鈦合金熱時(shí)效與超聲沖擊焊接應(yīng)力消除研究

郝子龍 張粉萍 劉子聰 李正勇 李松偉 牛香草

摘要：以TC4鈦合金焊接試板為研究對(duì)象，采用盲孔法檢測(cè)其焊接殘余應(yīng)力，然后分別采用熱時(shí)效和超聲沖擊法消除焊接殘余應(yīng)力，并對(duì)比熱時(shí)效和超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力的效果。結(jié)果表明：熱時(shí)效可以大幅降低焊接殘余應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力消除率<100%，但不能產(chǎn)生壓應(yīng)力;相較于熱時(shí)效，超聲沖擊具有較好的效果，殘余拉應(yīng)力消除率為100%，可以將有害的焊接殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為有利于疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的壓應(yīng)力。建議采用超聲沖擊消除鈦合金焊縫的殘余應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：鈦合金;熱時(shí)效;超聲沖擊;焊接殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TG404? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0128-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.24

0? ? 前言

鈦合金是一種性能非常優(yōu)越的合金，因具有良好的耐腐蝕性、使用溫度范圍廣以及高比強(qiáng)度而被冠以“ 海洋金屬 ”和“ 航天金屬 ”等稱號(hào)，是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料[1-4]。在航空航天、船舶制造和兵器工業(yè)行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，在提高設(shè)備使用壽命、生產(chǎn)率的同時(shí)，減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。但鈦合金焊接本身存在一定的問題，容易出現(xiàn)焊接接頭脆化、裂紋和氣孔等缺陷，焊接殘余應(yīng)力過大就是亟待解決的問題之一。對(duì)鈦合金焊接殘余應(yīng)力的消除和控制進(jìn)行研究具有廣泛的指導(dǎo)意義[5-6]。

熱時(shí)效和超聲沖擊是目前常用的焊接殘余應(yīng)力消除方法。熱時(shí)效是將工件加熱到彈塑性轉(zhuǎn)變溫度，保溫緩冷，使工件處于低應(yīng)力狀態(tài)。超聲沖擊是將高速的機(jī)械撞擊作用在焊縫材料表面，改變焊縫表面的應(yīng)力狀態(tài)，使焊縫處的應(yīng)力狀態(tài)由焊后未經(jīng)處理的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，焊縫處的應(yīng)力分布得到重新調(diào)整，從而起到消除焊縫殘余應(yīng)力的作用。超聲沖擊與熱時(shí)效相比，設(shè)備投資少，能耗低，可以在工件生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，工藝簡(jiǎn)單，沒有環(huán)境污染，但是需要驗(yàn)證超聲沖擊消除應(yīng)力的效果[7-10]。

文中針對(duì)鈦合金對(duì)接焊接接頭，分別采用熱時(shí)效和超聲沖擊方法消除焊接殘余應(yīng)力，通過盲孔法檢測(cè)焊接殘余應(yīng)力值，并對(duì)比分析熱時(shí)效和超聲沖擊的效果。

1 試驗(yàn)材料和方案

1.1 試驗(yàn)材料與焊接工藝規(guī)范及相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)材料選用TC4鈦合金板，厚度9 mm，焊絲選用與試板成分匹配的TC3焊絲。TC4鈦合金和TC3焊絲的化學(xué)成分分別如表1、表2所示。

采用手工TIG焊，并特制保護(hù)拖罩以防止焊接過程中產(chǎn)生氧化。焊接接頭為對(duì)接接頭，雙面V型坡口，坡口角度35°，根部間隙1 mm，坡口示意如圖1所示。采用多道焊，水平位置焊接。焊前必須使用丙酮或不銹鋼絲刷將焊接部位清理干凈。焊接設(shè)備為YC-500wx4氬弧焊機(jī)，鎢極直徑為3.2 mm，保護(hù)氣體為Ar氣，氣體純度≥99.9%，噴嘴與焊件的距離為5 mm。焊接工藝參數(shù)如表3所示。TC4鈦合金TIG焊對(duì)接試板尺寸為300 mm×150 mm×9 mm。

1.2 試驗(yàn)方案

首先采用上述焊接工藝規(guī)范及相關(guān)參數(shù)焊接6對(duì)試板，試板編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#。焊接完成后，采用盲孔法檢測(cè)焊接殘余應(yīng)力，每件試板均檢測(cè)3個(gè)點(diǎn)位，3個(gè)點(diǎn)位均位于焊縫中心，如圖2所示。試件完成焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)后，采用熱時(shí)效法對(duì)1#、2#、3#試板進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力消除，工藝方案為：采用電爐900 ℃保溫1 h熱時(shí)效處理，升溫速率和降溫速率分別為100 ℃/h、50 ℃/h;采用超聲沖擊對(duì)4 #、5 #、6 #試板進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力消除，超聲沖擊電流2.5～3.0 A;并分別檢測(cè)消應(yīng)后焊接殘余應(yīng)力。由于盲孔法為有損檢測(cè)，二次檢測(cè)的點(diǎn)位位于原檢測(cè)點(diǎn)位的水平距離5 mm處。

1.3 超聲沖擊焊接殘余應(yīng)力消除和盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)試

超聲沖擊試驗(yàn)采用手持式超聲沖擊頭直接對(duì)焊縫進(jìn)行應(yīng)力消除，設(shè)備型號(hào)為HY2050G。

超聲沖擊消除焊縫焊接殘余應(yīng)力的原理為：當(dāng)沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力值大于焊縫處原來的殘余拉應(yīng)力值時(shí)，焊縫處的殘余應(yīng)力場(chǎng)將重新分布，由原來的拉應(yīng)力分布轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴膲簯?yīng)力分布。超聲沖擊處理后的焊縫處焊接殘余應(yīng)力為超聲沖擊材料產(chǎn)生的壓應(yīng)力與焊后焊縫處的殘余應(yīng)力場(chǎng)疊加所得：

式中 σ R為焊縫處的最終焊接殘余應(yīng)力;σ H為焊后未經(jīng)超聲沖擊處理的焊縫處焊接殘余應(yīng)力;σ rf為超聲沖擊材料產(chǎn)生的壓應(yīng)力。

鈦合金焊接接頭的表面殘余應(yīng)力測(cè)量方案：在試板的焊縫表面選擇3個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)布置，采用盲孔法測(cè)量試板上的焊接殘余應(yīng)力;檢測(cè)儀型號(hào)為HK21A，選用專用應(yīng)變花，該應(yīng)變花包含3個(gè)應(yīng)變計(jì)，按0°、45°、90°方向分布。在試板上鉆取直徑φ1.5 mm、深2 mm的小孔。假設(shè)表面殘余應(yīng)力處于平面應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)鉆盲孔后三個(gè)方向上的應(yīng)變釋放量來推算試板上的殘余應(yīng)力數(shù)值[11-12]。

將工件表面看成是主應(yīng)力為σ1、σ2的兩項(xiàng)應(yīng)力狀態(tài)，測(cè)出各點(diǎn)的應(yīng)變值，并依據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中 εA、εB、εC為應(yīng)變片A、B、C的應(yīng)變量;R為小孔半徑;r1、r2為鉆孔的中心離應(yīng)變片始末兩端之長(zhǎng)度;泊松比ν=0.34E;彈性模量為110 MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)試驗(yàn)方案分別對(duì)鈦合金焊接試板進(jìn)行熱時(shí)效、超聲沖擊和焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)，消應(yīng)前后測(cè)得的焊接殘余應(yīng)力分別如表4、表5所示。

焊接后，無論是平行于焊縫方向的縱向焊接殘余應(yīng)力σ1，還是垂直于焊縫方向的橫向焊接殘余應(yīng)力σ2，都產(chǎn)生了拉應(yīng)力，焊縫表面呈平面雙向拉伸狀態(tài)，如表4、表5所示。這是由于在焊接過程中，焊縫區(qū)域以遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域的溫度被迅速加熱膨脹，但是該膨脹受到其周圍較低溫度區(qū)域的約束，使焊縫區(qū)域形成了塑性的熱壓縮狀態(tài);在熱源離開后，焊縫區(qū)域逐漸冷卻收縮，但同時(shí)又受到周圍區(qū)域金屬的約束，最終呈現(xiàn)出拉伸殘余應(yīng)力。零件表面的拉應(yīng)力會(huì)對(duì)其疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，而在零件表面預(yù)制成理想的壓應(yīng)力則會(huì)大大提高零件的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度。

2.2 結(jié)果分析

由表4、表5可知，熱時(shí)效前，鈦合金對(duì)接試板焊后的縱向、橫向焊接殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，數(shù)值較大，特別是縱向殘余應(yīng)力，高達(dá)541.52 MPa。由圖3、圖4可知，經(jīng)過熱時(shí)效后，試板的縱向、橫向殘余應(yīng)力都大幅度地減小，減小幅值最高為463 MPa，焊接殘余應(yīng)力消除率高達(dá)86%，這是由熱時(shí)效的機(jī)理決定的，熱時(shí)效是通過加熱降低材料的屈服強(qiáng)度達(dá)到松弛的目的，殘余應(yīng)力越大，熱時(shí)效效果越好。但熱時(shí)效后依舊是拉應(yīng)力，未產(chǎn)生有益的壓應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力消除率<100%。

由表4、表5可知，超聲沖擊前，鈦合金對(duì)接試板焊后的縱向、橫向焊接殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，數(shù)值較大，特別是縱向殘余應(yīng)力，高達(dá)530.21 MPa。由圖5、圖6可知，經(jīng)過超聲沖擊后，試板的縱向、橫向殘余應(yīng)力也都大幅度地減小，且基本都轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣谠嚰坌阅芎推趬勖膲簯?yīng)力，殘余拉應(yīng)力消除率為100%。采用超聲沖擊工藝，橫向、縱向焊接殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，大大提高了試件的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于鈦合金焊接殘余應(yīng)力和變形的消減和控制，熱時(shí)效可以大幅降低焊接殘余應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力消除率<100%，但不能產(chǎn)生壓應(yīng)力。

（2）相較于熱時(shí)效，超聲沖擊具有更好的效果，殘余拉應(yīng)力消除率為100%，可將有害的焊接殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為有利于疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命的壓應(yīng)力。

（3）建議采用超聲沖擊工藝來消除鈦合金焊接殘余應(yīng)力。

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