鈦合金是一種性能優(yōu)越的合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造等行業(yè)，它不僅提高了設(shè)備使用壽命和生產(chǎn)率，而且還減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。然而鈦合金焊接本身存在一定問題，焊接接頭容易出現(xiàn)脆化、裂紋和氣孔等缺陷，焊接殘余應(yīng)力過大是急需解決的問題之一。

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)。超聲沖擊是對焊縫材料表面進(jìn)行高速機(jī)械撞擊，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)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，并重新調(diào)整焊縫處的應(yīng)力分布，從而消除焊縫殘余應(yīng)力。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)場進(jìn)行，工藝簡單，沒有環(huán)境污染。

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

試驗(yàn)材料及相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)材料選用TC4鈦合金，厚度9mm，焊絲選用與試板成分匹配的TC3焊絲。采用手工TIC焊，并特制保護(hù)施罩以防止焊接過程中產(chǎn)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1mm。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。TC4鈦合金TIC焊對接試板尺寸為300mm*150mm*9mm。

試驗(yàn)方案

首先，使用上述焊接工藝規(guī)范及相關(guān)參數(shù)焊接6對試板，試板編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#。焊接完成后，采用盲孔法檢測焊接殘余應(yīng)力，每件試板均檢測3個(gè)點(diǎn)位，3個(gè)點(diǎn)位均位于焊縫中心。焊接殘余應(yīng)力檢測完成后，采用熱時(shí)效法對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1h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2.5-3.0A；并分別檢測消應(yīng)后焊接殘余應(yīng)力。由于盲孔法為有損檢測，二次檢測的點(diǎn)位位于原檢測點(diǎn)位的水平距離5mm處。

超聲沖擊焊接殘余應(yīng)力消除和盲孔法殘余應(yīng)力測試

超聲沖擊試驗(yàn)采用手持式超聲沖擊頭直接對焊縫進(jìn)行應(yīng)力消除，設(shè)備采用南京聚航科技有限公司的JH-Q50液晶超聲波焊接應(yīng)力消除設(shè)備。

超聲沖擊消除焊縫殘余應(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)力場將被重新分布，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殘余應(yīng)力是超聲沖擊材料產(chǎn)生的壓應(yīng)力與焊后焊縫處的殘余應(yīng)力場疊加所得。

鈦合金焊接接頭的表面殘余應(yīng)力測量方案：在試板的焊縫表面選擇3個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行測量點(diǎn)布置，采用盲孔法測量試板上的焊接殘余應(yīng)力；儀器型號(hào)為JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，選用三軸應(yīng)變花，在試板上鉆取直徑φ1.5mm、深2mm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)變釋放量來計(jì)算試板上的殘余應(yīng)力數(shù)值。

試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)試驗(yàn)方案分別對鈦合金焊接試板進(jìn)行熱時(shí)效、超聲波沖擊和焊接殘余應(yīng)力測量，消應(yīng)力前后測得焊接殘余應(yīng)力分別如表1、表2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1、表2所示。這是因?yàn)樵诤附舆^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降低溫度區(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)力對其疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度有不利影響，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。

結(jié)果分析

由表1、表2可看出，熱時(shí)效前，鈦合金對接試板焊后的縱向、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)541.52MPa。由圖1、圖2可知，經(jīng)過熱時(shí)效后，試板的縱向、橫向殘余應(yīng)力都大幅度地減少，減小幅值最高為463MPa，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1、表2可看出，在超聲沖擊前，鈦合金對接試板焊后的縱向、橫向焊接殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且數(shù)值較大，特別是縱向殘余應(yīng)力高達(dá)530.21MPa。由圖3、4可知，經(jīng)過超聲沖擊后，試板的縱向、橫向殘余應(yīng)力也都大幅度減小，且基本轉(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1oo%。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。

結(jié)論

1. 對于鈦合金焊接殘余應(yīng)力和變形的消減和控制，熱時(shí)效可以大幅度降低焊接殘余應(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1oo%，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。