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鈦合金是重要的航空材料之一，熔焊方法有TIG焊接、電子束焊接和激光焊接等。而TIG焊接和激光焊接憑借眾多優(yōu)點(diǎn)，成為鈦合金焊接的*選方法。鈦合金材料在焊接過程中由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入和隨后的快速冷卻，必會(huì)在焊接工件上產(chǎn)生殘余應(yīng)力。即使是能量集中，焊接速度快的激光焊接仍存在焊接殘余應(yīng)力。由于殘余應(yīng)力可能引起脆性斷裂、疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕破壞，因此對(duì)鈦合金焊接殘余應(yīng)力的研究顯得尤為重要。本文就是采用盲孔法對(duì)鈦合金板激光焊和TIG焊進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)研究，分析焊接方法及焊接熱輸入和焊后熱處理對(duì)殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響。

試驗(yàn)方法和使用儀器

試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，采用聚航科技生產(chǎn)的JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀、JHZK鉆孔裝置以及相應(yīng)膠水貼片。鉆孔停止后，每隔5min記錄一次應(yīng)變儀讀數(shù)，待讀數(shù)穩(wěn)定后，取幾次數(shù)據(jù)的平均值作為測(cè)試結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

BT20鈦合金TIG

采用焊接電流為180A，電壓為12V，焊接速度為0.2m/min焊接BT20鈦合金。焊接殘余應(yīng)力在焊縫兩側(cè)30mm以內(nèi)，其分布比較有規(guī)律，離焊縫5.3mm處縱向殘余應(yīng)力達(dá)到300MPa，在離焊縫中心約10mm處出現(xiàn)壓應(yīng)力。

根據(jù)BT20鈦合金TIG焊接后經(jīng)熱處理的殘余應(yīng)力分布圖可看出，熱處理能顯著降低焊接殘余應(yīng)力，在離焊縫中心5.3mm處，拉應(yīng)力從300MPa減小到26MPa，而且殘余應(yīng)力分布也趨于平緩。

CO₂激光焊殘余應(yīng)力

TC4鈦合金CO₂激光焊殘余應(yīng)力

采用p=1.6KW，V=1.3mm/min焊接，焊接后殘余應(yīng)力在距焊縫中心約15mm以內(nèi)，其分布較有規(guī)律，在此范圍外，殘余應(yīng)力分布較散亂。在距焊縫中心約3mm處縱向殘余應(yīng)力達(dá)226MPa，在約3.5mm處出現(xiàn)壓應(yīng)力，因此激光焊的殘余應(yīng)力分布比較陡。

CO₂激光焊接后熱處理降低了焊接殘余應(yīng)力，使殘余應(yīng)力值在100MPa以內(nèi)，而且分布趨勢(shì)緩和。

BT20鈦合金CO₂激光焊殘余應(yīng)力

采用p=1.7KW，v=0.9m/min焊接，在離焊縫中心約3.7mm處縱向殘余拉應(yīng)力達(dá)280MPa，在約9mm處出現(xiàn)壓應(yīng)力，距焊縫中心約23mm以內(nèi)，應(yīng)力分布較有規(guī)律。焊后熱處理殘余應(yīng)力降低，分布平緩。

焊接方法和焊接熱輸入對(duì)殘余應(yīng)力的影響

通過對(duì)TIC焊、CO₂激光焊的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，可以看出激光焊的熱影響區(qū)比TIG焊的約窄10mm；在距焊縫中心同樣距離處，其殘余拉應(yīng)力值也比TIG焊的低約100MPa，而殘余壓應(yīng)力相差相對(duì)較小。

TC4鈦合金用熱輸入73.8KJ/m（p=1.6KW，v=1.3m/min）、BT20鈦合金用熱輸入113.3KJ/m（p=1.7KW，v=0.9m/min)的CO₂激光焊焊接，由于熱輸入不同，在距焊縫相同距離處，其殘余應(yīng)力大小不同，二者的熱影響區(qū)寬度也不同。在熱影響區(qū)，熱輸入越大，殘余應(yīng)力值相對(duì)較大，熱影響區(qū)相對(duì)較寬。

結(jié)論

1. 由于激光焊接能量集中，因此，與TIG焊相比，其熱影響區(qū)與焊接變形都比較小；同樣地，通過對(duì)激光焊接和TIG焊接殘余應(yīng)力分布的比較可以發(fā)現(xiàn)：在熱影響區(qū)，激光焊接的殘余應(yīng)力比常規(guī)焊接方法低，拉應(yīng)力區(qū)也比較窄。

2. 無論是鈦合金的TIG焊還是激光焊，焊接后熱處理均顯著的降低了焊接殘余應(yīng)力，并且使殘余應(yīng)力分布趨向均勻。

3. 在TIG焊接和激光焊接試件上，焊縫兩側(cè)一定區(qū)域（對(duì)于TIG焊，約30mm，對(duì)于激光焊，約為15-20mm）之內(nèi)殘余應(yīng)力分布較有規(guī)律，而在該區(qū)域以外，應(yīng)力分布比較散亂，這是由于離焊縫遠(yuǎn)處殘余應(yīng)力比較小，受干擾因素的影響較大，尤其是工件焊接前存在的原始加工應(yīng)力的干擾。