武漢理工大學材料科學與工程學院 王俊杰 常 明

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所高能束流加工技術重點實驗室 何恩光 陳 俐 楊 璟

隨著航空、航天及國防工業(yè)的快速發(fā)展，各種高強度、耐高溫合金、輕質合金等得到了廣泛的應用，對焊接工藝和焊接質量提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)熔焊工藝在高技術制造領域已難以適應其發(fā)展趨勢，激光焊接因具有高能量密度、焊接變形小及能實現(xiàn)難熔金屬焊接等優(yōu)點，而成為先進技術和焊接工藝發(fā)展的重要研究方向，也是國防工業(yè)中必不可少的特種焊接技術。在激光焊接過程中，能量密度很高的激光束作用于工件上的很窄的區(qū)域，使材料局部熔化、汽化，從而形成“小孔效應”，并隨激光束移動在熱源后面熔化的高溫金屬冷卻形成焊縫。由于激光焊接加熱集中，焊接接頭溫度梯度變化大、焊件小，焊接殘余應力的產生是不可避免的。焊接殘余應力對焊接結構的脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕等具有重要的影響。對于精密制造而言，很小的焊接殘余應力也將破壞結構的完整性。因此，確定激光焊接殘余應力的大小及其分布規(guī)律一直是人們所關注的焦點問題之一。

鈦合金具有比強度高、抗腐蝕性好、耐高溫以及韌性和焊接性較好等一系列優(yōu)點，所以在航空航天飛行器中推廣應用鈦合金焊接結構已成為人們關注的重點。鈦合金激光焊被視為一種理想的焊接方法。然而，利用激光焊接鈦合金時會產生咬邊、焊塌等焊縫成形不良的問題。為解決這些問題，修飾焊是一種有效的工藝途徑，即利用離焦激光束作用于焊縫表面，使焊縫表面形成淺而寬的局部熔化，以消除焊縫表面的成形缺陷。許飛等[1]的研究工作表明：激光修飾焊不僅可以顯著改善鋁合金焊縫咬邊、下塌等成形不良缺陷，減小焊縫表層氣孔，還可以細化接頭組織，在一定程度上提高接頭的強度和塑性。但是，修飾焊對焊接接頭的殘余應力是否有影響，目前還未見報道。

目前，測量激光焊接頭殘余應力的方法有很多，概括起來可分為應力釋放法和無損測試法2大類。應力釋放法主要方法有切條、逐層切削、盲孔（小孔）等方法。因其對結構有不同程度的破壞，故多用于實驗室研究，無法實時應用于工程實踐中。近年來，國內外許多學者[2-7]利用X射線衍射法測量殘余應力，如雷玉成等[2]利用X射線應力測定儀測定了CLAM鋼激光焊T形接頭殘余應力。而Stone[3]同樣把X射線衍射法應用到了WASPALOY合金電子束焊板的殘余應力的測量上。X射線衍射法對結構沒有破壞，但主要測試表面的殘余應力，測試技術要求也較高，但對于薄板，這種方法在一定程度也可以揭示薄板結構的殘余應力分布特征。

為此，本文采用了X射線衍射法測量了TC4薄板鈦合金激光對接焊接接頭和激光修飾焊對接焊接接頭的殘余應力，通過對比分析，了解修飾焊接對薄板激光焊接接頭殘余應力的影響，為工程實踐提供數(shù)據(jù)參考，為修飾激光焊接理論分析提供測試數(shù)據(jù)。

表1 TC4鈦合金化學成分 %

表2 TC4鈦合金力學性能

1 試驗材料和方法

1.1 焊接試驗

試驗材料為1.5mm厚TC4鈦合金板材，化學成分及力學性能見表1、表2。試板尺寸為300mm×100mm×1.5mm。焊前用化學清洗去除試板表面的油污和氧化層。試驗采用由ABB機械手控制的激光焊接系統(tǒng)，激光器為5kW的YLS-5000型大功率光纖激光器，激光束模式為多模，激光通過光纖傳輸并反射聚焦后到達工件，焦斑直徑0.32mm，波長1060nm。焊接試驗采用平板對接。焊接過程中工件靜止，由機械手帶動激光頭相對運動來實現(xiàn)激光焊接。試件1是直接利用光纖激光焊接的，試件2先用光纖激光焊接，再在其焊縫表面利用激光焊修飾，具體焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

1.2 殘余應力的測定

采用LXRD殘余應力測試儀測定試件1和試件2的殘余應力。由于件板表面存在氧化膜等雜質，射線容易被這些雜志吸收或散射，使得測量結果不能反映試件表面真實的應力狀況。因此，殘余應力測試前對試板進行酸洗以去除表面的附加應力層。分別測試沿著焊縫方向殘余應力和垂直于焊縫方向殘余應力，即測量焊接接頭縱向殘余應力和橫向殘余應力。每個測量點測量2個方向的殘余應力X方向σX和Y方向σY，測試點位置如圖1所示。具體的，縱向殘余應力測試點均勻分布，依次間隔10mm取1個測量點，共取29個測量點。橫向殘余應力測量點，由于結構上的對稱性，只測量了焊縫一側的殘余應力值，測量點距焊縫中心的距離逐步增大，在焊縫附近間距小，遠離焊縫間距大。分別為0、1mm、2 mm、3 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、19 mm、24 mm、29 mm、34 mm、39 mm。

圖1 測量點位置示意圖Fig.1 Measurement points on laser welded joint

3 試驗結果及分析

3.1 TC4鈦合金激光焊殘余應力

圖2 激光焊縱向殘余應力Fig.2 Longitudinal residual stress of fibre laser welding joint for TC4 Titanium alloy

圖2為試件1沿著焊縫的殘余應力即縱向殘余應力，Y方向的殘余應力均為拉應力，除了焊縫邊緣處，應力值波動較大之外，其余殘余應力值大約在550MPa（約0.6σ0.2）上下波動，波動幅度不大，X方向的殘余應力相對Y方向的非常小，在0左右浮動，出現(xiàn)了壓應力，最大壓應力值約為200MPa。圖3為試件1平行于焊縫方向的殘余應力即橫向殘余應力，橫向殘余應力基本分布在焊縫兩側大約15mm范圍內，除了焊縫上出現(xiàn)了拉應力，其余均是壓應力，在焊縫兩側約6mm處出現(xiàn)了最大壓應力，應力值為409MPa。另外，由于邊緣效應[8]，即厚板邊緣無約束或微弱約束附近區(qū)域將發(fā)生應力釋放，且釋放范圍只影響邊緣附近的應力分布。TC4鈦合金經(jīng)激光焊引入的殘余應力，在焊接接頭邊緣處發(fā)生部分應力釋放，相對于平均應力，大約釋放27%～42%。

圖3 激光焊橫向殘余應力Fig.3 Transversal residual stress of fibre laser welding joint for TC4 Titanium alloy

3.2 TC4激光修飾焊殘余應力

圖4、5為激光修飾焊縫殘余應力的分布狀況。圖4為激光修飾焊縱向殘余應力，Y方向的殘余應力基本在550MPa左右變化，變化幅度較小，X方向的殘余應力大約在0上下波動。圖5為激光修飾焊橫向殘余應力，X方向和Y方向的殘余應力均在分布在焊縫兩側大約18mm范圍內，X方向的最大壓應力約位于焊縫兩側的2mm處，壓應力值為345MPa，而Y方向的最大壓應力約出現(xiàn)在焊縫兩側的4mm處，值為278MPa。激光修飾焊過后，接頭邊緣處應力釋放約為10%～18%。

圖4 激光修飾焊縱向殘余應力Fig.4 Longitudinal residual stress of fibre laser modification welding joint for TC4 Titanium alloy

圖5 激光修飾焊橫向殘余應力Fig.5 Transversal residual stress of fibre laser modification welding joint for TC4 Titanium alloy

3.3 TC4激光焊修飾焊對激光焊殘余應力的影響

激光修飾焊可以略微降低焊縫縱向殘余應力的波動幅度，但對改善焊縫的縱向殘余應力的作用不大，如圖2、4所示。激光修飾焊可以顯著降低橫向殘余應力，X方向上的最大殘余壓應力由原來的409MPa降到345MPa，Y方向則從316MPa降至278MPa，并且在焊縫兩側的8mm范圍內，應力值波動很小，基本呈現(xiàn)均勻分布，如圖3、5所示。對于承力構件，較高的殘余應力值將會降低接頭的疲勞強度和腐蝕抗力，并且較高的殘余壓應力值也會減小結構的穩(wěn)定性極限。因此，激光修飾焊將有助于提高TC4鈦合金焊接構件的疲勞強度壽命及結構穩(wěn)定性。激光修飾焊可以降低殘余應力峰值和使殘余應力分布均勻的可能原因是在激光修飾焊時，增大了離焦量（?f=80mm），采用激光熱導焊接模式，修飾焊接加熱寬度增大，從而使焊縫的溫度場擴大且均勻，由于焊接殘余應力的自平衡理論[9]，最終使得殘余應力值峰值降低且呈均勻分布。

4 結論

（1）TC4鈦合金激光修飾焊和激光焊的殘余應力分布規(guī)律相似，縱向殘余應力均是殘余拉應力，橫向殘余應力則分布著壓應力。

（2）激光修飾焊對TC4鈦合金激光焊的縱向殘余應力影響不大，略微降低了其波動幅度，但激光修飾焊可以顯著降低TC4鈦合金激光焊的橫向殘余壓應力的峰值，并使得其距離焊縫兩側約8mm范圍內的橫向殘余應力分布較為平緩。

（3）在焊接接頭邊緣處，激光修飾焊較激光焊，由于邊緣效應而產生的殘余應力釋放，釋放幅度較低，從27%～42%降到10%～18%。

[1]許飛,楊璟,鞏水利,等.鋁合金激光修飾焊縫成形特征研究 .應用激光 , 2010,30(5)：374-377.

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