鈦合金熱時效與超聲沖擊焊接應力消除研究

2021-12-28 23:45:13郝子龍張粉萍劉子聰李正勇李松偉牛香草

電焊機 2021年11期

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象，采用盲孔法檢測其焊接殘余應力，然后分別采用熱時效和超聲沖擊法消除焊接殘余應力，并對比熱時效和超聲沖擊消除焊接殘余應力的效果。結果表明：熱時效可以大幅降低焊接殘余應力，殘余拉應力消除率<100%，但不能產生壓應力;相較于熱時效，超聲沖擊具有較好的效果，殘余拉應力消除率為100%，可以將有害的焊接殘余拉應力轉換為有利于疲勞強度和疲勞壽命的壓應力。建議采用超聲沖擊消除鈦合金焊縫的殘余應力。

關鍵詞：鈦合金;熱時效;超聲沖擊;焊接殘余應力

中圖分類號：TG404? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：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度而被冠以“ 海洋金屬 ”和“ 航天金屬 ”等稱號，是一種優良的結構材料[1-4]。在航空航天、船舶制造和兵器工業行業有廣泛的應用，在提高設備使用壽命、生產率的同時，減輕了結構的質量，經濟效益顯著。但鈦合金焊接本身存在一定的問題，容易出現焊接接頭脆化、裂紋和氣孔等缺陷，焊接殘余應力過大就是亟待解決的問題之一。對鈦合金焊接殘余應力的消除和控制進行研究具有廣泛的指導意義[5-6]。

熱時效和超聲沖擊是目前常用的焊接殘余應力消除方法。熱時效是將工件加熱到彈塑性轉變溫度，保溫緩冷，使工件處于低應力狀態。超聲沖擊是將高速的機械撞擊作用在焊縫材料表面，改變焊縫表面的應力狀態，使焊縫處的應力狀態由焊后未經處理的三向應力狀態變為壓應力狀態，焊縫處的應力分布得到重新調整，從而起到消除焊縫殘余應力的作用。超聲沖擊與熱時效相比，設備投資少，能耗低，可以在工件生產現場進行，工藝簡單，沒有環境污染，但是需要驗證超聲沖擊消除應力的效果[7-10]。

文中針對鈦合金對接焊接接頭，分別采用熱時效和超聲沖擊方法消除焊接殘余應力，通過盲孔法檢測焊接殘余應力值，并對比分析熱時效和超聲沖擊的效果。

1 試驗材料和方案

1.1 試驗材料與焊接工藝規范及相關參數

試驗材料選用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焊絲的化學成分分別如表1、表2所示。

采用手工TIG焊，并特制保護拖罩以防止焊接過程中產生氧化。焊接接頭為對接接頭，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。焊接設備為YC-500wx4氬弧焊機，鎢極直徑為3.2 mm，保護氣體為Ar氣，氣體純度≥99.9%，噴嘴與焊件的距離為5 mm。焊接工藝參數如表3所示。TC4鈦合金TIG焊對接試板尺寸為300 mm×150 mm×9 mm。

1.2 試驗方案

首先采用上述焊接工藝規范及相關參數焊接6對試板，試板編號分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#。焊接完成后，采用盲孔法檢測焊接殘余應力，每件試板均檢測3個點位，3個點位均位于焊縫中心，如圖2所示。試件完成焊接殘余應力檢測后，采用熱時效法對1#、2#、3#試板進行焊接殘余應力消除，工藝方案為：采用電爐900 ℃保溫1 h熱時效處理，升溫速率和降溫速率分別為100 ℃/h、50 ℃/h;采用超聲沖擊對4 #、5 #、6 #試板進行焊接殘余應力消除，超聲沖擊電流2.5～3.0 A;并分別檢測消應后焊接殘余應力。由于盲孔法為有損檢測，二次檢測的點位位于原檢測點位的水平距離5 mm處。

1.3 超聲沖擊焊接殘余應力消除和盲孔法殘余應力測試

超聲沖擊試驗采用手持式超聲沖擊頭直接對焊縫進行應力消除，設備型號為HY2050G。

超聲沖擊消除焊縫焊接殘余應力的原理為：當沖擊產生的壓應力值大于焊縫處原來的殘余拉應力值時，焊縫處的殘余應力場將重新分布，由原來的拉應力分布轉變為有益的壓應力分布。超聲沖擊處理后的焊縫處焊接殘余應力為超聲沖擊材料產生的壓應力與焊后焊縫處的殘余應力場疊加所得：

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

鈦合金焊接接頭的表面殘余應力測量方案：在試板的焊縫表面選擇3個固定點進行測量點布置，采用盲孔法測量試板上的焊接殘余應力;檢測儀型號為HK21A，選用專用應變花，該應變花包含3個應變計，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。假設表面殘余應力處于平面應力狀態，根據鉆盲孔后三個方向上的應變釋放量來推算試板上的殘余應力數值[11-12]。

將工件表面看成是主應力為σ1、σ2的兩項應力狀態，測出各點的應變值，并依據式（2）進行計算：

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

2 結果與分析

2.1 試驗結果

依據試驗方案分別對鈦合金焊接試板進行熱時效、超聲沖擊和焊接殘余應力檢測，消應前后測得的焊接殘余應力分別如表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力σ1，還是垂直于焊縫方向的橫向焊接殘余應力σ2，都產生了拉應力，焊縫表面呈平面雙向拉伸狀態，如表4、表5所示。這是由于在焊接過程中，焊縫區域以遠高于周圍區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域的約束，使焊縫區域形成了塑性的熱壓縮狀態;在熱源離開后，焊縫區域逐漸冷卻收縮，但同時又受到周圍區域金屬的約束，最終呈現出拉伸殘余應力。零件表面的拉應力會對其疲勞壽命和疲勞強度產生不利影響，而在零件表面預制成理想的壓應力則會大大提高零件的疲勞壽命和疲勞強度。

2.2 結果分析

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

由表4、表5可知，超聲沖擊前，鈦合金對接試板焊后的縱向、橫向焊接殘余應力均為拉應力，數值較大，特別是縱向殘余應力，高達530.21 MPa。由圖5、圖6可知，經過超聲沖擊后，試板的縱向、橫向殘余應力也都大幅度地減小，且基本都轉變為有利于試件服役性能和疲勞壽命的壓應力，殘余拉應力消除率為100%。采用超聲沖擊工藝，橫向、縱向焊接殘余拉應力轉化為壓應力，大大提高了試件的疲勞壽命和疲勞強度。

3 結論

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

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

（3）建議采用超聲沖擊工藝來消除鈦合金焊接殘余應力。

參考文獻：

馮秋元，佟學文，王儉，等.低成本鈦合金研究現狀與發展趨勢[J].材料導報，2017，31（9）：128-134.

郭瑞萍，孫葆森，高彬彬.兵器裝備用鈦合金的低成本制造技術[J].兵器材料科學與工程，2008，31（5）：83-86.

金和喜，魏克湘，李建明，等.航空用鈦合金研究進展[J].中國有色金屬學報，2015，25（2）：280-292.

溫錦志，卜文德，李建萍，等.厚板TC4鈦合金電子束焊接頭組織和力學性能研究[J].熱加工工藝，2016（17）：66-69.

黃鋒，趙剛要，帥歌旺，等. TC4鈦合金高真空電子束焊接工藝研究[J].熱加工工藝，2018，47（3）：53-56.

李雙.鈦合金TC4中厚板窄間隙TIG焊接工藝技術研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2018：3-4.

顧邦平，賴金濤，胡雄，等.高頻沖擊振動對焊接殘余應力的影響研究[J].鐵道學報，2018（5）：150-155.