基于紅外熱成像的TC4鈦合金光纖激光焊接接頭拉伸力學(xué)性能研究

彭 歡，段愛琴，杜學(xué)銘

（1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070；2. 中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕、耐高溫等優(yōu)異的綜合性能，光纖激光器是高速、大熔深焊接最適當(dāng)?shù)臒嵩粗籟1]。鈦合金多用于航空航天構(gòu)件，光纖激光焊接是其常用連接方式之一[2]。紅外熱成像技術(shù)通過紅外熱像儀可以將接收到的紅外波段的熱輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，圖像中的每一個(gè)點(diǎn)的灰度值與被測物體上該點(diǎn)發(fā)出并到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件的輻射能量相對應(yīng)[3]。在常規(guī)靜力拉伸試驗(yàn)中附加紅外熱像測量溫度場變化在國內(nèi)外已有一些研究。楊宏偉[4]借助紅外熱成像技術(shù)觀測到了材料受到軸向拉伸應(yīng)力時(shí)溫度變化的兩個(gè)階段，即彈性階段溫度下降，塑性階段溫度上升，吳廣賀[5]將根據(jù)熱彈性效應(yīng)理論計(jì)算得到的理論值與采用紅外熱像法記錄的實(shí)際值相比，發(fā)現(xiàn)誤差在7%，Liu[6]則通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析試件表面顏色及熱點(diǎn)區(qū)域的變化對試件損傷演變進(jìn)行了直觀準(zhǔn)確的預(yù)測。

本文采用FLIR SC7000紅外熱像儀對鈦合金TC4及其光纖激光焊接接頭的拉伸過程進(jìn)行拍攝，分析試樣溫度的演變過程，直觀地探究TC4母材及其光纖激光焊接接頭拉伸過程中的彈塑性變形，基于紅外熱像研究鈦合金TC4及其光纖激光焊接接頭受靜載軸向應(yīng)力時(shí)的拉伸性能，其拉伸過程彈性階段表現(xiàn)出的應(yīng)力集中現(xiàn)象可用于無損探測構(gòu)件在受力狀態(tài)下的應(yīng)力集中位置，進(jìn)行失效預(yù)測及預(yù)防；在屈服點(diǎn)前發(fā)生的微觀塑性變形可用于適當(dāng)修正構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用條件下避免屈服的最大應(yīng)力；而在塑性變形階段的劇烈變形區(qū)域長度可與焊接工藝相結(jié)合以尋找恰當(dāng)方式增加接頭的劇烈變形區(qū)域長度，提升接頭的塑性。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選用2.5mm厚TC4鈦合金板材（GJB 2505-1995 M/退火態(tài)）。選用工業(yè)用純Ar作為保護(hù)氣，鈦合金溫度被加熱到250℃以上易于吸收空氣中的氫、氧、氮而影響焊縫的成形質(zhì)量和性能，因而鈦合金激光焊接需要對焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)[7]。激光器采用IPG公司生產(chǎn)的YLS-5000光纖激光器，激光束采用光纖傳輸。焊后對母材和接頭按北京材料研究院標(biāo)準(zhǔn)《金屬力學(xué)性能試樣圖冊》制取拉伸試樣，試樣尺寸如圖1所示。

分別在Z100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2mm/min,同時(shí)在拉伸試驗(yàn)過程中使用SC7000中波紅外熱像儀進(jìn)行紅外熱像監(jiān)測，將紅外熱像儀置于試樣正前方，拉伸試驗(yàn)機(jī)底座距離紅外熱像儀前沿的距離為294mm，紅外熱像儀高度為840mm，選取50mm定焦鏡頭，標(biāo)定曲線溫度測量范圍為-20～150℃，幀頻為50Hz，畫面尺寸為全幅640mm×512mm，視場范圍為90mm×45mm。室溫為25.4℃，相對濕度為60.8%。在裝夾拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)試樣之前，使用干石墨噴劑均勻地噴涂在試樣表面，以提高材料的輻射率，使測溫更加準(zhǔn)確。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

選取優(yōu)化的光纖激光焊接參數(shù)對2.5mm厚TC4試件進(jìn)行對接焊，選取母材和經(jīng)過X光檢測無明顯氣孔缺陷焊接接頭樣本各3個(gè)，并將接頭試樣的余高及咬邊磨平進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行全過程的紅外熱像記錄。其接頭與母材的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的均值為1011MPa，3個(gè)母材樣本的均值為1043MPa，接頭抗拉強(qiáng)度均值約為母材的97%；再看其屈服強(qiáng)度，接頭的均值為887MPa，母材的均值為895MPa，二者基本相當(dāng)；但從表1中可以發(fā)現(xiàn)，接頭和母材的延伸率存在差異，接頭延伸率均值為8%，而母材的均值為14%，接頭延伸率均值僅相當(dāng)于母材的57.14%。接頭的強(qiáng)度略低于母材，但塑性明顯低于母材，母材具有更好的抵抗塑性變形的能力，這種現(xiàn)象主要是由接頭的組織不均勻性所造成的[8]。

通過同步記錄的拉伸過程紅外熱像來進(jìn)一步分析母材和焊接接頭在連續(xù)加載過程中的溫度場分布變化。根據(jù)彈塑性理論[9]，靜載拉伸過程中，材料在單調(diào)拉伸載荷作用下發(fā)生彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，外界施加的機(jī)械能從而轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能和塑性應(yīng)變能。在彈性應(yīng)變時(shí)，材料所受應(yīng)力與其溫度變化遵循熱彈性理論：

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of tensile test sample

式中，?T代表熱彈性效應(yīng)帶來的溫度變化，T代表絕對溫度，α代表材料的線膨脹系數(shù)，ρ代表材料密度，Cp代表材料等壓比熱容，?σ代表彈性應(yīng)力的變化。

為了消除環(huán)境溫度對試樣的影響，本文的溫度場表征值都處理為溫度差值，可以看出試樣溫差隨加載力的增加而減小。但在塑性應(yīng)變時(shí)，塑性變形越劇烈，產(chǎn)生的熱量越多，其在紅外熱像上的表現(xiàn)為溫度上升[10]。因此在彈性階段試樣在所選區(qū)域內(nèi)溫差最大值點(diǎn)代表應(yīng)力最大的點(diǎn)，發(fā)生塑性變形后溫差最大值點(diǎn)代表塑性變形最劇烈的點(diǎn)。選取典型接頭樣本1-1及典型母材樣本2-1作為詳細(xì)研究對象，選取試樣平行段沿中心在長度方向各延伸20mm區(qū)域的紅外熱像作為研究區(qū)域（如圖2所示）。

表1 TC4光纖激光焊接接頭及母材拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

首先，通過所選擇的試樣平行段所有點(diǎn)的溫差均值隨應(yīng)變的變化來分析接頭和母材的溫度變化規(guī)律。圖3為接頭與母材載荷-應(yīng)變和溫差均值的對比曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載荷低于屈服強(qiáng)度對應(yīng)載荷時(shí)，接頭與母材的溫差都表現(xiàn)為連續(xù)下降趨勢，而當(dāng)載荷大于屈服強(qiáng)度對應(yīng)載荷時(shí)，溫差會(huì)在很小的應(yīng)變內(nèi)保持下降的趨勢，直到載荷分別到34742N和33221N，大于屈服強(qiáng)度對應(yīng)載荷的0.71%和0.33%，溫差達(dá)到最低點(diǎn)隨后開始上升，隨應(yīng)變量的增加，試樣溫差劇烈升高，表現(xiàn)為明顯的塑性變形。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是塑性變形初期產(chǎn)生的熱量要小于彈性變形吸收的熱量，因此試樣整體溫差表現(xiàn)為下降，當(dāng)塑性變形進(jìn)行到一定程度時(shí)，塑性變形產(chǎn)生大量的熱量，遠(yuǎn)大于彈性變形吸收的熱量，因此試樣整體溫差回升。

圖4（a）、（b）分別為接頭和母材在不同載荷下該區(qū)域溫度場分布圖。而圖5（a）、（b）則分別為接頭和母材同樣區(qū)域溫差最大值、最小值及均值與所對應(yīng)的載荷隨加載時(shí)間的變化曲線。結(jié)合圖4和圖5發(fā)現(xiàn)：

圖2 紅外熱像區(qū)域選取Fig.2 Infrared thermal imaging region selection

圖3 接頭與母材載荷-應(yīng)變和溫差均值對比Fig.3 Comparison of load-strain and mean temperature difference value of the joint and the base material

圖4 接頭和母材在受不同載荷時(shí)的溫度場分布Fig.4 Temperature field distribution of joints and base metal under different loads

圖5 接頭和母材拉伸過程中載荷-時(shí)間及溫差-時(shí)間變化曲線Fig.5 Evolution of load and temperature difference of joint and base metal with time

（1）當(dāng)載荷F=25kN，低于屈服強(qiáng)度對應(yīng)載荷，試樣所受應(yīng)力為667MPa，在所取區(qū)域內(nèi)選取溫差最小值和均值對比，并通過公式（1）轉(zhuǎn)換為應(yīng)力，可以發(fā)現(xiàn)接頭在所取區(qū)域內(nèi)溫差最小值點(diǎn)距離試樣中心2.23mm，位于焊縫熱影響區(qū)，溫差為-1.06℃，應(yīng)力為845MPa，均值為-0.71℃，應(yīng)力為586MPa，溫差最小值點(diǎn)與均值的溫差偏差為0.35℃，應(yīng)力偏差為249MPa；而母材在所取區(qū)域內(nèi)選取溫差最小值點(diǎn)距試樣中心4.96mm，溫差為-0.98℃，應(yīng)力為809MPa；均值為-0.75℃，應(yīng)力為619MPa，溫差最小值點(diǎn)與均值的溫差偏差為0.23℃，應(yīng)力偏差為180MPa；由于材料及接頭內(nèi)部組織不均勻，在受到軸向載荷時(shí)，材料內(nèi)部各點(diǎn)受力存在差異。從同步記錄的紅外熱像結(jié)果上看母材和接頭在彈性階段溫差最小值點(diǎn)與均值的應(yīng)力存在偏差，且接頭的偏差為母材的1.3倍，表明接頭熱影響區(qū)的組織不均勻性造成了接頭在該部位較大的應(yīng)力集中。另外，溫差最小值點(diǎn)雖然溫度低，但仍呈下降趨勢，因此接頭和母材并無塑性變形的趨勢，這一結(jié)果表明，在此載荷下，接頭在熱影響區(qū)部位會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，但母材和接頭均未產(chǎn)生明顯的塑性應(yīng)變。

（2）當(dāng)接頭和母材所加載荷分別為34497N和33112N時(shí)，等于屈服強(qiáng)度對應(yīng)載荷，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)接頭在所選區(qū)域內(nèi)的溫差最大值點(diǎn)距離試樣中心1.28mm，溫差為-0.44℃，而均值在此時(shí)達(dá)到-0.87℃；母材在所選區(qū)域內(nèi)的溫差最大值點(diǎn)距試樣中心5.18mm，溫差為-0.1℃，而均值在此時(shí)達(dá)到-1.04℃。進(jìn)一步選取接頭和母材在所選區(qū)域內(nèi)的溫差最大值點(diǎn)在屈服點(diǎn)前后的溫度變化進(jìn)行分析，并與所選區(qū)域溫差均值變化對比；圖6（a）、（b）為接頭和母材在所選區(qū)域內(nèi)的溫差最大值點(diǎn)在屈服點(diǎn)前后的溫差變化與所選區(qū)域溫差均值對比。可以發(fā)現(xiàn)，接頭和母材在所選區(qū)域內(nèi)的溫差最大值點(diǎn)的溫差在宏觀屈服點(diǎn)之前已經(jīng)開始回升，而試樣溫差均值均表現(xiàn)為下降，說明在試樣發(fā)生宏觀屈服以前已經(jīng)有個(gè)別位置發(fā)生了微觀塑性變形。

（3）當(dāng)接頭和母材所加載荷分別為38230N和38536N時(shí)，等于抗拉強(qiáng)度對應(yīng)載荷，此時(shí)兩種試樣都處于塑性變形階段，接頭和母材試樣的溫度劇烈升高，且在試樣中部出現(xiàn)高溫區(qū)域，對于接頭和母材試樣在寬度方向溫度的分布較為均勻，但在長度方向上變化很大。如圖7所示，進(jìn)一步選取試樣所受載荷到達(dá)抗拉強(qiáng)度時(shí)沿寬度方向距中心線±5mm的特征線的溫差分布進(jìn)行詳細(xì)分析，圖8為接頭和母材特征線溫差分布對比，可以看出接頭沿軸線方向的溫差分布均勻，以焊縫區(qū)域?yàn)橹行膶ΨQ分布，以所選區(qū)域左邊界為長度方向的原點(diǎn)時(shí)，在14.15～21.15mm范圍內(nèi)即焊縫區(qū)域溫差在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，在曲線上出現(xiàn)了“平臺(tái)”區(qū)域。而母材沿軸線方向的溫差分布極為均勻，以試樣中心成對稱分布，溫差在6.76～25.23mm這段很寬的范圍內(nèi)的溫差在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，在曲線上出現(xiàn)了明顯的“平臺(tái)”區(qū)域?！捌脚_(tái)”區(qū)域的出現(xiàn)代表試樣塑性變形最劇烈的區(qū)域集中在該區(qū)域，該區(qū)域的長度（沿試樣長度方向）也是影響母材及其焊接接頭塑性的主要因素。接頭的平臺(tái)區(qū)域長度只達(dá)到母材的35%，說明光纖激光焊接工藝會(huì)使TC4鈦合金在受到靜載軸向拉伸應(yīng)力時(shí)溫度上升劇烈區(qū)域集中在接頭焊縫部位。另外，母材的總體溫差要高于接頭。進(jìn)一步選取該區(qū)域附近的更多圖像進(jìn)行研究。圖9（a）、（b）為接頭和母材在塑性階段溫度場變化連續(xù)圖像，圖10（a）、（b）為接頭和母材“平臺(tái)”區(qū)域長度（沿試樣軸線方向）隨加載時(shí)間的變化曲線，結(jié)合圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，相對于母材，接頭發(fā)生劇烈塑性變形區(qū)域的長度大為減小，且接頭和母材“平臺(tái)”區(qū)域的長度隨時(shí)間的增加而增加。

圖6 溫差最大值點(diǎn)在屈服點(diǎn)前后的溫差變化與所選區(qū)域溫差均值對比Fig.6 Temperature change of maximum temperature point around yield point compared with mean temperature of selected area

圖7 特征線選區(qū)Fig.7 Feature line selection

圖8 接頭和母材特征線溫差分布對比Fig.8 Comparison of figure line temperature distribution of joint and base metal

圖9 溫度場變化連續(xù)圖像Fig.9 Continuous image of temperature field

圖10 “平臺(tái)”區(qū)域長度隨加載時(shí)間的變化Fig.10 Length variation of "Platform" region with time

3 結(jié)論

（1）拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明：TC4光纖激光焊接接頭與母材的強(qiáng)度相當(dāng)，但延伸率只達(dá)到母材的59.53%，且接頭拉伸力學(xué)性能指標(biāo)的分散性較大。

（2）紅外熱成像結(jié)果表明：當(dāng)母材和接頭受到的軸向載荷低于屈服強(qiáng)度對應(yīng)載荷時(shí)，接頭在熱影響區(qū)部位會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，但母材和接頭均未產(chǎn)生明顯的塑性應(yīng)變;當(dāng)載荷等于屈服強(qiáng)度對應(yīng)載荷時(shí)，均在宏觀屈服點(diǎn)之前發(fā)生了微觀的塑性變形；當(dāng)載荷等于抗拉強(qiáng)度對應(yīng)載荷時(shí)，接頭發(fā)生劇烈塑性變形區(qū)域的長度只達(dá)到母材的35%，且接頭與母材發(fā)生劇烈塑性變形區(qū)域的長度隨拉伸過程逐漸增加。

參 考 文 獻(xiàn)

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