鈦合金薄板激光修飾焊殘余應(yīng)力研究

武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度、耐高溫合金、輕質(zhì)合金等得到了廣泛的應(yīng)用，對焊接工藝和焊接質(zhì)量提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)熔焊工藝在高技術(shù)制造領(lǐng)域已難以適應(yīng)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(shí)現(xiàn)難熔金屬焊接等優(yōu)點(diǎn)，而成為先進(jìn)技術(shù)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(shù)。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(yīng)”，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(yīng)力的產(chǎn)生是不可避免的。焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)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(yīng)力也將破壞結(jié)構(gòu)的完整性。因此，確定激光焊接殘余應(yīng)力的大小及其分布規(guī)律一直是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。

鈦合金具有比強(qiáng)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(diǎn)，所以在航空航天飛行器中推廣應(yīng)用鈦合金焊接結(jié)構(gòu)已成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。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(shí)會產(chǎn)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(xì)化接頭組織，在一定程度上提高接頭的強(qiáng)度和塑性。但是，修飾焊對焊接接頭的殘余應(yīng)力是否有影響，目前還未見報(bào)道。

目前，測量激光焊接頭殘余應(yīng)力的方法有很多，概括起來可分為應(yīng)力釋放法和無損測試法2大類。應(yīng)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(jié)構(gòu)有不同程度的破壞，故多用于實(shí)驗(yàn)室研究，無法實(shí)時(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐中。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者[2-7]利用X射線衍射法測量殘余應(yīng)力，如雷玉成等[2]利用X射線應(yīng)力測定儀測定了CLAM鋼激光焊T形接頭殘余應(yīng)力。而Stone[3]同樣把X射線衍射法應(yīng)用到了WASPALOY合金電子束焊板的殘余應(yīng)力的測量上。X射線衍射法對結(jié)構(gòu)沒有破壞，但主要測試表面的殘余應(yīng)力，測試技術(shù)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(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)力的影響，為工程實(shí)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(xué)成分 %

表2 TC4鈦合金力學(xué)性能

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 焊接試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為1.5mm厚TC4鈦合金板材，化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。試板尺寸為300mm×100mm×1.5mm。焊前用化學(xué)清洗去除試板表面的油污和氧化層。試驗(yàn)采用由ABB機(jī)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(dá)工件，焦斑直徑0.32mm，波長1060nm。焊接試驗(yàn)采用平板對接。焊接過程中工件靜止，由機(jī)械手帶動激光頭相對運(yùn)動來實(shí)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(yīng)力的測定

采用LXRD殘余應(yīng)力測試儀測定試件1和試件2的殘余應(yīng)力。由于件板表面存在氧化膜等雜質(zhì)，射線容易被這些雜志吸收或散射，使得測量結(jié)果不能反映試件表面真實(shí)的應(yīng)力狀況。因此，殘余應(yīng)力測試前對試板進(jìn)行酸洗以去除表面的附加應(yīng)力層。分別測試沿著焊縫方向殘余應(yīng)力和垂直于焊縫方向殘余應(yīng)力，即測量焊接接頭縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力。每個(gè)測量點(diǎn)測量2個(gè)方向的殘余應(yīng)力X方向σX和Y方向σY，測試點(diǎn)位置如圖1所示。具體的，縱向殘余應(yīng)力測試點(diǎn)均勻分布，依次間隔10mm取1個(gè)測量點(diǎn)，共取29個(gè)測量點(diǎn)。橫向殘余應(yīng)力測量點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，只測量了焊縫一側(cè)的殘余應(yīng)力值，測量點(diǎn)距焊縫中心的距離逐步增大，在焊縫附近間距小，遠(yuǎn)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(diǎn)位置示意圖Fig.1 Measurement points on laser welded joint

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 TC4鈦合金激光焊殘余應(yīng)力

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

圖3 激光焊橫向殘余應(yīng)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(yīng)力

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

圖4 激光修飾焊縱向殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)力的影響

激光修飾焊可以略微降低焊縫縱向殘余應(yīng)力的波動幅度，但對改善焊縫的縱向殘余應(yīng)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(yīng)力，X方向上的最大殘余壓應(yīng)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(cè)的8mm范圍內(nèi)，應(yīng)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(gòu)件，較高的殘余應(yīng)力值將會降低接頭的疲勞強(qiáng)度和腐蝕抗力，并且較高的殘余壓應(yīng)力值也會減小結(jié)構(gòu)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(gòu)件的疲勞強(qiáng)度壽命及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。激光修飾焊可以降低殘余應(yīng)力峰值和使殘余應(yīng)力分布均勻的可能原因是在激光修飾焊時(shí)，增大了離焦量（?f=80mm），采用激光熱導(dǎo)焊接模式，修飾焊接加熱寬度增大，從而使焊縫的溫度場擴(kuò)大且均勻，由于焊接殘余應(yīng)力的自平衡理論[9]，最終使得殘余應(yīng)力值峰值降低且呈均勻分布。

4 結(jié)論

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

（2）激光修飾焊對TC4鈦合金激光焊的縱向殘余應(yīng)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(yīng)力的峰值，并使得其距離焊縫兩側(cè)約8mm范圍內(nèi)的橫向殘余應(yīng)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(yīng)而產(chǎn)生的殘余應(yīng)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(yīng)用激光 , 2010,30(5)：374-377.

[2]雷玉成,李振南,朱延山,等. CLAM鋼激光焊T形接頭殘余應(yīng)力及硬度分析.焊接學(xué)報(bào), 2012,33(6)：73-76.

[3]Stone H J . Comparison of three different techniques for measuring the residual stresses in an electron beam-welded plate of WASPALOY. Metallurgical and Materials TransactionsA.1999,V3OA(7)：17 97-1808.

[4]張銘,何家文.絲織構(gòu)對薄膜X射線殘余應(yīng)力分析的影響.機(jī)械工程材料, 2001,25(5)：21-24.

[5]柳銘,宋瑞宏,孔德軍.用X射線應(yīng)力儀測量凸輪軸表面激光淬火相變層的殘余應(yīng)力.機(jī)械工程材料, 2007,31(7)：28-31.

[6]徐傳超.X射線法與應(yīng)變片法表征殘余應(yīng)力的定量關(guān)系研究.江蘇鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué), 2011.

[7]張持重,李冬梅,龐紹平,等.采用X射線法測算金屬材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的研究.吉林化工學(xué)報(bào), 2001,18(4)：73-75.

[8]梁旭坤,袁海洋,胡永會. 鋁合金厚板表面邊緣應(yīng)力釋放的實(shí)驗(yàn)研究. 熱加工工藝, 2012,41(6)：181-183.

[9]唐慕堯.焊接測試技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1988.