超聲沖擊處理對TA15鈦合金焊接接頭組織和性能的影響

宿月 陳芙蓉 張博友

摘要：采用光纖激光焊對TA15鈦合金進行無間隙對接焊，選取6組不同的超聲沖擊處理時間對焊接接頭顯微組織、力學(xué)性能、晶粒尺寸、應(yīng)力分布和粗糙度進行研究，確定較優(yōu)的超聲沖擊處理時間。結(jié)果表明，當(dāng)沖擊電流為1.2 A、頻率為20 kHz、沖擊時間為75 min時，可獲得30～50 μm厚的致密強化層，103.4 nm的晶粒尺寸，其粗糙度為34.13 μm。經(jīng)過超聲沖擊處理后，減少了氣孔、縮松等缺陷，使得拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，接頭的應(yīng)力集中得到極大地改善，對鈦合金材料組織和性能的提高有積極的促進作用。

關(guān)鍵詞：光纖激光焊;超聲沖擊處理;晶粒尺寸;應(yīng)力分布

中圖分類號：TG 453

Abstract：Nogap butt welding of TA15 titanium alloy by fiber laser welding， 6 different ultrasonic impact treatment times were selected to study the microstructure， mechanical properties， grain size and stress distribution of the welded joints， and the optimal ultrasonic impact treatment time was determined. The results show that when the impact current is 1.2 A， the frequency is 20 kHz， and the impact time is 75 min， a dense strengthening layer of 30-50 μm thickness， a grain size of 103.4 nm， and a roughness of 34.13 μm can be obtained. After ultrasonic impact treatment，the defects such as porosity and shrinkage porosity are reduced， and the tensile stress is transformed into compressive stress. The stress concentration of the welded joint is greatly improved， the hardness of the weld is increased and the distribution is relatively uniform， and microstructure?and properties of titanium alloy are improved.

Key words：fiber laser welding; ultrasonic impact treatment; grain size; stress distribution

0?前言

鈦合金作為耐高溫、比強度高以及焊接性能、抗腐蝕性和韌性較好的輕質(zhì)合金，已經(jīng)在航空、航天及國防工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。因此，在對鈦合金焊接結(jié)構(gòu)方面，提高鈦合金焊接質(zhì)量已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點[3]。TA15鈦合金屬于近α型鈦合金，它既有α型鈦合金良好的焊接性，又有β型鈦合金的工藝塑性，主要用于制造飛機和發(fā)動機的承力結(jié)構(gòu)件，尤其是焊接的承力結(jié)構(gòu)件，并在嚴峻環(huán)境下的使用方面發(fā)揮了重要作用[4]。采用的焊接結(jié)構(gòu)具有重量輕、效率高、零件少、故障少和可靠性高的特點，可克服傳統(tǒng)連接，如螺栓、榫頭、榫槽連接在這些方面的不足。

光纖激光焊具有能量密度高、焊縫成形好、深寬比大、熱影響區(qū)窄等特點，對焊接工況環(huán)境要求低，可在大氣環(huán)境下焊接，易實現(xiàn)焊接工藝自動化，并且焊接過程中受到良好的保護易獲得性能優(yōu)良的焊接接頭。而對于焊接接頭而言，與大多數(shù)材料的失效相同，都是起始于接頭的表面。焊接接頭附近區(qū)域存在應(yīng)力集中和焊接缺陷是導(dǎo)致疲勞斷裂的主要原因[4]。因此，采取必要的焊后處理消除焊接接頭的組織與性能的不均勻性是目前急需解決的關(guān)鍵問題。為了改善TA15鈦合金焊接接頭的性能，相繼開發(fā)采用了如深層滾壓、噴丸和激光沖擊強化等工藝，但這些處理方法有一定的局限性。超聲沖擊處理方法是近年來國內(nèi)外研究較多的一種改善焊接接頭應(yīng)力分布、提高疲勞性能的一種新方法[5-9]，該方法靈活方便、噪音小效率高、成本低、無污染，是一種較優(yōu)的焊后處理方法，所以超聲沖擊處理TA15鈦合金焊接接頭很有研究的必要[10]。文中將焊接后的TA15鈦合金進行不同時間的超聲沖擊處理，研究了超聲沖擊對接頭的顯微組織、力學(xué)性能、晶粒尺寸、殘余應(yīng)力分布以及粗糙度，優(yōu)化超聲沖擊處理時間，為工業(yè)應(yīng)用提供了理論與試驗依據(jù)。

1?試驗材料與方法

采用試樣尺寸為200 mm×100 mm×3 mm的TA15鈦合金板材，化學(xué)成分見表1。

由于板材表面會有氧化層和油污，焊前需要用化學(xué)方法清洗，焊接方式為無間隙對接焊，采用99.9%工業(yè)氬氣作為保護氣體，焊接工藝參數(shù)見表2。

將焊縫長度為200 mm的鈦合金焊接試板放在工作平臺上，選定6組不同的超聲沖擊處理時間，分別為15 min，30 min，45 min，60 min，75 min，90 min，沿著焊縫進行超聲沖擊處理。超聲波的操作參數(shù)為：沖擊電流1～1.2 A，振動頻率20 kHz，振幅30 μm，采用6個3.0 mm沖擊頭，沖擊方式為全覆蓋沖擊。沖擊槍以均勻的速度沿著與焊縫垂直方向?qū)γ總€焊接基材進行不同時間的超聲沖擊處理。

利用線切割加工取得焊縫區(qū)域的樣品，經(jīng)過拋光、腐蝕后，使用金相顯微鏡觀察不同超聲沖擊處理時間下焊縫區(qū)域的微觀組織;采用顯微硬度計對焊接接頭進行硬度測試，進行3次試驗，而后取3次試驗的各個位置上的平均值，焊接接頭的平均晶粒尺寸是通過XRD測試得到。采用共聚焦顯微鏡選取焊縫表面區(qū)域，通過構(gòu)建三維形貌圖，測量焊縫表面的粗糙度。接頭的殘余應(yīng)力是通過LXRD實驗室型殘余應(yīng)力儀測試得到，分別測試了沿著焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力和垂直于焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力。如圖1所示，測試點均勻分布，依次間隔0.5 mm取一個測試點。

2?試驗結(jié)果與分析

2.1?超聲沖擊對焊接接頭組織的影響

圖2為未處理和不同超聲沖擊處理時間后鈦合金焊接接頭微觀組織。圖2a為未處理的鈦合金焊接接頭組織，未發(fā)現(xiàn)明顯的分界線。由圖2b～2d可以看出，均有細小柱狀晶區(qū)的出現(xiàn)，而且在此晶區(qū)和母材之間有一定的分界線，如圖中標(biāo)出的線。隨著超聲沖擊處理時間的增加，接頭表面生成的強化層逐漸增加，其厚度約為15～50 μm之間，并且比較75 min與90 min時的強化層厚度發(fā)現(xiàn)變化很小，表明強化層厚度只是在一定的時間范圍內(nèi)隨超聲沖擊處理時間增加而增大，超聲沖擊處理時間達到75 min時，強化層厚度達到最大值50 μm。經(jīng)過超聲沖擊處理使得表面組織致密，由于在焊縫表面處發(fā)生了劇烈的塑性變形，晶粒的形狀發(fā)生了明顯變化，晶粒被壓成條狀纖維組織，且氣孔、縮松等缺陷明顯減少，因此焊縫組織更加致密。

2.2?超聲沖擊對焊接接頭力學(xué)性能的影響

圖3為不同超聲沖擊處理時間下焊接接頭的力學(xué)性能。從圖3可以看出，TA15鈦合金接頭的抗拉強度和屈服強度隨著超聲沖擊處理時間增加而變大。在超聲處理時間為90 min時達到抗拉強度最大值1 135 MPa，屈服強度最大值1 085 MPa，與未處理相比，分別增加了16.4%，11.3%;斷后伸長率與未處理相比有所降低。這主要是因為超聲沖擊的作用使金屬表層晶粒細化，細化后的晶粒與原始晶粒相比，相同體積內(nèi)的細晶晶界增多，提高了接頭的抗拉強度和屈服強度，使其不容易發(fā)生塑性變形，從而改善了焊接接頭的力學(xué)性能。

圖4為不同超聲沖擊處理時間下焊接接頭的顯微硬度曲線。由圖4a可知，未處理的焊接接頭整體上的顯微硬度無明顯的差異;超聲沖擊處理后表層硬度隨著距表面距離的增大而減小，直至與未處理的焊接接頭硬度保持一致。由圖4b可知，未處理的焊接接頭，越接近焊縫中心線，硬度越低，焊縫中心線的硬度大約為350 HV，母材的硬度大約為370 HV;而超聲沖擊處理后硬度曲線變緩，3個區(qū)域的顯微硬度無明顯差距。超聲沖擊后相較于未處理，接頭顯微硬度有明顯的提升，平均提升了約14%，但不同超聲沖擊處理時間下的顯微硬度變化卻很小。經(jīng)過超聲沖擊處理后，接頭表面的組織較為致密，缺陷較少，使得焊縫區(qū)域的硬度明顯提高，且焊接接頭的硬度分布較為均勻。

2.3?超聲沖擊對焊接接頭平均晶粒尺寸的影響

圖5為不同超聲沖擊處理時間下的焊縫平均晶粒尺寸變化趨勢。從圖5可以看出，隨著超聲沖擊處理時間增加，晶粒尺寸先減小后增大，在超聲沖擊處理時間為60 min時，取得平均晶粒尺寸最小值70.1 μm。在超聲沖擊處理時間為75 min時，晶粒尺寸有所增大，為103.4 nm。原因是超聲沖擊處理后，接頭產(chǎn)生大量的剪切塑性變形使得大尺寸晶粒被“位錯分割”轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿【Я?，而沖擊到一定程度后，塑性變形不再增加，細小晶粒又開始重新變大。

2.4?超聲沖擊對焊接接頭殘余應(yīng)力分布的影響

圖6為不同超聲沖擊處理時間的殘余應(yīng)力的分布。從圖6可以看出，隨著超聲沖擊處理時間的增加，焊接接頭的殘余應(yīng)力逐漸減小，存在的有害拉應(yīng)力全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴膲簯?yīng)力。經(jīng)過超聲沖擊處理后，焊接接頭殘余應(yīng)力的分布趨勢整體降低，并且應(yīng)力分布趨于均勻，有效地改善了焊接接頭的應(yīng)力集中。在超聲沖擊處理時間為75 min時，將圖6a和圖6b進行對比，發(fā)現(xiàn)縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力趨勢更加均勻。

2.5?超聲沖擊對焊縫粗糙度的影響

圖7為不同超聲沖擊處理時間下的焊縫表面粗糙度變化曲線。從圖7可以看出，隨著超聲沖擊處理時間的增加，接頭表面粗糙度會逐漸增大，但增大趨勢呈“鋸齒狀”上升，在超聲沖擊處理時間為45 min時，粗糙度取得最小值27.6 μm。

結(jié)合平均晶粒尺寸、殘余應(yīng)力分布趨勢以及粗糙度進行綜合分析，選擇出超聲沖擊處理的較優(yōu)超聲沖擊處理時間為75 min，其粗糙度為34.13 μm。

3?結(jié)論

（1）TA15鈦合金激光焊焊接接頭進行超聲沖擊處理后，接頭表面由于塑性變形會產(chǎn)生15～50 μm的致密強化層，表層晶粒得到細化;隨著超聲沖擊處理時間的增加，接頭的抗拉強度和屈服強度增加，而斷后伸長率有所下降;沖擊后焊縫區(qū)的顯微硬度較未處理有明顯的提高，且焊接接頭硬度分布均勻，但不同超聲沖擊處理時間下的顯微硬度無明顯差距。

（2）TA15鈦合金焊縫長度200 mm，當(dāng)超聲沖擊處理時間為75 min時，可在獲得50 μm厚度的強化層的同時，得到相對較小的晶粒尺寸103.4 nm和粗糙度34.13 μm，應(yīng)力集中得到極大地改善，從而可以最大程度改善焊接接頭的力學(xué)性能。

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