熱變形對(duì)TC4氬弧拼焊板拉伸與疲勞性能的影響

姚 剛，黃 銳，李光俊，閆亮亮，曾慶軍，童國(guó)權(quán)

（1.中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都610092；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016）

隨著飛行器的技術(shù)性能向著高空、高速方向發(fā)展，對(duì)所使用材料的強(qiáng)度、耐熱性等要求也越來(lái)越高[1]。傳統(tǒng)的鋁合金材料往往難以滿足新型高速飛行器使用的需要，更多的鈦合金板料被應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)件以及壁板類零件的制造中來(lái)[2-3]。由于飛機(jī)零件特別是機(jī)翼等部位的鈑金零件尺寸很大，而鈦合金板料的軋制寬度有限，因此大型鈦合金鈑金零件往往需要拼焊。目前航空工業(yè)中大型鈦合金鈑金零件一般是在零件上設(shè)計(jì)工藝分離面，分別成形鈦合金零件的局部，最后利用專用焊接夾具進(jìn)行焊接得到整個(gè)零部件[4]。但焊接變形和殘余內(nèi)應(yīng)力將會(huì)影響零件質(zhì)量和使用壽命。如果將原始鈦合金板料進(jìn)行拼焊，采用通用焊接夾具就可以得到大型零部件要求的毛坯尺寸，再進(jìn)行整體成形，不僅可以降低制造成本、縮短制造周期，而且可以提高零部件制造精度和制造質(zhì)量。鈦合金板料，特別是TC4，室溫成形性能很差，一般需要熱成形或者超塑成形。以前，由于熱成形機(jī)床尺寸的限制，這種方法難以應(yīng)用。而目前各航空企業(yè)相繼購(gòu)置了大臺(tái)面熱成形機(jī)床，已經(jīng)具備了成形大型零件的條件。航空零件的要求非常嚴(yán)格，拼焊板零件不僅要能夠成形，而且必須確保成形后焊縫的性能滿足要求，確保熱成形后的鈦合金零件能夠達(dá)到航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不少學(xué)者分別對(duì)激光焊接、電子束焊接的TC4鈦合金板料進(jìn)行了拉伸與疲勞試驗(yàn)[5-8]，但拼焊板熱變形之后材料的性能研究目前尚未見報(bào)道。本文利用氬弧焊拼焊了TC4板料，研究了熱等雙拉變形后TC4拼焊板的拉伸與疲勞性能。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用厚度為1.5mm的鈦合金TC4-M薄板，化學(xué)成分如表1所示。對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行TIG焊接，焊絲采用與母材相同的TC4材料，焊接過(guò)程按照航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB/Z120-87進(jìn)行。拼焊之后的板料首先在顯微鏡下進(jìn)行焊縫檢查，保證無(wú)氣孔裂紋等缺陷，然后進(jìn)行熒光滲透檢驗(yàn)，保證焊縫符合航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)焊縫要求。試驗(yàn)前將焊縫打磨平整，確保焊縫與母材厚度一致。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2 拼焊板熱成形

采用圖1所示的模具進(jìn)行（準(zhǔn)）等雙拉成形，在凸模上由外向內(nèi)設(shè)置A、B、C三道拉延筋，拉延筋用GH2132單獨(dú)制造，可以拆卸調(diào)換。板料在不同高度的拉延筋的壓制下可以得到不同的變形量。在模具溫度700℃下，放入TC4 TIG拼焊板毛坯并保溫3min，壓制成形，保溫保壓15min后取件出模。預(yù)先確定TC4板材的主應(yīng)變?chǔ)?，通過(guò)有限元分析獲得拉延筋高度并制造模具。最后，根據(jù)成形試驗(yàn)結(jié)果得到拉延筋高度與主應(yīng)變的關(guān)系如表2所示。實(shí)際制造的等雙向拉伸模具如圖2所示。

圖1 熱成形用模具示意圖Fig.1 Schematic diagram of hot forming die

表2 拉延筋高度設(shè)計(jì)

圖2 等雙向拉伸模具Fig.2 Photo of equibiaxial tensile die

通過(guò)對(duì)成形后的板料底部的應(yīng)變值進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，結(jié)果顯示，板料底部焊縫兩側(cè)100mm范圍內(nèi)變形接近等雙向拉伸變形，且變形均勻。成形后的鈦合金板料經(jīng)過(guò)堿崩去除表面的氧化皮，最后得到的實(shí)物如圖3所示。

圖3 熱變形后的氬弧拼焊板Fig.3 TIG tailor welded blank after hot equibiaxial tension

1.3 拉伸與疲勞試驗(yàn)

從未成形和等雙拉變形后的拼焊板上切割拉伸和疲勞試樣，保證焊縫位于試樣中間位置，其尺寸（mm）和形狀如圖4所示。

圖4 拉伸和疲勞試樣Fig.4 Tensile and fatigue samples

對(duì)所用TC4板料母材，拼焊板以及3個(gè)變形量后的拼焊板分別在室溫下進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。單向拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228-87《金屬拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，疲勞試驗(yàn)按照GB/T 305-1982《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行。疲勞載荷為三角波循環(huán)載荷，應(yīng)力比R=0.1，最大應(yīng)力水平分別為母材靜載強(qiáng)度的65%、75%和85%，試驗(yàn)頻率為88Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

TC4母材和拼焊板（準(zhǔn)）等雙拉前后焊接接頭的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖可知：室溫下，TIG拼焊板試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均略低于母材。這是由于焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度減弱所造成的。所有拉伸試樣的斷裂位置均位于焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)，證明了熱影響區(qū)強(qiáng)度低于母材和焊縫。圖5還表明，經(jīng)過(guò)熱變形的拼焊板試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度又均略低于未變形拼焊板。這是由于熱變形過(guò)程中，在拉伸應(yīng)力和成形溫度的雙重作用下，降低了焊接內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致熱變形焊接接頭強(qiáng)度比未變形拼焊板有所降低。

圖5 等雙拉變形對(duì)TC4 TIG拼焊板拉伸性能的影響Fig.5 Influence of equibiaxial tensile deformation on tensile performance of TC4 TIG tailor welded blank

拼焊板延伸率下降的趨勢(shì)較抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度更為明顯。熱等雙拉變形量越大，TC4 TIG拼焊板的延伸率越低。未變形拼焊板試樣的延伸率約為母材的86%，而經(jīng)過(guò)ε1=2.7%等雙拉變形的拼焊板試樣其延伸率僅為母材的70%。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，熱影響區(qū)相對(duì)于焊縫和母材塑性是弱區(qū)，變形基本局限于熱影響區(qū)，表現(xiàn)為TC4 TIG拼焊板的塑性明顯低于母材。但是，經(jīng)過(guò)ε1=1.6%熱等雙拉變形的拼焊板試樣，其延伸率大于10%，說(shuō)明熱變形后的TC4 TIG拼焊板仍然具有比較良好的塑性。

2.2 疲勞壽命統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果采用式（1）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用最小二乘法回歸計(jì)算S-N曲線中指數(shù)m和常數(shù)C的值[9]。

回歸計(jì)算結(jié)果如表3所示，并以此繪出了母材和（準(zhǔn)）等雙拉變形前后拼焊板接頭的S-N曲線，如圖6所示。

表3 指數(shù)m和常數(shù)C的回歸計(jì)算結(jié)果

由表3和圖6可知，拼焊板接頭的疲勞壽命在每個(gè)試驗(yàn)應(yīng)力水平下均低于母材，（準(zhǔn)）等雙拉后拼焊板接頭疲勞壽命高于未變形拼焊板。其原因可能是：疲勞壽命包含裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命，由于TIG拼焊板接頭顯著的非均質(zhì)性，某些局部區(qū)域應(yīng)變集中嚴(yán)重，過(guò)早產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而發(fā)展成為疲勞微裂紋，裂紋萌生壽命降低，致使拼焊板疲勞壽命低于母材。而（準(zhǔn)）等雙拉變形后的拼焊板由于經(jīng)過(guò)熱成形，這對(duì)于焊縫處相當(dāng)于去應(yīng)力退火處理，所以（準(zhǔn)）等雙拉變形后的拼焊板疲勞性能要優(yōu)于未變形的拼焊板。

圖6 TC4母材與（準(zhǔn)）等雙拉變形前后拼焊板接頭的S-N曲線Fig.6 S-N curves of TC4 base metal and TIG tailor welded joints

對(duì)于大型鈦合金鈑金零件，如果采用先成形再拼焊工藝路線，由于拼焊后的成形零部件不可能進(jìn)行去應(yīng)力退火，否則將產(chǎn)生翹曲變形導(dǎo)致鈑金零件報(bào)廢。因此，就保證大型TC4鈑金零件的疲勞性能和降低制造成本而言，先焊接然后再進(jìn)行熱成形的工藝路線具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）TC4 TIG拼焊板熱影響區(qū)的強(qiáng)度在熱等雙拉變形前后均低于母材和焊縫。熱等雙拉后，TC4 TIG拼焊板的強(qiáng)度略有下降、延伸率下降明顯。

（2）在各試驗(yàn)應(yīng)力水平下，TC4 TIG拼焊板接頭的疲勞壽命均低于母材。熱等雙拉變形后，拼焊板的疲勞壽命較未變形拼焊板有較大提高。

（3）熱等雙拉變形后，TIG TC4拼焊板的室溫強(qiáng)度和延伸率降低較小，而疲勞強(qiáng)度有所增加。這表明先拼焊再熱成形的工藝路線具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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