一种管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法

摘要

本发明提供了一种管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在两根管材(1)的待焊接头部位开坡口(2)；步骤2、将两根管材(1)对接后在坡口(2)处填丝焊接，得到焊接管段(3)；步骤3、截取该焊接管段(3)中断面形状为弧形的弧形管段(4)；步骤4、将该弧形管段(4)压平为条形试样(5)。该管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法制备出的试样能够用于测试管材焊接接头断裂韧性值，解决工程实践中管材焊接接头断裂韧性值难以测量的瓶颈问题。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接测试技术领域，具体的是一种管材焊接接头断裂韧性测试试样的 制备方法。

背景技术

随着薄壁管材的冷轧、拉拔技术日臻成熟，薄壁管材的性能逐渐提高，其突出的 优点是具有较高的力学性能和疲劳性能的同时，能够满足构件轻量化的需求。薄壁管 材已经在食品机械、交通运输等行业大量应用，特别是航空航天领域对于飞行器减重 增效的要求，使薄壁管材在飞行器制造领域有着更加广泛的应用空间。

薄壁管材在航空领域的一个典型的应用是航空发动机的介质输送管路，主要用于 输送燃油、液压、滑油和空气等介质，是发动机附件系统的重要组成部分。这些薄壁 管材在工作时承受着复杂的应力状态，除承受内部液体或气体的压力外，还不可避免 地承受安装应力，以及发动机振动造成的动应力。航空用薄壁管材的失效，国内外都 有深刻的教训。据报道，在国外新机研制过程中，由于薄壁管材焊接接头焊缝区的缺 陷以及热影响区的热裂而引起的失效、接头漏油故障十分频繁，在飞机制造或修理后 的前50～60飞行小时中还会出现70％～80％的薄壁管材故障；我国现役飞机(含发 动机)中，管材故障失效故障也占总故障率的52％。航空发动机薄壁管材组件中的管 接头和管材之间有两种连接形式，即滚压和焊接，焊接工艺相对于滚压工艺更易实现， 因此在发动机管材组件绝大多数都采用焊接形式。发动机管材组件的主要焊接方法有 熔焊、钎焊等，其接头质量和性能直接影响着航空发动机的工作性能和使用寿命。

焊接接头断裂韧性是评价接头阻止裂纹扩展能力的重要参考数据，是焊接结构完 整性评估中重要的参数。国外经过多年应用研究，目前已经形成了成熟的常温环境下 的针对压力容管道、桥梁等结构的完整性评定规范，在航空领域的焊接结构中也制定 了一些完整性评定规范，这些评估规范中均包含接头断裂韧性的测试方法。

目前国内在民用领域方面的研究主要集中在压力容器、管道等结构使用环境下的 性能测试和寿命评估；针对航空发动机所用的钛合金熔焊焊接接头的疲劳寿命开展了 较多的研究，如钛合金电子束焊接接头的疲劳裂纹扩展规律及疲劳剩余寿命、钛合金 焊接接头疲劳损伤演变模型研究、TC11钛合金焊接疲劳损伤分行演化研究等。

航空发动机薄壁管材焊接接头存在焊接缺陷、焊接残余应力、外力损伤、局部应 力集中等影响结构完整性的因素，在使用过程中不可避免地出现结构的损伤，损伤程 度的高低将决定焊接结构能否继续使用。目前对焊接结构断裂韧性的分析大多建立在 平板结构、具有一定厚度的三点弯曲试验或紧凑拉伸试验的基础上。针对管材焊接结 构，因无法制备断裂韧性测试试样而缺乏断裂韧性分析手段，亟待采取必要措施解决 这一技术瓶颈。

发明内容

为了解决现有技术中无法制备断裂韧性测试试样的问题，本发明提供一种管材焊 接接头断裂韧性测试试样的制备方法，该管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法 制备出的试样能够用于测试管材焊接接头断裂韧性值，解决工程实践中管材焊接接头 断裂韧性值难以测量的瓶颈问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在两根管材的待焊接头部位开坡口；

步骤2、将两根管材对接后在坡口处填丝焊接，得到焊接管段；

步骤3、截取该焊接管段中断面形状为弧形的弧形管段；

步骤4、将该弧形管段压平为条形试样。

本发明的有益效果是，该管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法制备出的试 样的性能与真实管材焊接接头的近似程度可以达到85％以上，因而该管材焊接接头断 裂韧性测试试样的制备方法制备出的试样能够客观的反映真实管材焊接接头的断裂 韧性，该试样也可以用于测试管材焊接接头断裂韧性值，从而解决了工程实践中管材 焊接接头断裂韧性值难以测量的瓶颈问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是两根管材的待焊接头部位开坡口的示意图。

图2是两根管材的焊后的示意图。

图3是弧形管段的示意图。

图4是第一压块按压弧形管段的示意图。

图5是第二压块按压弧形管段的示意图。

图6是第三压块按压弧形管段的示意图。

图7是第二压块将弧形管段压至极限位置后施加的压力与时间的示意图。

图8是条形试样开缺口的示意图。

附图标记说明：

1.管材，2.坡口，3.焊接管段，4.弧形管段，5.条形试样，6.缺口，7.焊 缝，

11.第一压块，12.第二压块，11.第三压块。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发 明的具体实施方式。

一种管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在两根管材1的待焊接头部位开坡口2，如图1所示；

步骤2、将两根管材1对接后在坡口2处填丝焊接，得到焊接管段3，如图2所 示；

步骤3、截取该焊接管段3中断面形状为弧形的弧形管段4，如图3所示；

步骤4、将该弧形管段4压平为条形试样5，图4至图5所示。

在本实施例的步骤1中，管材1的内径为45mm～55mm，管材1的壁厚为2.5mm～ 3.5mm，沿管材1的轴线方向，一个管材1的长度为50mm～70mm。在步骤2中，焊接 管段3上正面的焊接余高小于1mm，焊接管段3上背面的焊接余高小于0.5mm，其焊 接管段3上的正面为焊接管段3的外表面，焊接管段3上的背面焊接管段3的内表面。 在步骤3中，沿焊接管段3的周向，弧形管段4的内表面的弧长为25mm～30mm，沿 焊接管段3的轴线方向，弧形管段4的长度为100mm～140mm，焊缝7位于弧形管段4 的中心，焊缝7垂直于焊接管段3的轴线方向。

在本实施例的步骤4中，将该弧形管段4压平为条形试样5(条形试样5含有长 度和宽度，条形试样5的长度大于宽度)包括以下步骤：

步骤4.1、使该弧形管段4的开口朝下，用第一压块11将弧形管段4压平，第 一压块11的工作面为矩形，第一压块11的工作面的宽度大于弧形管段4的周向宽度， 第一压块11的工作面的长度大于弧形管段4的轴向长度，第一压块11的工作面的长 度方向与弧形管段4的轴向平行，第一压块11按压弧形管段4的压力范围为10kN～ 30kN，如图4所示，第一压块11按压了弧形管段4的整个表面。

步骤4.2、使第二压块12沿弧形管段4的周向(宽度方向)移动并依次按压弧 形管段4，第二压块12按压一遍弧形管段4的整个表面，第二压块12的工作面为矩 形，第二压块12的工作面的宽度为弧形管段4的周向宽度的二分之一至三分之一， 第二压块12的工作面的长度大于弧形管段4的轴向长度，第二压块12每次按压弧形 管段4后移动的距离为第二压块12的工作面宽度的二分之一至三分之一，第二压块 12的长度方向与弧形管段4的轴线方向平行，第二压块12按压弧形管段4的压力范 围为5kN～10kN，如图5所示，第二压块12第一次下压为图5中的实线所示，下压 一次后，第二压块12返回并向左移动第二压块12的工作面宽度的二分之一至三分之 一，然后继续下压，循环往复，如图5中的虚线所示，该虚线表面下一次第二压块 12的下压位置，为了便于观察位置，所以虚线表示的每次下压的第二压块12纵向错 开了一定的间距，实际下压时，第二压块12每次均上下移动按压弧形管段4的表面。

步骤4.3、使第三压块13沿弧形管段4的周向(宽度方向)移动并依次按压弧 形管段4，第三压块13按压一遍弧形管段4的整个表面，第三压块13的工作面为矩 形，第三压块13的工作面的宽度为弧形管段4的周向宽度的四分之一至五分之一， 第三压块13的工作面的长度大于弧形管段4的轴向长度，第三压块13每次按压弧形 管段4后移动的距离为第三压块13的工作面宽度的二分之一至三分之一，第三压块 13的长度方向与弧形管段4的轴线方向平行，第三压块13按压弧形管段4的压力范 围为5kN～10kN，如图6所示，第三压块13第一次下压为图5中的实线所示，下压 一次后，第三压块13返回并向左移动第三压块13的工作面宽度的二分之一至三分之 一，然后继续下压，循环往复，如图6中的虚线所示，该虚线表面下一次第三压块 13的下压位置。

优选，在步骤4.2中，第二压块12每次将弧形管段4压至极限位置后均施加一 段时间的第一变化压力才离开该弧形管段4，该第一变化压力与施力时间之间为正弦 函数关系，如图7所示。即使第二压块12每次将弧形管段4压至极限位置后对该弧 形管段4施加振动，此时，该第一变化压力按压弧形管段4的峰值不高于10kN，如 8kN。在步骤4.3中，第三压块13每次将弧形管段4压至极限位置后均施加一段时间 的第二变化压力才离开该弧形管段4，该第二变化压力与施力时间之间为正弦函数关 系。即使第三压块13每次将弧形管段4压至极限位置后对该弧形管段4施加振动， 此时，该第二变化压力按压弧形管段4的峰值不高于10kN，如8kN。

步骤4.4、使第二压块12沿弧形管段4的轴向(长度方向)移动并依次按压弧 形管段4，第二压块12按压一遍弧形管段4的整个表面，第二压块12每次按压弧形 管段4后移动的距离为第二压块12的工作面宽度的二分之一至三分之一，第二压块 12的长度方向与弧形管段4的周向平行，第二压块12按压弧形管段4的压力范围为 5kN～10kN。

步骤4.5、使第三压块13沿弧形管段4的轴向(长度方向)移动并依次按压弧 形管段4，第三压块13按压一遍弧形管段4的整个表面，第三压块13每次按压弧形 管段4后移动的距离为第三压块13的工作面宽度的二分之一至三分之一，第三压块 13的长度方向与弧形管段4的周向平行，第三压块13按压弧形管段4的压力范围为 5kN～10kN。

在步骤4.4中，第二压块12每次将弧形管段4压至极限位置后均施加一段时间 的第一变化压力才离开该弧形管段4，该第一变化压力与施力时间之间为正弦函数关 系，如图7所示。即使第二压块12每次将弧形管段4压至极限位置后对该弧形管段 4施加振动，此时，该第一变化压力按压弧形管段4的压力范围为5kN～10kN。在步 骤4.5中，第三压块13每次将弧形管段4压至极限位置后均施加一段时间的第二变 化压力才离开该弧形管段4，该第二变化压力与施力时间之间为正弦函数关系。即使 第三压块13每次将弧形管段4压至极限位置后对该弧形管段4施加振动，此时，该 第二变化压力按压弧形管段4的压力范围为5kN～10kN。

在本实施例中，所述管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法还包括：步骤5， 对条形试样5进行热处理；

步骤5包括以下步骤：

步骤5.1、将条形试样5加热至250℃～350℃,升温速度为50℃/h～80℃/h；

步骤5.2、将条形试样5加热至350℃～400℃,升温速度为50℃/h；

步骤5.3、将条形试样5保温15min～25min；

步骤5.4、将条形试样5冷却至室温,冷却速度不大于200℃/h。

在本实施例中，所述管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法还包括：

步骤6、对条形试样5进行试样切取、腐蚀和标记，所述切取为将宽度在25mm～ 30mm的弧形管段4中间的20mm的部分取出，即条形试样5经过切取后变成了宽度为 20mm，长度不变的待测试试样。

步骤7、对条形试样5开缺口6，如图8所示，得到最终的断裂韧性测试试样， 图8中的尺寸单位为mm。

下面以接头材料为TC4的管材为了介绍管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备 方法，

第一管材1的外径50mm，壁厚3mm，材料为TC4，长度为50mm，第二管材1的外 径50mm，壁厚3mm，材料为TC4，长度为50mm，填充TC4焊丝焊接后如2所示。焊后 的焊接管段3经X射线检测无缺陷，沿弧形管段4的周向，弧形管段4的内侧弧长在 30mm。弧形管段4先进行压制，后进行热处理，且热处理后的条形试样5应与焊后整 管进行热处理后的微观组织、硬度相同随后在管段中平行段切取20mm宽平板焊接接 头，制成三点弯曲试样。制备三点弯曲试样前，应先腐蚀出焊缝、热影响区并进行标 记；制备三点弯曲试样过程中，利用线切割方式在焊缝或热影响区制备微裂纹，且应 对三点弯曲试样的焊缝、焊接热影响区分别进行三点弯曲试验，得到断裂韧性值。通 过焊缝金相照片，可以明显观察到焊缝、热影响区和母材等几个区域，并且焊缝、热 影响区晶粒有长大的倾向，符合薄壁管材焊接接头特点。用于测量薄壁管材断裂韧性 值的焊接接头金相组织、显微硬度均与实际薄壁管材焊接接头相同。因而该管材焊接 接头断裂韧性测试试样的制备方法制备出的试样能够客观的反映真实管材焊接接头 的断裂韧性，该试样也可以用于测试管材焊接接头断裂韧性值，从而解决了工程实践 中管材焊接接头断裂韧性值难以测量的瓶颈问题。

表1为按照BS7448-1《测定金属材料的KIC，临界CTOD和临界J积分试验方法》 测试所得的材料断裂韧性K_q值，在测试过程中，分别对试验试样进行标号，其中H2 表示TC4测热影响区、F2表示TC4测熔合线处、W表示为焊缝中心、F5表示为TA16 测熔合线处。试验同时得到了2.5(K_Q/σ_S)²和F_max/F_Q，可以利用这两个参数判定材料 断裂韧性K_q值是否即为材料的断裂韧度K_IC值。此方法所得到的断裂韧性K_q值，小于 薄壁管材实际断裂韧性值，可以作为薄壁管材断裂韧性值的参考，用于表征薄壁管材 抗断裂能力，作为设计单位进行结构设计的重要参考。经过大量的实验数据分析，该 管材焊接接头断裂韧性测试试样的制备方法制备出的试样的性能与真实管材焊接接 头的近似程度可以达到85％以上，

表1断裂韧性kq值

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何 本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改， 均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上 述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采 用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所应当地涵盖了与本案创新点有关的其 他组合及具体应用。