焊接试板外侧，且热电偶的探头设置在待消应焊接试板内部焊缝的正中心位置；

步骤S32：在热电偶远离试板的一侧铺设加热带，加热带设置在热电偶的局部外侧或全部外侧，焊缝中心与所铺设的加热带的中心相对应；

步骤S33：在加热带外侧铺设保温棉；保温棉完全覆盖加热带远离热电偶的一侧；

步骤S34：将加热带、热电偶与加热控制设备连接，并通过加热控制设备控制加热带、热电偶以预设升温速度v升温至预设温度T℃，并保温预设时间t min；

其中，加热带的宽度bmm应根据焊接接头的厚度即待消应焊接试板的厚度为amm来选择，加热带宽度b取值范围为20-600mm；预设升温速度v、加热预设温度T、保温预设时间t应根据焊接试板的厚度以及加热带的宽度来选择，预设升温速度v取值范围为100-900℃/h，加热预设温度T取值范围为100-1000℃，保温预设时间t取值范围为0.5h-6h。

通过热电偶、加热带、保温棉沿远离试板的一侧依次设置，并在热电偶、加热带均与加热控制设备连接的情况下，能够通过加热控制设备的作用，起到对热电偶、加热带预设升温速度v、加热预设温度T、保温预设时间t的调节，以此实现精准的控制加热控制组件对待消应焊接试板的残余应力处理效率，并且通过加热控制设备控制加热带进行局部加热的方式，具有操作简单、成本低、效率高、材料升温均匀、环境适应性广等优点，满足高强钛合金接头焊后消应需求，此外，为避免加热过程中焊接接头处性能变差，在加热过程中对焊接接头进行预处理，能够有效的提高对焊接接头处的保护，极大程度的增强板材的安全性。

步骤五包括：

步骤S51：对板材进行残余应力检测，并记录热处理前后试板残余应力的检测结果；

步骤S52：根据热处理前后试板的残余应力的数据，判断消应处理后的试板是否合格，合格，完成对焊接试板的消应处理；不合格，返回步骤一；

其中，步骤S51中，采用盲孔法对试板的焊接中心进行残余应力检测，具体的，盲孔法测量残余应力是指在有残余应力的部位钻一个小孔，因小孔附近的残余应力被释放，孔区附近的残余应力场发生变化，只要测出该局部区域的应变变化量，即可计算出钻孔处释放前的残余应力值。

通过对热处理后的试板进行残余应力检测，能够进一步直观的看出试板采用该局部加热的方式消除残余应力的效果变化程度，还能够根据测试的结果，判断处理后的钛板的消除残余应力效果是否达到所需要求，即是否合格，不合格，则根据需要进行重新消应处理。

实施例1：

对测试前后的待消应焊接试板进行处理，具体包括以下步骤：

步骤一、待消应焊接试板的试板尺寸为60*300*300mm，焊缝位于试板中心；

步骤二、将试板的焊缝及部分母材区域进行清理，去除污物杂质，再涂抹防氧化涂料，并晾干；

步骤三、在预处理后的，试板表面放置热电偶，保证热电偶探头处于焊缝正中心；将热电偶上面铺设局部加热带，加热带宽度为240mm，焊缝中心处于局部加热带中心；在加热带表面铺设保温棉，保温棉完全覆盖加热带；将加热带、热电偶与局部加热控制设备连接，升温至设定温度并保温一段时间，升温速度为300℃/h，加热温度为650℃，保温时间为1h，第一加热曲线见图2；

步骤四、将经过热处理后的焊接试板进行后处理即喷砂或者打磨抛光，去除防氧化涂料；

步骤五、选取3个待测量点，将经过后处理过的焊接试板采用盲孔法进行焊缝残余应力检测，残余应力测量结果如表1所示，

表1焊接试板残余应力检测结果

实施例2：

对测试前后的待消应焊接试板进行处理，具体包括以下步骤：

步骤一、待消应焊接试板的试板尺寸为2块45*400*400mm组成的T型试板，见图4所示；

步骤二、将试板的焊缝及部分母材区域进行清理，去除污物杂质，再涂抹防氧化涂料，并晾干；

步骤三、在预处理后的，试板背面及角接面放置热电偶，保证热电偶探头处于焊缝正中心；将热电偶上面铺设局部加热带，加热带宽度为200mm，焊缝中心处于局部加热带中心；在加热带表面铺设保温棉，保温棉完全覆盖加热带；将加热带、热电偶与局部加热控制设备连接，升温至设定温度并保温一段时间，升温速度为300℃/h，加热温度为550℃，保温时间为1h，第二加热曲线见图5；

步骤四、将经过热处理后的焊接试板进行后处理即喷砂或者打磨抛光，去除防氧化涂料；

步骤五、试板选取3个待测量点，将经过后处理过的焊接试板采用盲孔法进行焊缝残余应力检测，残余应力测量结果如表2所示，

表2焊接试板残余应力检测结果

通过实施例1和2的测量结果能够看出：针对高强钛合金接头的焊接后消应，通过局部加热带进行加热、热电偶进行精准控温，实现钛合金焊接接头的消应，降低焊后残余应力，明显改善焊接质量。具体表现在以下方面：

(1)钛合金试板焊后对接头进行局部加热，焊缝受热均匀，消应均匀，焊缝残余应力峰值降低50％以上，最大可降低66％。

(2)采用局部加热方法对焊接接头进行热处理，无需大型热处理炉，加热功率小，效率高、操作简单、成本低、环境适应性广。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。