盲孔法測定Ti700SR 鈦合金焊接件殘余應力實驗研究

田永武，趙志謙，李偉東，李渤渤，王非，馬明亮

（1.洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司，河南 洛陽 471000；2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

1 前言

大型鑄件在鑄造、補焊后往往會產生很大的殘余應力，熱處理后也無法完全消除。這些殘余應力一方面會降低構件的強度，嚴重時導致開裂，造成產品返修，甚至報廢；另一方面，在緩慢釋放過程中，導致后續精加工后的零件產生變形，失去尺寸精度，而尺寸精度及其保持性已經成為制約我國精密加工行業的瓶頸。因鑄件的殘余應力引起的變形甚至開裂問題也是鑄造行業的共性技術問題之一。要選擇合適的方法有效地消除殘余應力，首先要能準確地檢測殘余應力，而產生殘余應力的原因復雜、分布不均勻、計算求解有困難，往往需要現場實測的方法來解決。

目前，測試應力的方法主要有3 種：（1）計算如通過Procast 等軟件進行計算應力；（2）物理測試如X 射線衍射法、超聲法；（3）機械法如盲孔法、逐次去層法等。其中小直徑盲孔法具有便于攜帶、費用低廉等優點，是目前常見的測量殘余應力的半無損方法，被廣泛應用于焊接和鑄造殘余應力的檢測。

鈦合金因比強度大、抗腐蝕性好、可焊性好、溫度適應范圍廣等突出特性，在航空、航天、軍事、醫療等領域有廣泛的應用。同時，鈦合金是一種對發展國防高新技術武器裝備有重要作用的新型金屬結構材料，已被世界多個軍事強國列為21 世紀具有重要戰略意義的新型結構金屬材料。Ti700SR 鈦合金是由中國船舶重工集團公司第七二五研究所研制的一種新型近α 型高溫鈦合金。通過α 相固溶強化和合金元素之間的相互作用，有效地控制初生α 相、硅化物與α2相的尺寸和含量，使得合金具有良好的溫室強度、蠕變強度和疲勞性能，短時使用溫度可達700℃。本文通過采用盲孔法測量Ti700SR 鈦合金材質焊接后的殘余應力，以期為制定合理的熱處理方案提供指導。本文采用小直徑盲孔法定性檢測Ti700SR材料鑄造態、焊接態、退火態下的應力情況，并作簡要的分析，為制定合理的熱處理方案，防止因殘余應力而導致的變形、開裂提供了可靠的數據。

2 盲孔法測量殘余應力的基本原理

在含有應力場的材料任意位置鉆一盲孔（直徑為2a，深為h），盲孔附近的殘余應力會釋放一部分并重新分布，并使原應力場達到新的平衡，殘余應力在釋放過程中產生一定量的應變ε，形成新的應力場和應變場。通過電阻應變計測出釋放的應變ε，通過公式計算出測試點的殘余應力（圖1 和圖2）。

圖1 盲孔法殘余應力測量原理

圖2 測點O 附近的應力狀態

式中，ε1，ε2，ε3為3 個方向釋放應變；σ1，σ2為最大、最小主應力；θ 為σ1與1 號片參考軸的夾角；E 為材料彈性模量；A、B 為材料的兩個應變釋放系數，可通過實驗進行標定，也可按公式進行估算。

3 盲孔法測量殘余應力試驗方法

3.1 實驗材料及設備

實驗所用為二次錠通過真空澆鑄出來的Ti700SR 測試樣，狀態為鑄造態，本實驗采用HK21B殘余應力檢測儀，殘余應力打孔裝置，應變片BX120-3CA。

3.2 焊接工藝

在測試件表面挖一個直徑φ2cm，深1cm 孔，本次焊接試驗在真空焊箱（真空度不高于0.63Pa）里進行手工鎢極氬弧焊焊接成形，焊后分別進行580℃（1h）、700℃（1h）、800℃（1h）退火態熱處理工藝。主要焊接參數見表1。

表1 GTAW 焊接工藝主要參數

3.3 實驗步驟

本實驗檢測殘余應力的方法步驟為：（1）將應變花與端子以及導線焊接好，并用萬用表檢測應變花上每個應變片電阻后放置好以備用。（2）在鑄件上選擇殘余應力測量點，用劃針和刻度尺畫十字；（3）用千葉輪對所選測量點及周圍表面進行拋光，并用丙酮清洗拋光面；（4）將應變花用快凝膠按照十字刻線方位緊貼在測點處；（5）待快凝膠凝固后，將殘余應力檢測儀的測量線與應變片的引線進行連接并修正、調零檢測儀；（6）在應變花中心用鉆孔裝置打一個盲孔，待應變儀示數穩定后，讀取應變儀示數（見圖3）。

圖3 現場測試圖

3.4 殘余應力的測試結果

本次測試分別對測試樣鑄造態、焊接態、焊接后580℃（1h）退火態、焊接后700℃（1h）、焊接后，800℃（1h）退火態進行殘余應力測試，測試結果見表2和圖4。

表2 不同狀態下測點殘余應力實測結果

圖4 不同狀態下測點殘余應力分布圖（單位：MPa）

4 結果與分析

不同狀態下，第一主應力和第二主應力的變化趨勢一致。與鑄造態相比，焊接態試件中殘余應力升高了300%左右；焊接態試件經過熱處理退火后應力得到釋放，隨退火溫度的升高，應力下降的幅度增大；經過580℃退火的試件殘余應力較焊接態下降了約40%，但還是遠高于鑄態試件中的殘余應力；經過700℃退火的試件殘余應力較焊接態下降了約71%，略低于鑄態。經過800℃退火的試件殘余應力較焊接態下降了約77%，較700℃退火消應力作用不明顯。因此，Ti700SR 鑄件經過補焊后經過700℃（1h）退火后，可以有效消除焊接殘余應力，不必繼續提高溫度來消除殘余應力。