TC4鈦合金作為一種α+β雙相鈦合金，綜合性能優(yōu)良，能在400℃下長(zhǎng)時(shí)間工作。由于其良好的高溫性能，可用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、風(fēng)扇、葉片及框梁等承力構(gòu)件。為了滿足航空焊接構(gòu)件日趨輕質(zhì)化和復(fù)雜化的要求，廠家采用電子束焊接TC4鈦合金航空構(gòu)件。
眾所周知，在焊接過程中存在著較大的溫度梯度，這會(huì)導(dǎo)致焊后接頭產(chǎn)生較高的焊接殘余應(yīng)力；較高的拉應(yīng)力會(huì)降低接頭的疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能，而較高的壓應(yīng)力也會(huì)降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限。由于焊接殘余應(yīng)力對(duì)航空構(gòu)件的強(qiáng)度和壽命有一定的影響。因此，近年來TC4鈦合金等航空構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力越來越受到人們的關(guān)注。
本文主要是采用盲孔法測(cè)試分析電子束焊接試板殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)，為選取電子束焊接工藝參數(shù)提供一定的理論依據(jù)。
TC4鈦合金電子束焊接試驗(yàn)研究
選用TC4鈦合金材料，試板尺寸為300*150*12mm。用鋼絲刷打磨試板表面，去除氧化膜，再用酒精棉擦拭干凈，置于電子束機(jī)上進(jìn)行焊接。TC4鈦合金焊縫成形較好，焊縫正面寬8.5mm，背面2mm。
電子束焊接TC4鈦合金試板殘余應(yīng)力測(cè)試研究
采用盲孔法對(duì)TC4鈦合金電子束焊接試板進(jìn)行測(cè)試研究。鉆一個(gè)孔徑為φ2mm，深2mm的盲孔，采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK殘余應(yīng)力裝置組成，多點(diǎn)測(cè)量，全軟件設(shè)置，可自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算殘余應(yīng)力，測(cè)量結(jié)果直觀明了，儀器精度高。
測(cè)點(diǎn)布置
考慮到傳統(tǒng)焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)，在垂直于焊縫的TC4鈦合金試板的中心線上，以焊縫為中心在焊縫兩側(cè)間距一定的距離，使用JH-496膠水粘貼應(yīng)變片，靜止固化后準(zhǔn)備測(cè)試。
測(cè)試時(shí)間的影響
將應(yīng)變片連接到JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀上，應(yīng)變儀調(diào)零，進(jìn)行鉆孔測(cè)試。考慮到鉆孔后孔邊溫度的恢復(fù)和殘余應(yīng)變的釋放，對(duì)TC4鈦合金焊接試板的測(cè)試時(shí)間進(jìn)行了研究。根據(jù)儀器自身的精度，每間隔300s或600s測(cè)量一次，當(dāng)兩次差值在5μs內(nèi)終止測(cè)量。從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)與TC4鈦合金試板鉆孔后30-40min內(nèi)，殘余應(yīng)變可完全釋放。
Tc4鈦合金試板測(cè)試結(jié)果
TC4鈦合金電子束焊接接頭上表面各點(diǎn)殘余應(yīng)力分布以縱向應(yīng)力為主，如圖1、2所示，橫向應(yīng)力值相對(duì)較小。焊縫及近縫區(qū)的縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力，隨著離焊縫中心距離的增大，拉應(yīng)力值逐漸減??；且焊縫中心的應(yīng)力峰值達(dá)到362.95MPa，如圖1。
橫向殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)如圖2所示，焊縫兩側(cè)有兩個(gè)應(yīng)力峰值，應(yīng)力的分布也以拉應(yīng)力為主，應(yīng)力值在23-146MPa之間變化。
TC4鈦合金試板焊接殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)，符合焊接殘余應(yīng)力分布的傳統(tǒng)規(guī)律，且縱向應(yīng)力值較低，這說明所采用的12mm厚TC4鈦合金中壓電子束焊接工藝是較為合適的。
上述結(jié)果與文獻(xiàn)中殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)基本一致。由此可見，雖然電子束焊接能量密度高，焊接過程中接頭溫度梯度較大，但由于焊縫窄、熱影響區(qū)小，焊接速度快、線能量不是很大，電子束焊接過程中產(chǎn)生的固有相變將不會(huì)很大，產(chǎn)生殘余應(yīng)力也不會(huì)高。因此，對(duì)于鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，采用合適的電子束焊接工藝，可以改善接頭的殘余應(yīng)力分布，這將提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命及抗腐蝕能力。
結(jié)論
1. 采用盲孔法測(cè)試電子束焊接殘余應(yīng)力分布準(zhǔn)確性較高，尤其是適用于TC4鈦合金中厚板材料測(cè)試。對(duì)于不同厚度的TC4鈦合金試板，鉆孔后焊接殘余應(yīng)變完全釋放的時(shí)間是不同的，需要通過試驗(yàn)測(cè)試研究。
2. 對(duì)于12mm厚TC4鈦合金電子束焊接試板，其上表面焊接殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)符合傳統(tǒng)的焊接應(yīng)力分布規(guī)律。
3. TC4鈦合金電子束焊接試板上表面焊接殘余應(yīng)力峰值低于母材的屈服強(qiáng)度，殘余應(yīng)力主要以縱向應(yīng)力為主。
