TC4钛合金微束等离子弧焊接接头疲劳性能研究  

作者:邹慧;雷娟娟;孙宇博;王志平 刊名:《焊接技术》 上传者:程霞

【摘要】运用微柬等离子弧焊接方法对TC4钛合金薄板进行堆焊,通过测试母材及焊接接头在振动载荷下的疲劳裂纹扩展速率发现.焊接接头的抗裂纹扩展能力比母材强。观察并分析母材及焊接接头的金相组织及疲劳断口可知.焊缝区的网篮组织中存在许多细长α′针状马氏体,会阻碍裂纹的扩展,提高焊缝抗裂纹扩展能力;热影响区组织中的α′针状马氏体比焊缝区数量更多,形态更加短小,是其拥有比焊缝区更好的抗裂纹扩展性能的原因.

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0引言TC4(Ti-6Al-4V)钛合金因具有比强度高、使用温度范围广、熔点高、抗疲劳性能好等优异的工程性能[1],在航空航天领域得到大量应用,广泛用于制造飞机压气机叶片和涡轮盘等重要零部件[2],其中一些薄壁部件在服役过程中,由于受到外来物撞击或气流冲刷,容易造成缺口、凹坑等损伤,一旦出现损伤会直接影响构件的使用寿命[3]。为了降低更换成本,提高经济效益,采用合适的修补技术对其进行尺寸修补成为首选。微束等离子弧焊接是一种高能束焊接方法,由于其能量集中且密度高、电弧稳定不易断弧、焊接热影响区小、焊缝成形精度高、外形美观等优点,特别适用于薄板尺寸修复[4-5]。焊接过程中由于焊接接头组织的不均匀性会导致焊接构件的性能发生变化,影响其抗疲劳性能,本文研究了微束等离子弧堆焊修补后的TC4钛合金薄板在振动载荷下的抗疲劳裂纹扩展性能,为改进焊接技术以提高焊接质量提供参考。本文通过气动共振疲劳试验机对TC4钛合金母材、焊缝、热影响区试样进行了共振疲劳试验,获得了不同位置区域在振动载荷下的裂纹扩展速率曲线,用激光共聚焦显微镜观察焊接接头晶体组织以及用扫描电镜观察不同试样疲劳裂纹断口形貌,分析了焊接接头与母材抗疲劳裂纹扩展性能不同的原因。1试验材料及试验方法1.1试验材料本研究所用的母材为宝鸡钛业股份有限公司生产的TC4钛合金板材;焊接所用焊丝为UnitedStatesWeldingCorporation生产的TC4焊丝,直径0.76mm,母材和焊丝的化学成分见表1。1.2试验方法微束等离子弧焊接设备为加拿大LIBURDI公司生产的LAWS500自动化焊接系统。为方便焊接,在薄板表面适当位置开1个U形凹槽,用于填补堆焊材料,槽宽为1mm,深为0.3mm,堆焊槽尺寸如图1所示。焊接工艺参数为:焊接电流17.8A,电弧电压19.3V,送丝速度8.0mm/s。焊接完成后,待薄板完全冷却,将焊缝处的表面打磨平整,使焊缝区厚度恢复到原始厚度。振动疲劳试验设备采用苏州仪器生产的气动共振疲劳系统,振动疲劳试样尺寸和试验方案参照中华人民共和国航空工业部颁发的HB52771984[6],并根据实际试验仪器特点进行了符合标准的适当修改,试样尺寸如图2所示。焊接试样则将焊缝置于缩颈中央,切割完成后,试样在振动前,使用砂纸打磨试件缩颈处的两侧及缩颈处上下表面,以消除加工时缩颈处不平整所带来的缺口效应。另外,为了使裂纹在焊接接头焊缝区和热影响区萌生并扩展,以测得相应的区域的疲劳裂纹扩展速率,在焊缝相应区域制造1个V形缺陷,如图3所示,缺口宽度为1mm,深度为0.5mm,这样能增加缺口处的应力集中,诱导裂纹在相应区域萌生及扩展。试验过程中,先用一定的加载加速度使试样产生预制裂纹,再测量初始裂纹的长度,并将振动周期记为0,之后每振动1000周次停机一次,测量裂纹的长度,当试样无法达到稳定共振时试验停止。2试验数据处理及结果分析每种类型的试样均取3个试样进行试验,表2是所有试样的试验条件及结果汇总,其中缩颈应力是通过振幅与缩颈应力关系标定结果得到的,其标定公式为:=49.303A-95.293。(1)根据试验获得的裂纹长度c和循环周期数N值,采用多点递增法求得裂纹扩展速率dc/dN。裂纹尖端的应力强度因子计算方法采用Newman和Raju[7]提出的计算公式,该公式中综合考虑了裂纹长度(裂纹长轴)、裂纹深度(裂纹短轴)、角参量、试件厚度和宽度的影响,是计算形状为近1/4椭圆TiAlVFeCNHO其他板材基体6.514.080.160.010.150.00160.090.40焊丝基体6.033.

参考文献

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