鈦管全位置氬弧焊接頭力學(xué)性能數(shù)據(jù)分析

宋 凡，唐 磊，楊衛(wèi)國，周宇浩，徐曉丹

(1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海 201112； 2.上?？臻g發(fā)動機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

由于質(zhì)輕且塑韌性、焊接性和耐熱性好，鈦管在液推姿軌控動力系統(tǒng)所用的各類管路中占據(jù)了主要地位[1-4]。對于鈦管之間的連接需求，目前一般采用自動全位置氬弧焊的方法來解決[5-9]。

在每一種鈦管產(chǎn)品的正式焊接前，先用牌號和規(guī)格相同的工藝件進(jìn)行焊接試驗。焊后對工藝件接頭進(jìn)行表面成形、內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能檢測，當(dāng)所有指標(biāo)都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時方可焊接產(chǎn)品[10-16]。

鈦管工藝件一般用當(dāng)前產(chǎn)品的余料來現(xiàn)場制取，當(dāng)余料不足時則向其他產(chǎn)品借用。上述方式可能導(dǎo)致工藝件出現(xiàn)生產(chǎn)批次和取材根號混雜的現(xiàn)象，所以有必要明確該類因素對焊接性能的影響程度，若兩種材料因素的影響程度較為明顯，則可加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)狀態(tài)的控制力度。此外，對于不同尺寸規(guī)格的鈦管自動氬弧焊過程，一直存在著力學(xué)性能一次合格率有所差異的問題，因此需要通過歷史大數(shù)據(jù)分析來揭示相關(guān)原因，為后續(xù)的設(shè)計、工藝和質(zhì)量改進(jìn)打下技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗方法

鈦管材料牌號為TA1，具體化學(xué)成分如表1所示。

鈦管工藝件采用平頭對接的形式進(jìn)行裝配、定位和焊接，且在焊前須進(jìn)行酸洗、清洗和烘干等預(yù)處理。

每次試驗使用同一批次的18件鈦管工藝件，其中6件不進(jìn)行焊接，直接用于測試母材的力學(xué)性能(分為抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性兩組)，另外12件兩兩配套進(jìn)行焊接，焊后用于測試焊件的力學(xué)性能(同樣分為兩組)。根據(jù)航天行業(yè)導(dǎo)管焊接技術(shù)條件的要求，焊件抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性的下限值應(yīng)分別不低于母材對應(yīng)下限值的80%和40%。

2 結(jié)果與討論

2.1 φ6×1 mm鈦管

連續(xù)測量記錄了五年來44批次的力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)按來源和表征進(jìn)行分類，并按時間順序進(jìn)行羅列，如圖1所示。

觀察圖1(a)和圖1(b)可知，當(dāng)生產(chǎn)批次不同或雖批次相同但出自不同根余料時，母材工藝件的力學(xué)性能差別明顯，且表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度波動較小而沖擊韌性波動較大。若以生產(chǎn)批次為對比對象，則抗拉強(qiáng)度波動程度為±19.1%，沖擊韌性波動程度為±38.1%；若以所屬根號為對比對象，則抗拉強(qiáng)度波動程度為±6.2%，沖擊韌性波動程度為±13.6%。分析上述數(shù)據(jù)可知，批次因素對母材力學(xué)性能的影響程度大于根號因素。

對比圖1(a)和圖1(c)可知，鈦管在經(jīng)歷焊接熱過程后，其抗拉強(qiáng)度的均值和波動程度變化較小，而沖擊韌性的均值降低且波動程度增大。從圖1(d)可以看出，沖擊韌性的波動程度從38.1%/13.6%增加到了62.3%/44.4%。

圖1 φ6×1 mm鈦管焊接試驗力學(xué)性能數(shù)據(jù)

按航天行業(yè)導(dǎo)管焊接技術(shù)條件的要求考察焊件力學(xué)性能的合格情況，得到φ6×1 mm鈦管母材與焊接力學(xué)性能對比如圖2所示。

圖2 φ6×1 mm鈦管母材與焊件力學(xué)性能數(shù)據(jù)對比情況

可以看出，五年來只有極少部分焊件的力學(xué)性能未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中抗拉強(qiáng)度的不合格率為0，沖擊韌性的不合格率為9.1%，如圖3所示。根據(jù)前述分析可知，鈦管母材之間的力學(xué)性能有顯著差異，此后又引入了焊接熱過程的不利作用，所以偶爾會出現(xiàn)沖擊韌性下降較多的現(xiàn)象。

圖3 φ6×1 mm鈦管焊接試驗合格率

為了證明性能的波動確與生產(chǎn)批次和所屬根號有關(guān)，在同一根鈦管上截取制作了24件工藝件，其中12件測試抗拉強(qiáng)度，另外12件測試沖擊韌性，所得結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)批次和根號因素被剔除后，各項數(shù)據(jù)的波動程度小于1%，證明鈦管原料的力學(xué)性能極其穩(wěn)定。

圖4 φ6×1 mm鈦管同根工藝件力學(xué)性能數(shù)據(jù)

綜合上述試驗和分析結(jié)果可知，產(chǎn)品焊前的工藝試驗要求有待改進(jìn)。具體來說，由于每次試驗所用的12件工藝件自身就存在著較大的性能差別，因此在隨機(jī)選定母材和待焊工藝件時，可能出現(xiàn)母材工藝件性能整體優(yōu)良，而待焊工藝件性能相對較差的情況。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接，即使焊接熱過程的不利作用較小，由于基礎(chǔ)沖擊韌性相差懸殊，仍然可能出現(xiàn)焊件沖擊韌性不合格的現(xiàn)象。因此，相應(yīng)的改進(jìn)方案是嚴(yán)控工藝件的來源，將其限定在同一根鈦管上取材，如此可真實地測出焊接熱過程對力學(xué)性能的弱化程度，實現(xiàn)焊接試驗的本質(zhì)目的。

2.2 其他外徑鈦管

本節(jié)針對其他規(guī)格鈦管的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以探尋外徑因素對鈦管母材及焊接接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律。

先以壁厚為常量(0.8 mm)，外徑為變量(6、8、10、12、14 mm)，將母材力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行羅列，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同外徑鈦管母材力學(xué)性能數(shù)據(jù)

從圖5(a)可以看出，對于任意外徑的鈦管母材，其力學(xué)性能都會因批次、根號因素的變化而波動，且沖擊韌性的波動程度同樣更大。根據(jù)圖5(b)所示的量化值，當(dāng)鈦管外徑逐漸增大時，母材抗拉強(qiáng)度的波動程度依次是±12.3%、±18.8%、±13.4%、±11.9%和±18.9%，母材沖擊韌性的波動程度依次是±15.1%、±41.7%、±51.8%、±34.8%和±15.5% 。統(tǒng)計可知，抗拉強(qiáng)度的波動現(xiàn)象基本只受批次、根號因素的影響，而沖擊韌性的波動現(xiàn)象還額外與尺寸因素有關(guān)。具體為當(dāng)管徑介于8～12 mm之間時，批次、根號因素的影響程度會被明顯放大。

為了減少批次和根號因素的影響，探討外徑對鈦管母材性能的真實作用規(guī)律，先將數(shù)據(jù)極值排除，然后再以壁厚值為常量、外徑值為變量，將母材和焊件的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行羅列，所得結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同外徑鈦管母材力學(xué)性能數(shù)據(jù)(去極值)

由圖6可知，鈦管母材的抗拉強(qiáng)度受外徑影響很小，而沖擊韌性受外徑影響較大，且后者大致成正比例關(guān)系。根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)研究理論[17-19]可知，抗拉強(qiáng)度是與化學(xué)成分、組元構(gòu)成、晶粒形態(tài)和加工工藝相關(guān)的材料固有屬性，與工件結(jié)構(gòu)并無定性關(guān)系；而沖擊韌性不僅同樣與前述四種因素有關(guān)，還與載荷大小、缺口造型、工件形狀、結(jié)構(gòu)尺寸等因素有較大關(guān)系，本次試驗?zāi)覆男阅艿谋憩F(xiàn)與上述理論相符。將對應(yīng)的焊件力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行羅列，所得結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同外徑鈦管焊件力學(xué)性能數(shù)據(jù)

對比圖5和圖7可知，在經(jīng)歷焊接熱過程后，焊件抗拉強(qiáng)度的均值和波動程度相比母材同樣變化較小，而沖擊韌性方面的變化情況較為復(fù)雜，具體來說，僅φ6接頭發(fā)生了可見的均值降低和波動放大的現(xiàn)象，而更大外徑的接頭基本未受影響。分析認(rèn)為，在所需熔透的壁厚相同時，不同外徑鈦管需要的熱輸入線能量非常接近，而尺寸較小的焊接接頭散熱效果顯著更差，因此其熱影響區(qū)的晶粒粗大情況更嚴(yán)重，導(dǎo)致沖擊韌性劣化的可能性更高，表現(xiàn)為波動程度的大幅提高[20]。按航天行業(yè)導(dǎo)管焊接技術(shù)條件的要求考察焊件力學(xué)性能的合格情況，制作了如圖8所示的對比圖。

圖8 不同外徑鈦管母材與焊件力學(xué)性能數(shù)據(jù)對比情況

可以看出，當(dāng)鈦管外徑有別時，焊件抗拉強(qiáng)度的不合格率全部為0，而沖擊韌性僅在外徑為6的接頭中出現(xiàn)12.5%的不合格率，如圖9所示。

圖9 不同外徑鈦管焊接試驗合格率

綜合上述試驗和分析結(jié)果可知，產(chǎn)品焊前的工藝試驗要求有待改進(jìn)。具體來說，對于不同外徑的鈦管產(chǎn)品，沖擊韌性的合格指標(biāo)不應(yīng)固定為40%，最好設(shè)定成與外徑成正比的系列值，如此可更真實地體現(xiàn)出焊接熱過程的影響程度，避免相同質(zhì)量的焊接參數(shù)在不同產(chǎn)品上得到迥異的合格率。

針對以上研究結(jié)論，得出對應(yīng)的優(yōu)化措施，例如將工藝件限定在同一根鈦管上取材，將沖擊韌性的合格指標(biāo)從固定值(40%)改為與外徑成正比的系列值。在貫徹上述措施后，焊接力學(xué)性能試驗的一次合格率從72.7%提升至90.9%。

3 結(jié)論

1)當(dāng)取材來源足夠廣泛時，鈦管工藝件母材之間的力學(xué)性能存在明顯差異。具體來說，當(dāng)生產(chǎn)批次不同時，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性的波動程度分別可達(dá)±19.1%和±38.1%；當(dāng)批次相同但出自不同根余料時，兩種性能的波動程度分別可達(dá)±6.2%和±13.6%。

2) 焊接熱過程既會使力學(xué)性能的均值降低，也會使力學(xué)性能的波動程度增大。相較而言，抗拉強(qiáng)度受此影響很小，而沖擊韌性受此影響較大。

3) 當(dāng)工藝件外徑逐漸增大時，母材的抗拉強(qiáng)度均值和波動程度幾乎不變，而沖擊韌性均值逐漸提高，且波動程度先增大后減小。在經(jīng)歷同樣的焊接熱過程后，小外徑焊件的沖擊韌性波動程度明顯增大。

4) 可對試驗細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，例如將工藝件限定在同一根鈦管上取材，如此可去除比較基準(zhǔn)的波動影響。同時建議對試驗要求進(jìn)行細(xì)化，例如將沖擊韌性的合格指標(biāo)從固定值(40%)改為與外徑成正比的系列值(40%～50%)。