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1、超声冲击提高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的疲劳性能 在航空领域-部分钛合金焊接结构用于承受交变载荷.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.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1页/共21页1 1 试验1.1 1.1 试验材料/试件几何形状 BT20钛合金采用T型接头；TC4钛合金采用十字接头，均采用普通TIG焊工艺施焊.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 图1 T型接头试件几何形状与尺寸第2页/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 图2 十字
2、接头试件几何形状与尺寸第3页/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性能 第4页/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
3、=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性能 第5页/共21页超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 试验结果图3 T型接头对比S-N 曲线第6页/共21页超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 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7页/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
4、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=0.51711.01051215.3105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的疲劳性能 试验结果第8页/共21页 TC4-焊态疲劳强度123MPa，母材疲劳强度450 MPa，接头疲劳强度仅为母材的27%.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R恒定0.
5、5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.在外载应力比R=0.1的相应疲劳性能，应使用R=0.5的试验结果表征.在R=0.5加载条件的疲劳强度为90.5MPa，因此在应力比R=0.1条件下TC4-TIG焊构件疲劳强度仅为母材的1/5左右.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，如接头形式非对接，其疲劳性能可能产生急剧下降其疲劳性能可能产生急剧下降,需要采用有效工需要采用有效工艺措施以予改善艺措施以予改善 .超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 分析/结论第9页/共21页 BT20-超声冲击提高疲劳强度40%左右,延长疲劳寿命多达1317倍
6、.TC4-应力比R=0.1/超声冲击提高疲劳强度76%左右,延长疲劳寿命多达240429倍；应力比R=0.5/超声冲击提高疲劳强度73.5%左右，延长疲劳寿命多达1217倍.结论二: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.超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 分析/结论第10页/共21页 当疲劳裂纹起裂于焊趾部位,采取工艺措施以提高其疲劳强度途径有三方面：1）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；2）调节焊接残余应力场，在焊趾区表面引入残余压缩应力；3）焊趾区表层硬化/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接接头疲劳性能机理进行具体分析
7、.超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 机理分析第11页/共21页 焊态焊趾过渡半径为0.120.96mm，而经过超声冲击处理后接头焊趾过渡半径介于1.33.3mm之间，即接头焊趾区几何外形得到明显改善.超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 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12页/共21页超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 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13页/共21页 值得说明的是：BT20钛合金T型接头无任何角变形，TC4十字接头有限元模型则根据实际角变形以及试验加
8、载距离的测量结果对该角变形以予考虑.卡头间距为200mm，焊接变形角度平均值为20.BT20-T型接头焊态角焊缝焊趾过渡半径 均取统计平均值0.61mm；而超声冲击焊趾过渡半径 均取1.3mm；而焊态对接焊缝焊趾过渡半径 均取统计平均值0.37mm；而超声冲击焊趾过渡半径 均取3.3mm.TC4十字接头，焊态焊趾过渡半径 均取统计平均值0.43mm；超声冲击焊趾过渡半径 均取1.7mm.超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 机理分析第14页/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的疲劳性能 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
9、 第15页/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的疲劳性能 机理分析第16页/共21页BT20-T型接头焊态应力集中最大区域在角焊缝焊趾区，应力集中系数Kt=1.734；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Kt=1.504.由此可见：BT20-T型焊接接头经过超声冲击处理后应力集中程度改善15.3%左右.TC4十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Kt=4.1左右；该接头经过超声冲击处理后应力集中系数Kt则为2.79。由此可见：超声冲击处理后,
10、TC4十字接头应力集中改善约为47%左右.超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 机理分析第17页/共21页3.2 3.2 接头残余应力分析 使用X射线衍射方法/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.结果显示：BT20-T型接头焊趾区表面横向最大拉伸残余应力约为352MPa，而超声冲击处理后为321 MPa压缩残余应力；TC4表面横向最大拉伸残余应力为330MPa，而超声冲击处理后为315MPa压缩残余应力.结论三：经过超声冲击处理后其接头结论三：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焊趾区表面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
11、冲击提高焊接压缩的转变，这个转变是超声冲击提高焊接接头疲劳性能重要原因接头疲劳性能重要原因.超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 机理分析第18页/共21页超声冲击提高钛合金焊接接头的疲劳性能 机理分析图13 TC4十字接头超声冲击焊趾区显微硬度 第19页/共21页1）在应力比R=0加载条件下，超声冲击处理使BT20钛合金TIG焊T型接头的疲劳强度提高了约40%，寿命延长1317倍。2）在应力比R=0.1加载条件下，超声冲击处理使TC4钛合金十字接头疲劳强度提高约76%，寿命延长240429倍；在应力比R=0.5加载条件下，疲劳强度提高73.5%，寿命延长1217倍。3）TC4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47%左右；而T20钛合金T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15%。4）无论是BT20 还是TC4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。5）超声冲击处理使得TC4钛合金TIG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的疲劳性能 总结第20页/共21页感谢您的观看！第21页/共21页