盲孔法对钛合金板激光焊和TIG焊残余应力检测

钛合金是重要的航空材料之一,熔焊方法有TIG焊接、电子束焊接和激光焊接等。而TIG焊接和激光焊接凭借众多优点,成为钛合金焊接的首选方法。钛合金材料在焊接过程中由于高度集中的瞬时热输入和随后的快速冷却,必会在焊接工件上产生残余应力。即使是能量集中,焊接速度快的激光焊接仍存在焊接残余应力。由于残余应力可能引起脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀破坏,因此对钛合金焊接残余应力的研究显得尤为重要。本文就是采用盲孔法对钛合金板激光焊和TIG焊进行残余应力检测研究,分析焊接方法及焊接热输入和焊后热处理对残余应力分布规律的影响。

试验方法和使用仪器

试验在常温下进行,采用聚航科技生产的JHYC静态应变仪、JHZK钻孔装置以及相应胶水贴片。钻孔停止后,每隔5min记录一次应变仪读数,待读数稳定后,取几次数据的平均值作为测试结果。

试验结果及分析

BT20钛合金TIG

采用焊接电流为180A,电压为12V,焊接速度为0.2m/min焊接BT20钛合金。焊接残余应力在焊缝两侧30mm以内,其分布比较有规律,离焊缝5.3mm处纵向残余应力达到300MPa,在离焊缝中心约10mm处出现压应力。

根据BT20钛合金TIG焊接后经热处理的残余应力分布图可看出,热处理能显著降低焊接残余应力,在离焊缝中心5.3mm处,拉应力从300MPa减小到26MPa,而且残余应力分布也趋于平缓。

CO2激光焊残余应力

TC4钛合金CO2激光焊残余应力

采用p=1.6KW,V=1.3mm/min焊接,焊接后残余应力在距焊缝中心约15mm以内,其分布较有规律,在此范围外,残余应力分布较散乱。在距焊缝中心约3mm处纵向残余应力达226MPa,在约3.5mm处出现压应力,因此激光焊的残余应力分布比较陡。

CO2激光焊接后热处理降低了焊接残余应力,使残余应力值在100MPa以内,而且分布趋势缓和。

BT20钛合金CO2激光焊残余应力

采用p=1.7KW,v=0.9m/min焊接,在离焊缝中心约3.7mm处纵向残余拉应力达280MPa,在约9mm处出现压应力,距焊缝中心约23mm以内,应力分布较有规律。焊后热处理残余应力降低,分布平缓。

焊接方法和焊接热输入对残余应力的影响

通过对TIC焊、CO2激光焊的焊接残余应力进行对比,可以看出激光焊的热影响区比TIG焊的约窄10mm;在距焊缝中心同样距离处,其残余拉应力值也比TIG焊的低约100MPa,而残余压应力相差相对较小。

TC4钛合金用热输入73.8KJ/m(p=1.6KW,v=1.3m/min)、BT20钛合金用热输入113.3KJ/m(p=1.7KW,v=0.9m/min)的CO2激光焊焊接,由于热输入不同,在距焊缝相同距离处,其残余应力大小不同,二者的热影响区宽度也不同。在热影响区,热输入越大,残余应力值相对较大,热影响区相对较宽。

结论

1.由于激光焊接能量集中,因此,与TIG焊相比,其热影响区与焊接变形都比较小;同样地,通过对激光焊接和TIG焊接残余应力分布的比较可以发现：在热影响区,激光焊接的残余应力比常规焊接方法低,拉应力区也比较窄。

2.无论是钛合金的TIG焊还是激光焊,焊接后热处理均显著的降低了焊接残余应力,并且使残余应力分布趋向均匀。

3.在TIG焊接和激光焊接试件上,焊缝两侧一定区域(对于TIG焊,约30mm,对于激光焊,约为15-20mm)之内残余应力分布较有规律,而在该区域以外,应力分布比较散乱,这是由于离焊缝远处残余应力比较小,受干扰因素的影响较大,尤其是工件焊接前存在的原始加工应力的干扰。