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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，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熱輸入和隨后的快速冷卻，必會在焊接工件上產(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鈦合金板激光焊和TIG焊進行殘余應(yīng)力檢測研究，分析焊接方法及焊接熱輸入和焊后熱處理對殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響。

試驗方法和使用儀器

試驗在常溫下進行，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)的平均值作為測試結(jié)果。

試驗結(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殘余應(yīng)力的影響

通過對TIC焊、CO₂激光焊的焊接殘余應(yīng)力進行對比，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)力值相對較大，熱影響區(qū)相對較寬。

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??；同樣地，通過對激光焊接和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（對于TIG焊，約30mm，對于激光焊，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。