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1、钛合金疲劳钛合金疲劳第1页，本讲稿共21页超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 n n在航空领域-部分钛合金焊接结构用于承受交变载荷.n n钛合金弹性模量小/强度高与钢制焊接结构疲劳特性存在显著差异.n n研究超声冲击用于提高钛合金焊接接头疲劳性能的适用性及处理效果.第2页，本讲稿共21页n n1 1 1 1 试验试验n n1.1 1.1 1.1 1.1 试验材料试验材料/试件几何形状试件几何形状 BT20 BT20钛合金采用钛合金采用T T型接头；型接头；TC4 TC4钛合金采用十字接钛合金采用十字接头，均采用普通头，均采用普通TIGTIG焊工艺施焊焊工艺
2、施焊.超声冲击提高钛合金焊接接头的疲超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能劳性能 图1 T型接头试件几何形状与尺寸第3页，本讲稿共21页超声冲击提高钛合金焊接接头的超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能疲劳性能 图2 十字接头试件几何形状与尺寸第4页，本讲稿共21页1.2 1.2 超声冲击处理工艺 冲击处理实施过程：首先将超声冲击枪对准试件焊趾部位，使冲击针阵列沿焊缝方向排列，然后施加一定压力,冲击处理速度介于1.01.5m/min范围之间；往复冲击处理6次，激励电流为2.8A。冲击处理实施过程中可将冲击枪沿垂直于焊缝方向做一定摆动，使焊趾部位获得更好光滑过渡外形。超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳
3、超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能性能 第5页，本讲稿共21页1.3 1.3 疲劳试验方法 BT20钛合金T型接头疲劳试验在100KN高频疲劳试验机上进行;TC4十字接头疲劳试验在200KN高频疲劳试验机上进行.施加载荷情况：拉伸载荷 BT20 T型接头-应力比R=0；TC4十字接头应力比有R=0.1与R=0.5两种.超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能性能 第6页，本讲稿共21页超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能性能 试验结果试验结果图3 T型接头对比S-N 曲线第7页，本讲稿共21页超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛
4、合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 试验结果试验结果图5 十字接头对比S-N曲线（R=0.5）图4 十字接头对比S-N曲线（R=0.1）第8页，本讲稿共21页处理状态接头形式应力比疲劳强度/MPa（2106）提高效果(%)原始焊态T型R=021140超声冲击295原始焊态十字R=0.590.573.5超声冲击157原始焊态R=0.121675.6表13 疲劳强度对比表14 疲劳寿命对比 处理状态接头形式/应力比应力范围 1(MPa)疲劳寿命 N1应力范围 2(MPa)疲劳寿命N2原始焊态T型2981.01052426.9105超声冲击2981.81062421.0107原始焊态十字/R=0.51
5、711.01051215.3105超声冲击1711.31061211.0107原始焊态十字/R=0.11701.01051904.15104超声冲击1704.31071901.0107超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 试验结果试验结果第9页，本讲稿共21页n n TC4-TC4-焊态疲劳强度焊态疲劳强度123MPa123MPa，母材疲劳强度，母材疲劳强度450 450 MPaMPa，接头疲劳强度仅为母材的，接头疲劳强度仅为母材的27%.27%.n n 为了能够用小试件反映真实结构的疲劳性能，将焊为了能够用小试件反映真实结构的疲劳性能，将焊态小试件应力比态
6、小试件应力比R R恒定恒定0.50.5来反映实际焊缝存在的高数值来反映实际焊缝存在的高数值焊接残余拉伸应力对疲劳性能造成的不利影响焊接残余拉伸应力对疲劳性能造成的不利影响.n n 在外载应力比在外载应力比R R=0.1=0.1的相应疲劳性能，应使用的相应疲劳性能，应使用R R=0.5=0.5的试验结果表征的试验结果表征.在在R R=0.5=0.5加载条件的疲劳强度为加载条件的疲劳强度为90.5MPa90.5MPa，因此在应力比，因此在应力比R R=0.1=0.1条件下条件下TC4-TIGTC4-TIG焊构件焊构件疲劳强度仅为母材的疲劳强度仅为母材的1/51/5左右左右.n n结论一：钛合金经过
7、焊接后结论一：钛合金经过焊接后结论一：钛合金经过焊接后结论一：钛合金经过焊接后,如接头形式非对接，其疲如接头形式非对接，其疲如接头形式非对接，其疲如接头形式非对接，其疲劳性能可能产生急剧下降劳性能可能产生急剧下降劳性能可能产生急剧下降劳性能可能产生急剧下降,需要采用有效工艺措施以予需要采用有效工艺措施以予需要采用有效工艺措施以予需要采用有效工艺措施以予改善改善改善改善.超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 分析分析/结论结论第10页，本讲稿共21页 BT20-BT20-超声冲击提高疲劳强度超声冲击提高疲劳强度40%40%左右左右,延长疲劳延长疲劳寿命多达寿命
8、多达13131717倍倍.TC4-TC4-应力比应力比R R=0.1/=0.1/超声冲击提高疲劳强度超声冲击提高疲劳强度76%76%左左右右,延长疲劳寿命多达延长疲劳寿命多达240240429429倍；应力比倍；应力比R R=0.5/=0.5/超声冲击提高疲劳强度超声冲击提高疲劳强度73.5%73.5%左右，延长疲劳寿左右，延长疲劳寿命多达命多达12121717倍倍.结论二结论二:超声冲击处理技术能够大幅度超声冲击处理技术能够大幅度地改善钛合金焊接接头的疲劳性能地改善钛合金焊接接头的疲劳性能.超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 分析分析/结论结论第11页，
9、本讲稿共21页 当疲劳裂纹起裂于焊趾部位当疲劳裂纹起裂于焊趾部位,采取工艺措施以采取工艺措施以提高其疲劳强度途径有三方面：提高其疲劳强度途径有三方面：1 1）通过改善接头焊趾区几何外形，降低接头焊趾）通过改善接头焊趾区几何外形，降低接头焊趾区的应力集中程度；区的应力集中程度；2 2）调节焊接残余应力场，在焊趾区表面引入残余）调节焊接残余应力场，在焊趾区表面引入残余压缩应力；压缩应力；3 3）焊趾区表层硬化）焊趾区表层硬化/减少焊趾显微缺陷减少焊趾显微缺陷.从上述三方面对对超声冲击方法提高钛合金焊从上述三方面对对超声冲击方法提高钛合金焊接接头疲劳性能机理进行具体分析接接头疲劳性能机理进行具体分析
10、.超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 机理分析机理分析第12页，本讲稿共21页 焊态焊趾过渡半径焊态焊趾过渡半径 为为0.120.96mm0.120.96mm，而经过超声冲击处，而经过超声冲击处理后接头焊趾过渡半径介于理后接头焊趾过渡半径介于1.33.3mm1.33.3mm之间，即接头焊趾区之间，即接头焊趾区几何外形得到明显改善几何外形得到明显改善.超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 机理分析机理分析(a)原始焊态焊趾b）超声冲击处理焊趾 图6 BT20-T型接头焊趾区几何外形尺寸第13页，本讲稿共21页超声冲击提高钛
11、合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 机理分析机理分析（b）超声冲击处理焊趾（a）原始焊态焊趾图7 TC4钛合金十字接头焊趾区几何外形尺寸第14页，本讲稿共21页 值得说明的是：值得说明的是：BT20BT20钛合金钛合金T T型接头无任何角变形，型接头无任何角变形，TC4TC4十字接头有限元模型则根据实际角变形以及试验加十字接头有限元模型则根据实际角变形以及试验加载距离的测量结果对该角变形以予考虑载距离的测量结果对该角变形以予考虑.卡头间距为卡头间距为200mm200mm，焊接变形角度平均值为，焊接变形角度平均值为2 20 0.BT20-T BT20-T型接头焊态角焊缝焊
12、趾过渡半径型接头焊态角焊缝焊趾过渡半径 均取统计平均值均取统计平均值0 0.61mm.61mm；而超声冲击焊趾过渡半径；而超声冲击焊趾过渡半径 均取均取1.3mm1.3mm；而焊态对接焊；而焊态对接焊缝焊趾过渡半径缝焊趾过渡半径 均取统计平均值均取统计平均值0.37mm0.37mm；而超声冲击焊趾；而超声冲击焊趾过渡半径过渡半径 均取均取3.3mm.3.3mm.TC4 TC4十字接头，焊态焊趾过渡半径十字接头，焊态焊趾过渡半径 均取统计平均值均取统计平均值0.43mm0.43mm；超声冲击焊趾过渡半径；超声冲击焊趾过渡半径 均取均取1.7mm.1.7mm.超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高
13、钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 机理分析机理分析第15页，本讲稿共21页（a）焊态有限元计算结果超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 机理分析机理分析（b）超声冲击态有限元计算结果 BT20 T型接头超声冲击前后有限元计算结果 第16页，本讲稿共21页（a）焊态有限元计算结果（b）超声冲击态有限元计算结果 TC4 十字接头超声冲击前后有限元计算结果 超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 机理分析机理分析第17页，本讲稿共21页n nBT20-TBT20-T型接头焊态应力集中最大区域在角焊缝焊趾区，型接头焊态应力集中最大
14、区域在角焊缝焊趾区，应力集中系数应力集中系数K Kt t=1.734=1.734；经过声冲击处理后应力集中最大区；经过声冲击处理后应力集中最大区域仍在角焊缝焊趾部位，其应力集中系数域仍在角焊缝焊趾部位，其应力集中系数K Kt t=1.504.=1.504.n n由此可见：由此可见：BT20-TBT20-T型焊接接头经过超声冲击处理后应力集中型焊接接头经过超声冲击处理后应力集中程度改善程度改善15.3%15.3%左右左右.n nTC4TC4十字接头焊态应力集中最大区域存在于角焊缝焊趾区十字接头焊态应力集中最大区域存在于角焊缝焊趾区域，应力集中系数域，应力集中系数K Kt t=4.1=4.1左右；
15、该接头经过超声冲击处左右；该接头经过超声冲击处理后应力集中系数理后应力集中系数K Kt t则为则为2.792.79。n n由此可见：超声冲击处理后由此可见：超声冲击处理后,TC4,TC4十字接头应力集中改善十字接头应力集中改善约为约为47%47%左右左右.超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 机理分析机理分析第18页，本讲稿共21页n n3.2 3.2 3.2 3.2 接头残余应力分析接头残余应力分析 使用使用X X射线衍射方法射线衍射方法/电解抛光逐层剥除方式，测定超电解抛光逐层剥除方式，测定超声冲击前后残余应力沿板厚方向分布声冲击前后残余应力沿板厚方向分
16、布.n n 结果显示：结果显示：BT20-T BT20-T型接头焊趾区表面横向最大拉伸残型接头焊趾区表面横向最大拉伸残余应力约为余应力约为352MPa352MPa，而超声冲击处理后为，而超声冲击处理后为321 MPa321 MPa压缩残余压缩残余应力；应力；TC4TC4表面横向最大拉伸残余应力为表面横向最大拉伸残余应力为330MPa330MPa，而超声冲，而超声冲击处理后为击处理后为315MPa315MPa压缩残余应力压缩残余应力.结论三：经过超声冲击处理后其接头焊趾区表面结论三：经过超声冲击处理后其接头焊趾区表面结论三：经过超声冲击处理后其接头焊趾区表面结论三：经过超声冲击处理后其接头焊趾区
17、表面残余应力的方向均发生由拉伸向压缩的转变，这个转残余应力的方向均发生由拉伸向压缩的转变，这个转残余应力的方向均发生由拉伸向压缩的转变，这个转残余应力的方向均发生由拉伸向压缩的转变，这个转变是超声冲击提高焊接接头疲劳性能重要原因变是超声冲击提高焊接接头疲劳性能重要原因变是超声冲击提高焊接接头疲劳性能重要原因变是超声冲击提高焊接接头疲劳性能重要原因.超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 机理分析机理分析第19页，本讲稿共21页超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 机理分析机理分析图13 TC4十字接头超声冲击焊趾区显微硬度
18、第20页，本讲稿共21页n n1 1）在应力比）在应力比R R=0=0加载条件下，超声冲击处理使加载条件下，超声冲击处理使BT20BT20钛合金钛合金TIGTIG焊焊T T型接头型接头的疲劳强度提高了约的疲劳强度提高了约40%40%，寿命延长，寿命延长13171317倍。倍。n n2 2）在应力比）在应力比R R=0.1=0.1加载条件下，超声冲击处理使加载条件下，超声冲击处理使TC4TC4钛合金十字接头疲钛合金十字接头疲劳强度提高约劳强度提高约76%76%，寿命延长，寿命延长240429240429倍；在应力比倍；在应力比R R=0.5=0.5加载条件下，加载条件下，疲劳强度提高疲劳强度提高
19、73.5%73.5%，寿命延长，寿命延长12171217倍。倍。n n3 3）TC4TC4钛合金十字焊接接头经过超声冲击处理后，其疲劳裂纹萌生区域的应力钛合金十字焊接接头经过超声冲击处理后，其疲劳裂纹萌生区域的应力集中程度得到更大幅度地改善，改善程度约为集中程度得到更大幅度地改善，改善程度约为47%47%左右；而左右；而T20T20钛合金钛合金T T型焊接型焊接接头经过超声冲击处理后，其疲劳裂纹萌生区域的应力集中改善程度仅为接头经过超声冲击处理后，其疲劳裂纹萌生区域的应力集中改善程度仅为15%15%。n n4 4）无论是）无论是BT20 BT20 还是还是TC4TC4钛合金，经过超声冲击处理后其接头焊趾区钛合金，经过超声冲击处理后其接头焊趾区表面残余应力的方向均发生由拉伸向压缩的转变。表面残余应力的方向均发生由拉伸向压缩的转变。n n5 5）超声冲击处理使得）超声冲击处理使得TC4TC4钛合金钛合金TIGTIG焊接头焊趾区显微硬度得到提升。焊接头焊趾区显微硬度得到提升。超声冲击提高钛合金焊接接头超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能的疲劳性能 总结总结第21页，本讲稿共21页