超声冲击处理对钛合金焊接接头组织和性能的影响

　　宿月 陈芙蓉 张博友
　　摘要：采用光纤激光焊对TA15钛合金进行无间隙对接焊，选取6组不同的超声冲击处理时间对焊接接头显微组织、力学性能、晶粒尺寸、应力分布和粗糙度进行研究，确定较优的超声冲击处理时间。结果表明，当冲击电流为1.2 A、频率为20 kHz、冲击时间为75 min时，可获得30～50 μm厚的致密强化层，103.4 nm的晶粒尺寸，其粗糙度为34.13 μm。经过超声冲击处理后，减少了气孔、缩松等缺陷，使得拉应力转变为压应力，接头的应力集中得到极大地改善，对钛合金材料组织和性能的提高有积极的促进作用。
　　关键词：光纤激光焊;超声冲击处理;晶粒尺寸;应力分布
　　中图分类号：TG 453
　　Abstract：Nogap butt welding of TA15 titanium alloy by fiber laser welding， 6 different ultrasonic impact treatment times were selected to study the microstructure， mechanical properties， grain size and stress distribution of the welded joints， and the optimal ultrasonic impact treatment time was determined. The results show that when the impact current is 1.2 A， the frequency is 20 kHz， and the impact time is 75 min， a dense strengthening layer of 30-50 μm thickness， a grain size of 103.4 nm， and a roughness of 34.13 μm can be obtained. After ultrasonic impact treatment，the defects such as porosity and shrinkage porosity are reduced， and the tensile stress is transformed into compressive stress. The stress concentration of the welded joint is greatly improved， the hardness of the weld is increased and the distribution is relatively uniform， and microstructure and properties of titanium alloy are improved.
　　Key words：fiber laser welding; ultrasonic impact treatment; grain size; stress distribution
　　0 前言
　　钛合金作为耐高温、比强度高以及焊接性能、抗腐蚀性和韧性较好的轻质合金，已经在航空、航天及国防工业中得到广泛应用[1-2]。因此，在对钛合金焊接结构方面，提高钛合金焊接质量已经成为人们关注的重点[3]。TA15钛合金属于近α型钛合金，它既有α型钛合金良好的焊接性，又有β型钛合金的工艺塑性，主要用于制造飞机和发动机的承力结构件，尤其是焊接的承力结构件，并在严峻环境下的使用方面发挥了重要作用[4]。采用的焊接结构具有重量轻、效率高、零件少、故障少和可靠性高的特点，可克服传统连接，如螺栓、榫头、榫槽连接在这些方面的不足。
　　光纤激光焊具有能量密度高、焊缝成形好、深宽比大、热影响区窄等特点，对焊接工况环境要求低，可在大气环境下焊接，易实现焊接工艺自动化，并且焊接过程中受到良好的保护易获得性能优良的焊接接头。而对于焊接接头而言，与大多数材料的失效相同，都是起始于接头的表面。焊接接头附近区域存在应力集中和焊接缺陷是导致疲劳断裂的主要原因[4]。因此，采取必要的焊后处理消除焊接接头的组织与性能的不均匀性是目前急需解决的关键问题。为了改善TA15钛合金焊接接头的性能，相继开发采用了如深层滚压、喷丸和激光冲击强化等工艺，但这些处理方法有一定的局限性。超声冲击处理方法是近年来国内外研究较多的一种改善焊接接头应力分布、提高疲劳性能的一种新方法[5-9]，该方法灵活方便、噪音小效率高、成本低、无污染，是一种较优的焊后处理方法，所以超声冲击处理TA15钛合金焊接接头很有研究的必要[10]。文中将焊接后的TA15钛合金进行不同时间的超声冲击处理，研究了超声冲击对接头的显微组织、力学性能、晶粒尺寸、残余应力分布以及粗糙度，优化超声冲击处理时间，为工业应用提供了理论与试验依据。
　　1 试验材料与方法
　　采用试样尺寸为200 mm×100 mm×3 mm的TA15钛合金板材，化学成分见表1。
　　由于板材表面会有氧化层和油污，焊前需要用化学方法清洗，焊接方式为无间隙对接焊，采用99.9%工业氩气作为保护气体，焊接工艺参数见表2。
　　将焊缝长度为200 mm的钛合金焊接试板放在工作平台上，选定6组不同的超声冲击处理时间，分别为15 min，30 min，45 min，60 min，75 min，90 min，沿着焊缝进行超声冲击处理。超声波的操作参数为：冲击电流1～1.2 A，振动频率20 kHz，振幅30 μm，采用6个3.0 mm冲击头，冲击方式为全覆盖冲击。冲击枪以均匀的速度沿着与焊缝垂直方向对每个焊接基材进行不同时间的超声冲击处理。
　　利用线切割加工取得焊缝区域的样品，经过抛光、腐蚀后，使用金相顯微镜观察不同超声冲击处理时间下焊缝区域的微观组织;采用显微硬度计对焊接接头进行硬度测试，进行3次试验，而后取3次试验的各个位置上的平均值，焊接接头的平均晶粒尺寸是通过XRD测试得到。采用共聚焦显微镜选取焊缝表面区域，通过构建三维形貌图，测量焊缝表面的粗糙度。接头的残余应力是通过LXRD实验室型残余应力仪测试得到，分别测试了沿着焊缝方向的纵向残余应力和垂直于焊缝方向的横向残余应力。如图1所示，测试点均匀分布，依次间隔0.5 mm取一个测试点。
　　2 试验结果与分析
　　2.1 超声冲击对焊接接头组织的影响
　　图2为未处理和不同超声冲击处理时间后钛合金焊接接头微观组织。图2a为未处理的钛合金焊接接头组织，未发现明显的分界线。由图2b～2d可以看出，均有细小柱状晶区的出现，而且在此晶区和母材之间有一定的分界线，如图中标出的线。随着超声冲击处理时间的增加，接头表面生成的强化层逐渐增加，其厚度约为15～50 μm之间，并且比较75 min与90 min时的强化层厚度发现变化很小，表明强化层厚度只是在一定的时间范围内随超声冲击处理时间增加而增大，超声冲击处理时间达到75 min时，强化层厚度达到最大值50 μm。经过超声冲击处理使得表面组织致密，由于在焊缝表面处发生了剧烈的塑性变形，晶粒的形状发生了明显变化，晶粒被压成条状纤维组织，且气孔、缩松等缺陷明显减少，因此焊缝组织更加致密。
　　2.2 超声冲击对焊接接头力学性能的影响
　　图3为不同超声冲击处理时间下焊接接头的力学性能。从图3可以看出，TA15钛合金接头的抗拉强度和屈服强度随着超声冲击处理时间增加而变大。在超声处理时间为90 min时达到抗拉强度最大值1 135 MPa，屈服强度最大值1 085 MPa，与未处理相比，分别增加了16.4%，11.3%;断后伸长率与未处理相比有所降低。这主要是因为超声冲击的作用使金属表层晶粒细化，细化后的晶粒与原始晶粒相比，相同体积内的细晶晶界增多，提高了接头的抗拉强度和屈服强度，使其不容易发生塑性变形，从而改善了焊接接头的力学性能。
　　图4为不同超声冲击处理时间下焊接接头的显微硬度曲线。由图4a可知，未处理的焊接接头整体上的显微硬度无明显的差异;超声冲击处理后表层硬度随着距表面距离的增大而减小，直至与未处理的焊接接头硬度保持一致。由图4b可知，未处理的焊接接头，越接近焊缝中心线，硬度越低，焊缝中心线的硬度大约为350 HV，母材的硬度大约为370 HV;而超声冲击处理后硬度曲线变缓，3个区域的显微硬度无明显差距。超声冲击后相较于未处理，接头显微硬度有明显的提升，平均提升了约14%，但不同超声冲击处理时间下的显微硬度变化却很小。经过超声冲击处理后，接头表面的组织较为致密，缺陷较少，使得焊缝区域的硬度明显提高，且焊接接头的硬度分布较为均匀。
　　2.3 超声冲击对焊接接头平均晶粒尺寸的影响
　　图5为不同超声冲击处理时间下的焊缝平均晶粒尺寸变化趋势。从图5可以看出，随着超声冲击处理时间增加，晶粒尺寸先减小后增大，在超声冲击处理时间为60 min时，取得平均晶粒尺寸最小值70.1 μm。在超声冲击处理时间为75 min时，晶粒尺寸有所增大，为103.4 nm。原因是超声冲击处理后，接头产生大量的剪切塑性变形使得大尺寸晶粒被＂位错分割＂转变为细小晶粒，而冲击到一定程度后，塑性变形不再增加，细小晶粒又开始重新变大。
　　2.4 超声冲击对焊接接头残余应力分布的影响
　　图6为不同超声冲击处理时间的残余应力的分布。从图6可以看出，随着超声冲击处理时间的增加，焊接接头的残余应力逐渐减小，存在的有害拉应力全部转变为有益的压应力。经过超声冲击处理后，焊接接头残余应力的分布趋势整体降低，并且应力分布趋于均匀，有效地改善了焊接接头的应力集中。在超声冲击处理时间为75 min时，将图6a和图6b进行对比，发现纵向残余应力和横向残余应力趋势更加均匀。
　　2.5 超声冲击对焊缝粗糙度的影响
　　图7为不同超声冲击处理时间下的焊缝表面粗糙度变化曲线。从图7可以看出，随着超声冲击处理时间的增加，接头表面粗糙度会逐渐增大，但增大趋势呈＂锯齿状＂上升，在超声冲击处理时间为45 min时，粗糙度取得最小值27.6 μm。
　　结合平均晶粒尺寸、残余应力分布趋势以及粗糙度进行综合分析，选择出超声冲击处理的较优超声冲击处理时间为75 min，其粗糙度为34.13 μm。
　　3 结论
　　（1）TA15钛合金激光焊焊接接头进行超声冲击处理后，接头表面由于塑性变形会产生15～50 μm的致密强化层，表层晶粒得到细化;随着超声冲击处理时间的增加，接头的抗拉强度和屈服强度增加，而断后伸长率有所下降;冲击后焊缝区的显微硬度较未处理有明显的提高，且焊接接头硬度分布均匀，但不同超声冲击处理时间下的显微硬度无明显差距。
　　（2）TA15钛合金焊缝长度200 mm，当超声冲击处理时间为75 min时，可在获得50 μm厚度的强化层的同时，得到相对较小的晶粒尺寸103.4 nm和粗糙度34.13 μm，应力集中得到极大地改善，从而可以最大程度改善焊接接头的力学性能。
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