田永武，趙志謙，李偉東，李渤渤，王非，馬明亮

（1.洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471000；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

1 前言

大型鑄件在鑄造、補(bǔ)焊后往往會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，熱處理后也無法完全消除。這些殘余應(yīng)力一方面會降低構(gòu)件的強(qiáng)度，嚴(yán)重時導(dǎo)致開裂，造成產(chǎn)品返修，甚至報(bào)廢；另一方面，在緩慢釋放過程中，導(dǎo)致后續(xù)精加工后的零件產(chǎn)生變形，失去尺寸精度，而尺寸精度及其保持性已經(jīng)成為制約我國精密加工行業(yè)的瓶頸。因鑄件的殘余應(yīng)力引起的變形甚至開裂問題也是鑄造行業(yè)的共性技術(shù)問題之一。要選擇合適的方法有效地消除殘余應(yīng)力，首先要能準(zhǔn)確地檢測殘余應(yīng)力，而產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因復(fù)雜、分布不均勻、計(jì)算求解有困難，往往需要現(xiàn)場實(shí)測的方法來解決。

目前，測試應(yīng)力的方法主要有3 種：（1）計(jì)算如通過Procast 等軟件進(jìn)行計(jì)算應(yīng)力；（2）物理測試如X 射線衍射法、超聲法；（3）機(jī)械法如盲孔法、逐次去層法等。其中小直徑盲孔法具有便于攜帶、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前常見的測量殘余應(yīng)力的半無損方法，被廣泛應(yīng)用于焊接和鑄造殘余應(yīng)力的檢測。

鈦合金因比強(qiáng)度大、抗腐蝕性好、可焊性好、溫度適應(yīng)范圍廣等突出特性，在航空、航天、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。同時，鈦合金是一種對發(fā)展國防高新技術(shù)武器裝備有重要作用的新型金屬結(jié)構(gòu)材料，已被世界多個軍事強(qiáng)國列為21 世紀(jì)具有重要戰(zhàn)略意義的新型結(jié)構(gòu)金屬材料。Ti700SR 鈦合金是由中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所研制的一種新型近α 型高溫鈦合金。通過α 相固溶強(qiáng)化和合金元素之間的相互作用，有效地控制初生α 相、硅化物與α2相的尺寸和含量，使得合金具有良好的溫室強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和疲勞性能，短時使用溫度可達(dá)700℃。本文通過采用盲孔法測量Ti700SR 鈦合金材質(zhì)焊接后的殘余應(yīng)力，以期為制定合理的熱處理方案提供指導(dǎo)。本文采用小直徑盲孔法定性檢測Ti700SR材料鑄造態(tài)、焊接態(tài)、退火態(tài)下的應(yīng)力情況，并作簡要的分析，為制定合理的熱處理方案，防止因殘余應(yīng)力而導(dǎo)致的變形、開裂提供了可靠的數(shù)據(jù)。

2 盲孔法測量殘余應(yīng)力的基本原理

在含有應(yīng)力場的材料任意位置鉆一盲孔（直徑為2a，深為h），盲孔附近的殘余應(yīng)力會釋放一部分并重新分布，并使原應(yīng)力場達(dá)到新的平衡，殘余應(yīng)力在釋放過程中產(chǎn)生一定量的應(yīng)變ε，形成新的應(yīng)力場和應(yīng)變場。通過電阻應(yīng)變計(jì)測出釋放的應(yīng)變ε，通過公式計(jì)算出測試點(diǎn)的殘余應(yīng)力（圖1 和圖2）。

圖1 盲孔法殘余應(yīng)力測量原理

圖2 測點(diǎn)O 附近的應(yīng)力狀態(tài)

式中，ε1，ε2，ε3為3 個方向釋放應(yīng)變；σ1，σ2為最大、最小主應(yīng)力；θ 為σ1與1 號片參考軸的夾角；E 為材料彈性模量；A、B 為材料的兩個應(yīng)變釋放系數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，也可按公式進(jìn)行估算。

3 盲孔法測量殘余應(yīng)力試驗(yàn)方法

3.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用為二次錠通過真空澆鑄出來的Ti700SR 測試樣，狀態(tài)為鑄造態(tài)，本實(shí)驗(yàn)采用HK21B殘余應(yīng)力檢測儀，殘余應(yīng)力打孔裝置，應(yīng)變片BX120-3CA。

3.2 焊接工藝

在測試件表面挖一個直徑φ2cm，深1cm 孔，本次焊接試驗(yàn)在真空焊箱（真空度不高于0.63Pa）里進(jìn)行手工鎢極氬弧焊焊接成形，焊后分別進(jìn)行580℃（1h）、700℃（1h）、800℃（1h）退火態(tài)熱處理工藝。主要焊接參數(shù)見表1。

表1 GTAW 焊接工藝主要參數(shù)

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)檢測殘余應(yīng)力的方法步驟為：（1）將應(yīng)變花與端子以及導(dǎo)線焊接好，并用萬用表檢測應(yīng)變花上每個應(yīng)變片電阻后放置好以備用。（2）在鑄件上選擇殘余應(yīng)力測量點(diǎn)，用劃針和刻度尺畫十字；（3）用千葉輪對所選測量點(diǎn)及周圍表面進(jìn)行拋光，并用丙酮清洗拋光面；（4）將應(yīng)變花用快凝膠按照十字刻線方位緊貼在測點(diǎn)處；（5）待快凝膠凝固后，將殘余應(yīng)力檢測儀的測量線與應(yīng)變片的引線進(jìn)行連接并修正、調(diào)零檢測儀；（6）在應(yīng)變花中心用鉆孔裝置打一個盲孔，待應(yīng)變儀示數(shù)穩(wěn)定后，讀取應(yīng)變儀示數(shù)（見圖3）。

圖3 現(xiàn)場測試圖

3.4 殘余應(yīng)力的測試結(jié)果

本次測試分別對測試樣鑄造態(tài)、焊接態(tài)、焊接后580℃（1h）退火態(tài)、焊接后700℃（1h）、焊接后，800℃（1h）退火態(tài)進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果見表2和圖4。

表2 不同狀態(tài)下測點(diǎn)殘余應(yīng)力實(shí)測結(jié)果

圖4 不同狀態(tài)下測點(diǎn)殘余應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

4 結(jié)果與分析

不同狀態(tài)下，第一主應(yīng)力和第二主應(yīng)力的變化趨勢一致。與鑄造態(tài)相比，焊接態(tài)試件中殘余應(yīng)力升高了300%左右；焊接態(tài)試件經(jīng)過熱處理退火后應(yīng)力得到釋放，隨退火溫度的升高，應(yīng)力下降的幅度增大；經(jīng)過580℃退火的試件殘余應(yīng)力較焊接態(tài)下降了約40%，但還是遠(yuǎn)高于鑄態(tài)試件中的殘余應(yīng)力；經(jīng)過700℃退火的試件殘余應(yīng)力較焊接態(tài)下降了約71%，略低于鑄態(tài)。經(jīng)過800℃退火的試件殘余應(yīng)力較焊接態(tài)下降了約77%，較700℃退火消應(yīng)力作用不明顯。因此，Ti700SR 鑄件經(jīng)過補(bǔ)焊后經(jīng)過700℃（1h）退火后，可以有效消除焊接殘余應(yīng)力，不必繼續(xù)提高溫度來消除殘余應(yīng)力。