鈦合金是一種性能優(yōu)*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(wèn)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(guò)大是急需解決的問(wèn)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(duì)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(chǎng)進(jìn)行，工藝簡(jiǎn)單,，沒(méi)有環(huán)境污染,。

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(guò)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。

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(guò)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(duì)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(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,。焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)完成后,，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(duì)4#、5#,、6#試板進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力消除,，超聲沖擊電流2.5-3.0A；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(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(lái)的殘余拉應(yīng)力值時(shí)，焊縫處的殘余應(yīng)力場(chǎng)將被重新分布,，由原來(lái)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(chǎng)疊加所得。

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,；儀器型號(hào)為JHMK殘余應(yīng)力測(cè)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(lái)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(duì)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(cè)量,，消應(yīng)力前后測(cè)得焊接殘余應(yīng)力分別如表1,、表2所示,。

焊接后，無(wú)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^(guò)程中,，焊縫區(qū)域以遠(yuǎn)高于周?chē)鷧^(qū)域的溫度被迅速加熱膨脹,，但是該膨脹受到其周?chē)档蜏囟葏^(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(kāi)后,，焊縫區(qū)域逐漸冷卻收縮，但同時(shí)又受到周?chē)鷧^(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(duì)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(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)541.52MPa。由圖1,、圖2可知,，經(jīng)過(guò)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*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(guò)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＜10o%,。

由表1、表2可看出,，在超聲沖擊前,，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,，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(guò)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10o%,。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(duì)于鈦合金焊接殘余應(yīng)力和變形的消減和控制，熱時(shí)效可以大幅度降低焊接殘余應(yīng)力,，殘余拉應(yīng)力消除率＜10o%,，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10o%，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(lái)消除鈦合金焊接殘余應(yīng)力,。