超声冲击处理改善钛合金焊接接头性能

超声冲击处理改善钛合金焊接接头性能 超声冲击处理改善钛合金焊接接头性能余巍孟祥军柳军洛阳船舶材料研究所河南洛阳摘要采用超声冲击处理钛合金两种型式的焊接接头结果表明超声冲击处理后可显著降低和均匀化接头焊接残余应力并可提高接头的疲劳强度和疲劳寿命。其中 合金对接接头和十字接头疲劳极限分别提高接头疲劳寿命分别提高倍和倍。对接接头焊接残余应力降低 合金对接接头焊接残余应力降低。关键词超声冲击疲劳强度焊接残余应力钛合金中图法分类号 文献标识码文章编号?淝把运孀蓬鸭邦押辖鹪焊接结构上的大量应用特别是钛及钛合金焊接结构要承受重载荷及在恶劣的工况条件下设计上对钛合金焊接接头的性能要求越来越高除了提高材料的焊接性和改进焊接工艺外焊后有效的工艺处理对焊接接头综合性能的提高具有重要作用。在多年来发展的各种改善焊接接头性能的处理工艺中超声冲击法具有效果显著、结构轻巧、噪音小、效率高、成本低、节能等诸多优势因而成为一种理想的焊后改善焊接接头性能的工艺。超声冲击法是国外较流行的焊后处理、表面局部强化和消除残余应力的工艺方法。该方法首先在前苏联的乌克兰诞生于世纪年代在美国得到迅速发展在第届国际焊接学会上被公认为是提高焊接结构疲劳性能最有效的方法并在发达国家迅速得以推广应用。为研究超声冲击处理对钛合金焊接接头性能的影响进行了以下两个方面的研究改善接头疲劳性能研究降低和均匀化焊接残余应力研究。超声冲击处理对接头疲劳性能的影响在钛合金焊接构件生产中由于各方面原因在焊接生产过程中总会在焊接接头的焊趾区存在一些焊接缺陷如咬边、微小裂纹等。这些缺陷对焊接接头承受静载荷的能力影响很小但对承受动载荷的能力却影响很大疲劳裂纹一般都是在这些缺陷部位提前萌生使焊接接头的疲劳寿命大大降低迫使存在这些缺陷的工件返修或报废造成严重的经济损失。通过试验采用超声冲击处理钛合金焊缝的焊趾部位可使焊接接头的疲劳性能显著提高。试验材料和试件的制备试验材料和试板焊接试验材料为船用 合金板材规格 × × 其力学性能见表。焊丝采用 焊丝规格西 。表 合金板材室温力学性能 焊接试板的接头型式分两种平板对接与十字角接接头型式。焊接设备采用时代 一手工钨极氩弧焊机对接接头试板焊接时应控制焊接变形试板焊后变形的角度?接头坡口的错边量? 。每条焊缝焊层。十字接头试板焊接前为确保接头焊透将受力试板坡口刨削加工出 型坡口。为防止和减小焊接试件时出现角变形和错位先在四角进行定位焊矫直后再进行焊接。十字接头试板焊接时要注意控制焊接变形采用船形焊接位置条焊道各对称施焊层焊脚高度控制在 。焊接工艺参数见表。焊后超声冲击处理为进行焊后态和超声冲击处理态接头性能试验对比对其中的部分试板的焊缝采用超声冲击处理。要求每焊一道焊缝后立即对焊缝进行超声冲击处理超声冲击处理的操作方法是将超声冲击枪对准试件收稿日期作者简介余巍男年生师洛阳船舶材料研究所河南洛阳电话接头焊趾部位且基本垂直于焊缝。冲击头的冲击针阵列沿焊缝方向排列。略施加一定的压力使其基本在冲击枪的自重条件下进行冲击处理。超声冲击处理工艺参数见表。表对接焊缝焊接工艺参数 表超声冲击处理工艺参数 。 。 耻瞥?。 „ 。 。苎 圣 接头疲劳试验方法试验在电液伺服疲劳试验机上进行。试验机静载荷精度为满量程?动载荷振幅波动度满量程为? 。试验动载荷类型为脉动拉伸疲劳循环比加载频率户 。试样形状和尺寸见图图。图对接接头的试样形状及尺寸 图十字接头试样形状及尺寸 试验结果及分析 合金对接接头焊态试验结果见表。超声冲击处理试验结果见表。十字接头焊态试验结果见表。十字接头超声冲击处理试验结果见表。表对接接头焊态试验结果 砒垮“„ 。胁„。 型曼 呈旦兰望 ?? 一 一 一 ?铼霆瞠铼瞠悛铼螵瞠 铼阋华 ,铼霆瞠铼瞰,愍霆瞠 锉矶越咏油超声冲击处理试验结果 翻 表十字接头焊态试验结果 表十字接头超声冲击处理试验结果 壁竺鲨星鳖窭 一 一 一 根据对比疲劳试验结果分别拟合出各种情况下的?曲线。对接接头不同状态下的对比口?曲线见图。十字接头不同状态下的对比孓?曲线见图。根据相关试验结果按疲劳强度的常规方法确定了不同状态下循环次数为×时的条件疲劳强度结果列于表。』墅———————————— 堕型墼堡鲞 图对接接头不同状态下的对比盛?曲线 蛊蒌器皇们 图十字接头不同状态下的对比孓?曲线 — 表超声冲击处理前后疲劳强度对比 。 。 „ — — — 从对比?曲线图可以明显看出两种接头型式超声冲击处理后的试样疲劳寿命在相同应力水平下都明显高于焊后态的试样在相同疲劳寿命下超声冲击处理后试样的疲劳强度均明显高于焊后态试样。为了获得在相同应力水平下超声冲击处理前后疲劳寿命的变化情况将表表中的试验数据分别按方程 拟合得出条件循环数为×时的个??曲线方程分别得出超声冲击处理态在疲劳寿命为×次所对应应力水平下的焊态疲劳寿命其结果列于表中。从表可以看出若不考虑数据的分散性在相同的应力水平下对接接头超声冲击处理态的疲劳寿命比焊态提高倍十字接头超声冲击处理态的疲劳寿命比焊态提高倍。根据以上试验结果充分表明对 合金焊接接头采用超声冲击处理可显著提高焊接接头及结构的疲劳强度并大大延长其使用寿命。对超声冲击处理前后 合金焊接接头外形尺寸进行了测量发现焊缝高度、焊缝宽度、焊缝倾角都没有变化只有焊趾区过渡半径 相对增大了较多测量结果见表。表超声冲击处理前后疲劳寿命对比 枷 叫 。删。 蒹篇 溉? × 。 。。 × 一 × 。 。。 合金焊接接头几何参数和应力集中系数 × 一表 研究表明超声冲击处理提高焊接接头疲劳强度的原因主要有两点调整焊趾区附近的残余应力场在其表面形成压应力由于强烈的超声场作用造成焊趾区表层强度提高从而使所形成的表面压应力能够超过材料的屈服强度焊接残余应力发生重分布并产生部分松弛。所形成的表面压应力较其他方法有显著的提高。因此超声冲击处理所形成的残余压应力能够对接头疲劳强度的提高有较大作用。能够改善焊接接头焊趾区外形的几何形状主要是焊趾区过渡半径 明显增大降低应力集中程度。超声冲击处理对焊接残余应力的影响不管任何形式的焊接焊接残余应力都集中在焊缝附近当焊接残余应力与承载的交变应力叠加其数值超过焊缝和母材的极限时工件就会在焊缝附近断裂。消除焊接残余应力的方法很多其中最有效的方法是焊后热处理。由于钛合金在高温下非常容易氧化所以钛合金的消应热处理都必须在真空热处理炉内进行。现在船用钛合金焊接结构件外形尺寸都较大很难找到合适的大型真空退火炉并且大型构件的真增刊余巍等超声冲击处理改善钛合金焊接接头性能空退火费用也非常高。所以采用一种新工艺用以替代真空退火消应力处理的效果达到或接近热处理消应力的水平并且操作工艺简便易行、成本低是目前钛合金焊接急需解决的问题。超声冲击处理就是目前最有发展前途的焊后消应力处理工艺。本试验的目的是研究超声冲击处理对降低和均匀化钛合金焊接接头焊接残余应力的效果。为了能够准确比较得出超声冲击处理消除应力的效果采用比较法即选择同材质、同规格的组试板在同样的焊接参数下一组采用超声冲击处理一组不采用然后测试这组试板的残余应力。试验材料和试件的制备试验材料分种和试板材料为?蠛辖鹜庑纬叽缥 鳘鳌联鳘鳌联鳘鳌～焙褪园宀牧 衔 辖鹜庑纬叽缥 鳘鳌联鳘鳌联鳘鳌焊接接头型式都采用平板对接型式。焊接工艺参数和超声冲击处理工艺参数基本与表、表相同。测试方法及设备采用钻孔残余应力测试方法即首先在被测材料表面粘贴应变花然后在应变花中心钻孔钻孔直径 深 根据钻孔后测量的释放应变就可以计算出残余应力。测试设备采用 ?型残余应力钻孔装置、 型应力仪和残余应力专用应变花。为了得到最具代表性的测试结果测点位置布置在焊接试板典型的垂直于焊缝中心线上。和试板超声冲击消应力前后在垂直于焊缝中心线上的残余应力分布对比如图所示。”和。试板超声冲击消应力前后在垂直于焊缝中心线上的残余应力分布对比如图所示。盏蒌巷羞有复羞嘎 图 。和。试板超声冲击前后在垂直于焊缝中心线上的残余应力分布比较 结果分析焊后态的“和“钛合金试板其残余应力分布符合一般的焊接件残余应力分布规律中间为拉应力两边为压应力都是在焊缝中心附近残 和余应力最大其残余应力都比较大其平行于焊缝方向上的最大残余应力分别为 。经过超声冲击消应力处理的和钛合金试板其残余应力分布如图和图所示。超声冲击消应力效果非常明显其最大残余应力分别从超声冲击前的 和 降为超声冲击后的 和 分别下降了和并且使焊缝区焊接残余应力整体降低和均匀化分布。秀重兰暑„磊星 图和“试板超声冲击前后在垂直于焊缝中心线上的残余应力分布比较 结论在相同载荷与试验条件下超声冲击处理的焊接接头疲劳寿命和强度显著高于焊态。 合金对接接头和十字接头采用超声冲击处理后接头疲劳极限分别提高和接头疲劳寿命分别提高倍和倍。超声冲击处理对降低接头焊接残余应力效果非常明显超声冲击处理后对接接头焊接残余应力降低 合金对接接头焊接残余应力降低并且使焊缝区焊接残余应力整体降低和均匀化分布。超声冲击? 砟苡行 焊趾处的咬边、微小裂纹等焊接缺陷并通过增加焊趾区的过渡半径 来降低焊接接头应力集中系数超声冲击处理后 合金对接接头有效应力集中系数降低了十字接头降低了。、作为消除焊接残余应力工艺方法超声冲击处理非常适合于用于钛合金焊接结构。不仅可以用来提高焊接接头的疲劳性能而且可以用来均匀化应力产生预应力从而消除应力、减少变形稳定结构尺寸的作用。 二墅生 ———————————————一塑查全星堑型量三堡兰鲞参考文献 【 王东坡 霍立兴 【】 口 刑洪 拥