黃 瀟 曹子文 常 明 鄒世坤

1.武漢理工大學材料科學與工程學院，武漢，4300702.北京航空制造工程研究所高能束流加工技術重點實驗室，北京，100024

0 引言

在航空工業(yè)中，鈦合金由于其超高的比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性能，成為飛機機身壁板重要的結構材料，同時采用熱輸入小、能量密度高的激光焊接鈦合金，可進一步提高材料的利用率，減小材料的熱損傷以及控制焊后變形量[1]。另一方面鈦合金激光自熔焊過程中金屬汽化強烈使得熔池金屬沿小孔壁逆光束軸線方向遷移，出現熔池金屬駝峰，隨后熔池金屬快速凝固不能立即回填熔池邊緣從而導致焊縫咬邊缺陷出現，造成焊接結構在焊縫咬邊部位存在應力集中的情況[2]，且鈦合金對表面缺陷敏感性較高，在循環(huán)載荷的作用下易萌生疲勞裂紋，造成焊接結構過早斷裂。由于疲勞斷裂的影響因素主要與材料的表面狀態(tài)和微觀組織結構有關，當工程實際中焊縫咬邊焊缺陷無法有效避免時，采用合理的工藝來減小表面粗糙度、強化表面、改善表面的組織結構和殘余應力狀態(tài)，可以顯著提高工件的疲勞性能[3]。

激光沖擊強化是近年來快速發(fā)展起來的新型表面強化技術[4-5],該技術利用高功率密度(GW/cm2級)的納秒脈沖激光誘導等離子體沖擊波作用于工件表面，進而使材料產生塑性變形，形成較深的殘余壓應力層，可以顯著地改善材料的疲勞性能[6-8]。目前，國內外學者在激光沖擊強化改善材料疲勞性能方面已進行了一些研究。SALIMIANRIZI等[9]從殘余應力的角度研究了激光沖擊強化對Al6061-T6試樣的作用，發(fā)現強化后試樣表面引入了高幅值殘余壓應力，且殘余應力深度達到1875μm；蔡崢嶸[10]從裂紋擴展的角度研究了激光沖擊強化對TC4鈦合金的影響，發(fā)現激光沖擊強化可以有效降低疲勞裂紋擴展速率；李東霖等[11]從疲勞源的角度研究了激光沖擊強化對帶表面缺陷的TC4鈦合金疲勞試件的作用，試驗表明強化后裂紋源萌生位置從材料表面轉移到了材料內部。

上述研究從不同角度分析了激光沖擊強化對基材疲勞性能的影響，關于激光沖擊強化對激光焊接接頭疲勞性能的影響還需要作進一步探索。為實現激光沖擊強化技術在鈦合金激光焊接件上的應用，提高焊接件的疲勞性能，本文針對工程實際中TC4鈦合金單面修飾激光焊接接頭開展激光沖擊強化對其疲勞性能影響的研究。對強化前后焊縫微觀組織、顯微硬度、殘余應力分布變化、表面形貌及粗糙度等影響疲勞性能的關鍵因素進行對比研究，并將兩組TC4單面修飾激光焊接接頭制成標準疲勞試樣進行拉-拉疲勞試驗，通過斷口觀察分析疲勞機理，從而綜合分析激光沖擊強化提高TC4單面修飾激光焊接接頭疲勞性能的強化機理。

1 試驗材料和試驗方法

(a)正面 (b)背面圖1 焊縫Fig.1 Welding line

試驗材料為2mm厚的TC4鈦合金軋制板材，其名義化學成分(質量分數，%)為：6.24Al,4.01V,0.20Fe,0.12Si,0.03C,0.02N,0.0021H,0.14O,余量Ti。對TC4試板進行激光深熔焊形成對接焊接接頭，焊接方向垂直于軋制方向，隨后利用離焦激光束重熔修飾焊縫正面，焊縫正面和背面如圖1所示。焊后試板真空去應力退火，退火溫度650℃，真空度9×10-2Pa，保溫1.5h，爐冷。

退火后的焊接試板經線切割制成疲勞試樣，焊縫垂直于試樣軸向，如圖2所示。疲勞試樣分成兩組：A組為對照組，不作激光沖擊強化；B組焊縫雙面強化，強化前在試樣沖擊面粘貼120μm厚度的鋁箔膠帶作為保護層，通過專用工裝將試樣固定在機械手上。強化過程中在試樣沖擊表面噴去離子水，形成厚度為1～2mm的水膜，用于約束等離子體的膨脹，增大沖擊波的峰值壓力，同時在試樣沖擊背面噴去離子水形成吸波層，減小薄板強化過程中應力波的反射。激光沖擊強化試驗采用Nd:YAG納秒脈沖激光器，脈沖能量為25J，脈寬為15ns，沖擊光斑直徑為4mm。光斑搭接率為40%，強化區(qū)在焊縫中心兩側對稱分布，寬度為13.6mm，覆蓋焊縫、熱影響區(qū)以及部分母材。

圖2 疲勞試樣尺寸圖Fig.2 Fatigue sample size diagram

2 結果與分析

2.1 焊縫微觀組織和顯微硬度變化

將試樣A和試樣B焊接接頭截面切割、打磨、拋光制成金相試樣。從焊縫截面的整體金相組織中看到，焊縫正面經過散焦焊修飾后表面光滑，去除了咬邊和余高等缺陷，而焊縫背面具有明顯的咬邊和余高。由于疲勞裂紋一般從表面應力集中處開始萌生，因此焊縫背面微觀組織和顯微硬度的變化對整個焊接接頭疲勞性能的影響起主要作用。采用DHV-1000型數字顯微硬度儀測量兩組試樣焊縫背面距表面200 μm下的顯微硬度，測試載荷為3 N(300 gf)，加載時間為10 s，相鄰測試點間距為0.2 mm，測試結果如圖3所示。

圖3 焊縫背面顯微硬度Fig.3 Microhardness on the back of the weld

由圖3可以看出，試樣A和試樣B顯微硬度均呈駝峰狀分布，焊縫熔合區(qū)的顯微硬度明顯高于母材區(qū)的顯微硬度，這與TC4鈦合金在激光焊快速凝固冷卻階段生成的針狀馬氏體α′相有關。由于激光焊的熱源集中，焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)的寬度只有2 mm，遠離焊縫中心的組織針狀馬氏體α′含量不斷減少，試樣A顯微硬度從380 HV急劇下降至330 HV。而試樣B經過沖擊強化后熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)顯微硬度較試樣A都有很大提高，尤其是存在應力集中的焊縫咬邊部位,顯微硬度增大了10%左右。根據Hall-Petch關系式，材料的顯微硬度與晶粒直徑的關系如下[12]:

(1)

式中，d為晶粒直徑；k為常數；Hv為材料的顯微硬度；Hv0為基體的顯微硬度。

(a)試樣A (b)試樣B圖4 焊縫背面咬邊處金相組織Fig.4 Metallographic structure of undercut on the back of the weld

從式(1)中可以看到,材料顯微硬度的提高與微觀組織晶粒尺寸變小有關，因此進一步觀測試樣A和試樣B焊縫背面咬邊部位的金相組織變化,如圖4所示。試樣A的金相組織為粗大的針狀馬氏體，最大晶粒尺寸可達50 μm，試樣B經過激光沖擊強化后粗大的馬氏體在沖擊波作用下產生塑性切變，馬氏體晶粒發(fā)生細化，最大晶粒尺寸減小至20 μm，從而導致該區(qū)域顯微硬度提高。由于材料表面的抗疲勞裂紋萌生能力與材料的顯微硬度和晶粒尺寸有關，隨著顯微硬度的提高和晶粒尺寸的減小，試樣B相比于試樣A，表面抵抗疲勞裂紋萌生的能力得到提高，同時晶界的增多提高了滑移形變抗力，有利于抑制循環(huán)滑移帶的形成和起裂[13]。

2.2 焊縫背面殘余應力的分布

依據EN.15305-2008標準，在LXRD大功率殘余應力測試儀上測試兩組試樣焊縫背面的殘余應力分布，選用Cu-kα特性譜線，波長為1.541 838?(0.154 183 8 nm)。使用固定ψ0法進行測試，ψ0取11個角度，每個角度曝光10次，測試點的位置及數據如圖5所示。

圖5 焊縫背面殘余應力分布Fig.5 Residual stress distribution on the back of weld

試樣A經過熱處理后焊縫表面仍殘留一定幅值的拉應力，在距焊縫中心1 mm附近的咬邊部位殘余拉應力達到50 MPa，該處殘余拉應力的存在會增大循環(huán)載荷最大拉應力的幅值，縮短疲勞裂紋萌生所需要的周期。試樣B經強化后焊縫背面的殘余應力分布較試樣A有顯著變化，焊接接頭的熔合區(qū)、熱影響區(qū)以及母材區(qū)熱處理后殘留的殘余拉應力全部轉變?yōu)楦叻档臍堄鄩簯?。殘余壓應力的產生主要是強化區(qū)材料在脈沖激光誘導的沖擊波作用下發(fā)生塑性變形，當沖擊波卸載后與周圍材料發(fā)生彈性擠壓造成的。同時,材料的幾何形狀對殘余應力的幅值存在影響，殘余壓應力幅值凹面強化最高，平面強化次之，凸面強化最低[14]。由于焊縫背面咬邊部位的幾何形狀呈凹面，故強化效果最強，殘余壓應力在該處達到峰值-564.37±9.85 MPa。

咬邊處高幅值的殘余壓應力可以平衡循環(huán)載荷的最大拉應力。殘余壓應力一方面削弱了最大拉應力的影響，減小裂紋尖端應力強度因子ΔKmax，從而降低裂紋擴展速率；另一方面改變了循環(huán)應力比R值，當最小拉應力轉變?yōu)樽畲髩簯r，R值由正數變?yōu)樨摂?，應力比R對疲勞門檻值影響的經驗公式[2]為

ΔKth=(1-R)γΔKth0

(2)

式中，ΔKth為應力強度因子；γ為加速因子；ΔKth0為R=0時的ΔKth。

R值符號改變可引起疲勞門檻值的提高，從而抑制疲勞裂紋源擴展為裂紋。

2.3 強化前后焊縫表面形貌和粗糙度變化

采用Bruker Contour GT白光干涉儀測量試樣B強化前后焊縫背面表面形貌和粗糙度的變化，為了保證強化前后測試范圍為同一區(qū)域，固定視野中的一個飛濺作為觀察點，過飛濺中心的線為垂直焊縫方向的截面輪廓。從圖6a中可以看到，焊縫背面咬邊部位位于整個焊接接頭形貌的波谷處，其應力集中系數最高，此處應力集中情況的變化對疲勞性能起到直接影響。圖6b為焊縫同一區(qū)域強化后的表面形貌，相對于強化前輪廓曲線未發(fā)生明顯變化。其中，Ra、Rt分別用來表征輪廓均方根粗糙度、輪廓最大高度。試樣B強化前Rt為65.09 μm，強化后Rt為66.11 μm，變化率只有1.6%，激光沖擊強化基本上沒有改變焊縫背面咬邊區(qū)域的形貌，而Ra能全面表征所測區(qū)域的粗糙度特征，因此選擇Ra進行對比分析。強化前所測區(qū)域Ra為13.13 μm，強化后為12.84 μm，變化率為2.2%，由此可知，激光沖擊

(a)試樣A

(b)試樣B圖6 強化前后焊縫背面表面形貌和粗糙度Fig.6 Weld back surface topography and roughness

強化對焊縫背面咬邊的粗糙度改變也非常微小。上述試驗表明，激光沖擊強化對TC4單面修飾激光焊接接頭的表面形貌和粗糙度變化無明顯作用。

2.4 拉-拉疲勞試驗

為了進一步對比激光沖擊強化對試樣疲勞壽命的影響，將試樣A和試樣B在MTS810實驗機上進行室溫下的拉-拉疲勞試驗，最大載荷為520 MPa，應力比R=0.1，加載頻率15 Hz。統(tǒng)計兩組試樣的疲勞循環(huán)次數進行成對對比分析，取顯著度α為5%。首先取試樣A和試樣B各9個，配成對，計算每對中兩個體的差數，求出所有對子差值的平均值以及平方和，再對兩組試樣疲勞壽命的統(tǒng)計量t值進行檢驗，以確定兩組試樣疲勞壽命平均值是否存在條件誤差，然后選取置信度γ=95%，對比兩組試樣的中值壽命[15]，計算結果見表1。

表1 不同試樣的疲勞壽命均值檢驗表Tab.1 Fatigue life test table of fatigue specimens with different treatment conditions

從表1中可以看到，兩組試樣各個對子差值的統(tǒng)計量t值大于tα，說明A組和B組試樣疲勞壽命平均值之間的差異是顯著的。取置信度95%進行區(qū)間估計，B組試樣中值疲勞壽命是A組試樣中值疲勞壽命的3.77～9.15倍。以上疲勞試驗結果表明，強化后試樣疲勞中值壽命較未強化試樣有顯著提高。

2.5 疲勞斷口分析

在光學顯微鏡和掃描電鏡下觀察A組和B組疲勞試樣的斷口形貌，研究激光沖擊強化對疲勞裂紋的萌生和擴展影響，疲勞斷口截面、表面、正面形貌圖見圖7。

(a)試樣A

(b)試樣B圖7 疲勞斷口截面、表面、正面形貌圖Fig.7 Fatigue specimen fracture morphology

從圖7中可以看到，試樣A疲勞裂紋萌生于焊縫咬邊處，具有多個疲勞源，疲勞源沿表面擴展相互連接。主裂紋的位置位于焊縫的邊緣處，由于焊縫邊緣存在棱角，應力集中情況較其他部位嚴重，疲勞裂紋最先在這里萌生。試樣B強化后疲勞裂紋萌生位置與試樣A相同，均在焊縫咬邊處開始萌生，但疲勞源的數量只有一個，只在試樣邊緣處萌生，其他部位的裂紋萌生受到抑制。同時疲勞裂紋沿表面的擴展受到抑制，表面裂紋在疲勞階段的擴展距離只有2 mm。

對比試樣A和試樣B疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)的形狀還可以發(fā)現，試樣A裂紋沿厚度方向呈上寬下窄橢圓狀擴展，而試樣B裂紋呈上窄下寬梯形擴展。起裂于表面的裂紋在循環(huán)應力的作用下通常沿表面方向擴展較快，沿厚度方向擴展較慢，呈半橢圓形[16]。根據上一節(jié)殘余應力的測試結果分析，上述斷口形貌變化的主要原因是強化后表面高幅值殘余壓應力的引入，使裂紋沿表面方向擴展受到抑制。

圖8所示為試樣A和試樣B距疲勞源相同距離10 μm下觀測到的疲勞裂紋早期擴展路徑，試樣A疲勞裂紋擴展路徑較為平坦，疲勞臺階之間的距離較寬，表明裂紋擴展過程中受到的阻力較小，裂紋早期的擴展以典型的疲勞條帶方式進行，疲勞條帶之間的平均距離為0.118 μm。試樣B經過激光沖擊強化后疲勞溝線(二次疲勞臺階)顯著增多，疲勞溝線之間的距離變小，整個疲勞裂紋擴展路徑變得曲折，裂紋的擴展在高低不平取向不一的不同平面間進行，與試樣A相比疲勞條帶的間距減小至0.029 μm。根據相關文獻所述[17]，疲勞條帶之間的距離可以近似表征疲勞裂紋擴展的速率，因此根據疲勞條帶間距的減小可以推斷出在疲勞源附近的早期裂紋擴展過程中，試樣B疲勞裂紋的擴展速率相對于試樣A大幅下降，從而大大延長了疲勞裂紋在早期擴展階段的周期。

(a)試樣A

(b)試樣B圖8 疲勞裂紋早期擴展路徑Fig.8 Fatigue crack early expansion path

圖9所示為試樣A和試樣B距疲勞源相同距離200 μm下觀測到的疲勞裂紋穩(wěn)定階段擴展路徑，與疲勞源附近的早期疲勞條帶間距相比，裂紋在距焊縫表面200 μm熔合區(qū)附近的疲勞條帶間距明顯增大。試樣A在此階段疲勞條帶的平均間距為0.175 μm，而試樣B與試樣A相比疲勞條帶的間距減小至0.090 μm，降幅較早期擴展階段有所下降。同時試樣B部分疲勞條帶間有二次裂紋出現，消耗了一部分的應變能。

(a)試樣A

(b)試樣B圖9 疲勞裂紋穩(wěn)定階段擴展路徑Fig.9 Fatigue crack stability phase extension path

3 結論

(1)激光沖擊強化后焊縫咬邊處表面馬氏體組織細化，顯微硬度提高，有利于抑制焊縫疲勞裂紋萌生和擴展。

(2)強化后焊接接頭表面形貌和粗糙度無明顯變化，但表面應力狀態(tài)由殘余拉應力分布變?yōu)闅堄鄩簯Ψ植迹行魅趿撕缚p咬邊處的應力集中效應和減小了裂紋尖端應力強度因子。

(3)TC4鈦合金單面修飾激光焊接接頭經過激光沖擊強化后疲勞壽命是強化前的3.77～9.15倍，強化未改變疲勞裂紋萌生位置，但抑制了多源疲勞萌生，且顯著降低了疲勞裂紋早期擴展階段和穩(wěn)定擴展階段的裂紋擴展速率。

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