徐　健

(海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，遼寧 沈陽 110043)

超聲振動(dòng)激光焊對(duì)TC2鈦合金焊接后殘余應(yīng)力的影響分析

徐健

(海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，遼寧 沈陽 110043)

摘要：TC2鈦合金材料塑性變形能力差，因此在應(yīng)用時(shí)多采用焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有害的焊接殘余應(yīng)力會(huì)逐漸形成裂紋，導(dǎo)致材料失效。分析了焊接變形量和產(chǎn)生殘余應(yīng)力之間的理論關(guān)系，并采取振動(dòng)激光焊接和激光焊接進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出采用振動(dòng)激光焊接的方法相比激光焊接，可使焊接試樣的角變形量減小約31%，并可釋放約31%的殘余應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：激光焊接；TC2鈦合金；殘余應(yīng)力；超聲振動(dòng)；角變形

目前,鈦合金材料在航空、航天和船舶等行業(yè)中的使用比例越來越高。TC2鈦合金是一種a+β型鈦合金，屬于中強(qiáng)鈦合金，主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與船舶動(dòng)力系統(tǒng)燃油和滑油聯(lián)接管路。該合金塑性變形能力差，壓力加工成形困難[1-5]。世界各國主要采用焊接結(jié)構(gòu),但在焊接處會(huì)不可避免地產(chǎn)生有害的殘余應(yīng)力,易逐漸形成裂紋，進(jìn)而失效。

焊縫殘余應(yīng)力宏觀表現(xiàn)為焊接變形， 而焊接變形主要是指撓曲變形。產(chǎn)生的原因是由于焊縫的橫向收縮沿板厚分布不均勻所致。由激光焊接的原理可知，在焊接過程中形成的熔池是倒錐形的，這就使得平板上部比下部的熔融金屬多， 而焊縫金屬的收縮量取決于熔化金屬的數(shù)量，從而導(dǎo)致平板上部比下部收縮量大。板厚方向熔融金屬收縮量的不均勻會(huì)對(duì)兩側(cè)基材金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，這樣就會(huì)產(chǎn)生使平板兩端向上彎曲的力矩，導(dǎo)致產(chǎn)生角變形[6-9]。

為減輕焊接殘余應(yīng)力對(duì)材料性能的影響，烏克蘭首先提出了振動(dòng)激光焊方法[10]。為摸清振動(dòng)激光焊和激光焊對(duì)TC2鈦合金的焊接性能影響，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用測量板材角變形量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出了采用振動(dòng)激光焊的方法可釋放約31%的殘余應(yīng)力。

1殘余應(yīng)力理論計(jì)算

激光焊接過程本質(zhì)上是一個(gè)熱塑性問題，不僅引起彈性變形，也會(huì)引起塑性變形。首先是彈性階段，此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)金屬材料進(jìn)入塑性階段后，其關(guān)系受諸多因素的影響，主要因素之一是當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)，但主要取決于整個(gè)加載的歷史，當(dāng)載荷卸載后金屬材料就會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久塑性變形[11]。

彈塑性變形的復(fù)雜性致使金屬材料內(nèi)部的加載變形疊加，不能用普通的線性方程解決其應(yīng)力與變形之間的非線性關(guān)系[12]。為了探究焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，對(duì)焊縫采取如下假設(shè)：1)焊縫截面形貌為V型，焊接熔池溫度在低于力學(xué)熔點(diǎn)凝固時(shí)呈線性收縮，并且焊縫各處的收縮率相同；2)應(yīng)力應(yīng)變呈線性變化，彈性模量、線膨脹系數(shù)不隨溫度變化；3)試樣不可壓縮，只發(fā)生彈性變形。

1.1角變形模型分析

假設(shè)焊縫呈V型，焊接熔池溫度在低于力學(xué)熔點(diǎn)凝固時(shí)呈線性收縮，并且焊縫各處的收縮率相同，且不可壓縮，只能發(fā)生彈性變形。焊縫塑性收縮示意圖如圖1所示。

圖1　焊縫塑性收縮示意圖

激光焊接試樣后，由于焊縫的收縮使得TC2鈦合金薄板整體縮短。在收縮率相同的情況下，由于V型焊縫的表面與底面熔寬不同，導(dǎo)致焊縫表面收縮量比底面大，從而產(chǎn)生角變形。

1.2角變形與收縮量的關(guān)系

由圖1a可得到如下幾何關(guān)系：

(1)

式中，B是焊縫表面熔寬；b是焊縫底面熔寬；H是熔深。

由圖1b可得到如下幾何關(guān)系(認(rèn)為底板角變形量與焊縫近似相等)：

(2)

式中，θ是角變形量；B′是凝固后焊縫表面熔寬；b′是凝固后焊縫底面熔寬；H是熔深。

試樣發(fā)生角變形后，焊縫上部與下部的收縮量差值為：

(3)

可見，角變形越大，焊縫上部與下部的收縮量差值越大。

1.3收縮量與應(yīng)力的關(guān)系

假想有一塊裂紋長度為30 mm、面積無限大的TC2鈦合金薄板，通過激光焊接的方法對(duì)裂紋進(jìn)行修理。由于薄板面積無限大，因此，從外觀變形來說此薄板沒有發(fā)生塑性形變。但激光焊接是一個(gè)快速加熱、快速冷卻的過程，焊接熔池在冷卻的過程中受到阻礙，使其完全不能自由變形，這部分變形就會(huì)保留在焊縫內(nèi)部，最終形成殘余拉應(yīng)力。

在此只考慮熱變形，并且假設(shè)金屬的線膨脹系數(shù)不隨溫度變化而變化。此焊縫內(nèi)部由溫度引起的應(yīng)變可表示為：

(4)

式中，α是線膨脹系數(shù)；Tm是力學(xué)熔點(diǎn)；T0是室溫。

在幾種假設(shè)的前提下，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

(5)

式中，E是彈性模量

可見，焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力與焊縫上、下部收縮量的差值呈正比關(guān)系。

2試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1試驗(yàn)設(shè)備與試樣制備

超聲波振動(dòng)設(shè)備原理圖如圖2所示。工作原理是經(jīng)超聲波驅(qū)動(dòng)電源轉(zhuǎn)換的高頻高電壓交流電流，通過電纜傳輸給換能器，換能器再將輸入的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，做縱向往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮運(yùn)動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)電源的交流電流頻率相等，伸縮運(yùn)動(dòng)的振幅取決于功率，功率越大，振幅越大。

圖2　超聲波振動(dòng)設(shè)備原理圖

為了防止焊接試樣在振動(dòng)臺(tái)上自由移動(dòng)，并且能夠準(zhǔn)確測量試樣撓曲變形的角變形量，試樣設(shè)計(jì)如圖3所示。試樣包括2塊TC2鈦合金基材和鋁合金底板?；某叽鐬?0 mm×30 mm×1.5 mm，底板尺寸為60 mm×35 mm×1.5 mm。兩端的基材與底板之間用環(huán)氧樹脂粘接，粘接尺寸均為12 mm。

圖3　試樣設(shè)計(jì)示意圖

2.2試驗(yàn)方法

TC2鈦合金對(duì)焊前焊接區(qū)域的清潔程度要求十分嚴(yán)格，對(duì)其表面氧化膜的去除采用機(jī)械打磨與化學(xué)清洗相結(jié)合的方法。試樣焊接前清理工藝為：金屬清洗液除油→水沖洗→酸洗→水沖洗→烘干保存。除油采用粉末狀金屬除油劑，將金屬除油劑溶液加熱到約40 ℃時(shí)進(jìn)行除油處理。為防止試樣因放置時(shí)間太久產(chǎn)生較厚氧化層，所以在試樣酸洗前采用400#金相砂紙打磨試樣表面。試樣在酸洗液中浸泡1～2 min，酸洗液配方(體積分?jǐn)?shù))為：(2%～4%)HF+(30%～40%)HNO3+水(余量)。最后，用水沖洗后烘干保存。鈦合金試樣清理后，表面呈銀白色，應(yīng)放置在密閉、干燥和清潔的環(huán)境，并佩戴棉布手套來取放試件，禁止直接用手觸及試件。清理好的焊接試樣應(yīng)在24 h內(nèi)焊完，否則需重新清理[13]。

試樣共10件，分為2組。其中一組用超聲振動(dòng)激光焊接(功率為60 W)處理，另一組為對(duì)比試樣組，用激光進(jìn)行焊接。然后，對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行拍照記錄，并用Visio軟件測量底板變形的角度。為得到準(zhǔn)確角度值，分別測量底板兩端與底面的夾角，取其平均值。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果理論計(jì)算

焊縫橫截面形狀如圖4所示。

圖4　焊縫橫截面尺寸

采用激光焊接的試樣：B均值為1.693 mm，b均值為0.979 mm，H為1.5 mm；而采用振動(dòng)激光焊接的試樣：B均值為1.783 mm，b均值為0.942 mm，H為1.5 mm。

由式1～式3可得，激光焊接Δε1=0.039 21 mm，振動(dòng)激光焊接Δε2=0.027 15 mm。可見，超聲振動(dòng)激光焊接可以使焊縫變形量降低約30.7%，由式5可得，超聲振動(dòng)激光焊接可以使焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力降低約30.7%

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量結(jié)果

2組試樣的角變形結(jié)果如圖5所示。

圖5　焊接角變形

試樣角變形量見表1，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，激光焊接與超聲振動(dòng)激光焊接分別得到的試樣角變形量存在明顯差異。相對(duì)激光焊接而言，超聲振動(dòng)可以使試樣的角變形量減小約31.08%，與理論計(jì)算得出的焊縫變形量降低約30.7%相當(dāng)。

表1　試樣角變形量

4結(jié)語

在分析焊接產(chǎn)生角變形的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，比較了超聲振動(dòng)激光焊接與激光焊接試樣的角變形來檢驗(yàn)高頻率振動(dòng)對(duì)構(gòu)件變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲振動(dòng)激光焊接可使焊接試樣的角變形量減小約31%， 相對(duì)于常規(guī)激光焊接， 在激光焊接

熔池的熔凝過程中附加超聲振動(dòng)，可釋放約31%的殘余應(yīng)力。

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責(zé)任編輯彭光宇

Influence of Ultrasonic Vibration Laser Welding Residual Stresses of TC2 Titanium

XU Jian

(Navy Stationing in Shenyang Military Representative Office on Engine，Shenyang 110043，China)

Abstract：TC2 titanium alloy materials have poor plastic deformation, so design of welded structure is often used in the application. However, the harmful welding residual stress will gradually form crack, or lead to material failure. Analysis of the theoretical relationship between the residual stress and welding deformation is given, and take test verification about vibration laser welding and laser welding, To the laser welding method, the vibration welding method can have a 31% decrease in angular deformation, and can release about 31% residual stress.

Key words:laser welding，TC2 titanium，residual stress，ultrasonic vibration，angular distortion

收稿日期：2015-02-02

作者簡介：徐健(1978-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事武器裝備研制管理等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 456.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A