中国有色金属学报 2003,(06),1456-1460 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.06.025

超声冲击法对钛合金焊接接头疲劳性能的改善

王东坡 霍立兴 张玉凤

天津大学材料科学与工程学院,天津大学材料科学与工程学院,天津大学材料科学与工程学院 天津300072 ,天津300072 ,天津300072

摘 要：

利用自行研制的HJ II型超声冲击装置 ,研究了超声冲击处理对BT2 0钛合金焊接接头的疲劳性能的影响 ,并对TIG焊与电子束焊接接头的焊态及冲击处理态进行了对比疲劳试验。结果表明 :超声冲击处理使BT2 0钛合金TIG焊接接头 (拉伸载荷 )的疲劳强度提高了 2 7% ,寿命延长了 3～ 10倍 ;而电子束焊接接头的疲劳强度提高了 38% ,寿命延长了 2 9～ 4 0倍。

关键词：

钛合金;疲劳性能;电子束焊;超声冲击;TIG焊;

中图分类号： TG404

作者简介：王东坡(1972),男,副教授,博士;电话:02227405889;传真:02227407022;Email:wangdp@eyou.com;

收稿日期：2003-02-20

基金：教育部博士点基金资助项目 (19990 0 5 60 5 );

Improvement of fatigue properties of welded joints for titanium alloy by ultrasonic peening method

Abstract：

The fatigue property improvement of welded joints for titanium alloy treated by ultrasonic peening was studied. The contrast test between Tungsten inert gas(TIG) welding and electronic beam welding joints treated by ultrasonic peening was conducted. The results show that, as contrasted with the specimens under as welded condition, the fatigue strength of the TIG welding BT20 titanium alloy specimens treated by ultrasonic peening is increased by about 27%, and the fatigue life is prolonged by 3～10 times; as contrasted with the specimens in as welded condition, the fatigue strength of the electronic beam welding BT20 titanium alloy specimens treated by ultrasonic peening is increased by about 38%, and the fatigue life is prolonged by 29～40 times.

Keyword：

titanium alloy; fatigue properties; electronic beam welding; ultrasonic peening; TIG welding;

Received： 2003-02-20

近年来, 钛合金焊接结构应用越来越广泛, 其中一些是用来承受交变载荷的重要结构, 尤其是在航空领域。 超声冲击法能够显著提高钢制焊接接头的疲劳强度已被试验所证实 ^{[1,2,3,4,5,6]} , 但有关使用该方法改善钛合金焊接接头疲劳强度的工作尚未开展。 本文作者对BT20钛合金焊接接头的疲劳性能进行了试验, 并利用自行研制的HJ-II型超声冲击装置, 研究了超声冲击法对改善钛合金焊接接头疲劳性能的效果。

1 实验

使用电子束焊及TIG焊 ^[7,8,9] 2种焊接工艺制备试件, 试样形状和几何尺寸如图1所示。

图1 试样形状及几何尺寸示意图

Fig.1 Dimensions of specimen

实验材料为BT20钛合金, 板厚为2.5 mm, 化学成分如表1所示, 其抗拉强度为1 125 MPa, 延伸率为15%。

表1 BT20钛合金化学成分

Table 1 Chemical composition ofBT20 titanium alloy(mass fraction, %)

Al	V	Mo	Zr	Fe
6.90	1.75	1.75	2.25	<0.25
N	C	Si	H	O
<0.05	<0.10	<0.05	0.001 7	0.080

电子束焊接试件制备过程如下: 将尺寸为200 mm×200 mm×2.5 mm的钛合金板沿长度方向使用电子束熔透形成对接接头。 焊前经酸洗去除表面油污和氧化层后再用清水洗净、 烘干, 用夹具将板料放入真空室内。 电子束焊接具体工艺如表2所示, 采用ЭПУ-К₁中压动枪式真空电子束焊机进行焊接。 使用的TIG焊接工艺参数如表3所示。

疲劳试验在10⁵ N高频疲劳试验机上进行, 试验机静载精度满量程为±0.2%, 动载振幅波动度满量程为±2%。

将试样分成5组: 第1组是母材试样; 第2组是采用电子束焊接的原始焊态试样; 第3组是采用电子束焊接的超声冲击态试样; 第4组是TIG焊接的原始焊态试样; 第5组是TIG焊接的超声冲击处理态试样。 载荷类型均为拉伸载荷, 应力比R=0.1。

超声冲击枪对准试件焊缝部位且基本垂直于焊缝, 将冲击头的冲击针阵列沿焊缝方向排列, 施加一定的压力使冲击处理基本在2倍于冲击枪自重的条件下进行。

表2 电子束焊接和修饰工艺参数

Table 2 Parameters of electronic beam welding and dressing

Condition	Voltage for acceleration/kV	Electronic beam current/mA	Welding rate/ (m·min-1)	Focusing current/mA	Operating distance/mm	Degree of vacuum/Pa
Welding process	60	18	0.6	785	200	1.0×10-2
Dressing process	60	12	0.6	835	200	1.0×10-2

表3TIG焊接工艺参数

Table 3 TIG welding parameters

Kind of current	Diameter of electrode/mm	Welding current/A	Welding voltage/V	Welding rate/ (m·min-1)	Welding heat input/(kJ·cm-1)	Shield gas
Direct current	3.2	150～160	15～17	0.16	18～23	Ar

处理电子束焊接试样按以下方法进行: 处理接头正面时, 超声冲击枪沿垂直于焊缝方向以1.0～1.5 m/min的处理速度往复冲击6次, 激励电流为2.8 A; 处理接头反面时, 将超声冲击枪对准接头焊趾沿焊缝方向以1.0～1.5 m/min的速度往复冲击4次, 且将冲击枪在垂直于焊缝的方向做一定角度的摆动以便使焊趾部位获得更好的光滑过渡外形。

处理TIG焊接试样时, 正反面均采用相同的处理工艺, 即使用超声冲击枪沿垂直于焊缝方向以1.0～1.5 m/min的处理速度往复冲击处理6次, 激励电流为2.8 A。

2 结果与讨论

BT20钛合金母材试件疲劳试验结果如表4所示; 电子束焊原始焊态试件的疲劳试验结果如表5所示; 表6所示为电子束焊超声冲击态试件的疲劳试验结果; 表7所示为TIG焊原始焊态试件的疲劳试验结果; TIG焊超声冲击处理态试件的疲劳试验结果如表8所示。

2.1疲劳试验数据的统计方法

根据国际焊接学会(IIW)的有关文件 ^[9,10,11] , 采用如下统计方法对各种焊接接头的相应疲劳试验数据进行处理, 该统计处理方法的特点是在假设疲劳试验结果符合对数正态分布的前提下, 用具有相同斜率m且分别对应K倍正负标准差的2条标称S—N曲线形成一数据分散带。 这样处理的结果使试验数据在某一置信度下以一定的概率落在此分散带内。 其中K为与试验数据的数量落在分散带内的概率及相应置信度密切相关的一个参量, 称之为特征值。

表4 母材BT20疲劳试验结果

Table 4 Fatigue test results ofbase material BT20

No.	Cycle number/106	Δσ/MPa
1	0.324	360
2	0.291	342
3	0.710	315
4	0.679	288
5	0.491	270
6	0.485	270
7	7.106	243
8	10.000	225

表5 电子束焊态试验结果

Table 5 Electronic beam welding testresults for as welded

No.	Cycle number/106	Fracture position	Δσ/MPa
1	0.050	Weld toe	288
2	0.043	Weld toe	270
3	0.062	Weld toe	270
4	0.134	Weld toe	243
5	0.323	Weld toe	225
6	0.776	Weld toe	216
7	1.323	Weld toe	207
8	1.476	Base material weld	198
9	2.434	Base material	180

表6 电子束焊超声冲击态试验结果

Table 6 Electronic beam welding test resultsof ultrasonic peening

No.	Cycle number/106	Fracture position	Δσ/MPa
1	0.197	Base material	315
2	0.310	Base material	297
3	0.954	Base material	279
4	1.647	Base material	270
5	2.543	Base material	261

表7 TIG焊态试验结果

Table 7 TIG welding test results foras welded

No.	Cycle number/106	Fracture position	Δσ/MPa
1	0.150	Weld toe	300
2	0.413	Base material	270
3	0.502	Weld toe	240
4	1.341	Weld toe	220
5	2.233	Weld toe	200

表8 TIG焊超声冲击处理态试验结果

Table 8 TIG welding test results ofultrasonic peening

No.	Cycle number/106	Fracture position	Δσ/MPa
1	0.103	Base material	365
2	0.313	Base material	335
3	0.369	Base material	295
4	1.089	Base material	280
5	2.301	Base material	260

国际焊接学会指定的存活概率为95%, 置信度为75%。 不同试验数量在75%置信水平下, 95%存活概率相对应的特征值K由文献 [ 10] 给出。

标称值可通过下述步骤计算:

1) 计算所有疲劳试验数据点的应力范围Δσ和循环次数N以10为底的对数值;

2) 采用幂函数模型回归计算指数m和常数lgC值:

mlgΔσ+lgN=lgC (1)

3) 设C_i是试验数据的对数值, 利用所获得的m值, 计算lgC的平均值C_m和标准偏差v_st:

Cm=∑Cin???(2)vst=∑(Cm?Ci)2n?1?????????√???(3) $\begin{array}{l}C{}_{\text{m}}=\frac{{\displaystyle \sum C}{}_i}{n}\text{?}\text{?}\text{?}(2)\\ v{}_{\text{s}\text{t}}=\sqrt{\frac{{\displaystyle \sum (}C{}_{\text{m}}-C{}_i){}^2}{n-1}}\text{?}\text{?}\text{?}(3)\end{array}$

4) 计算特征值C_k:

C_k=C_m-K·v_st (4)

2.2疲劳试验数据的统计处理结果

按上述统计方法处理2种焊接工艺下钛合金接头试件的相应疲劳试验数据, 统计结果如表9所示。

2.3超声冲击处理电子束焊接接头疲劳性能

根据疲劳试验结果(表4～6), 按方程S^mN=C分别拟合出原始焊态试件与超声冲处理态试件以及母材试件的相应S—N曲线(见图2)。

表9S—N曲线的参数表

Table 9C_m and m value of S—N curve

Condition	Welding method	m	Cm	vst
As welded	Electronic beam welding	10	0.134×1030	0.14
Peening treatment		14.5	0.281×1042	0.063 4
As welded	TIG welding	6.8	0.115×1023	0.107
Peening treatment		9	0.117×1029	0.156
BT20 titanium alloy		10	0.477×1031	0.389

图2 电子束焊态与冲击处理态对比S—N曲线

Fig.2S—N curves for as welded and peening treatment by electronic beam welding

对比图2中相应的S—N曲线, 可以明显看出: 未经超声冲击处理的电子束焊态试件的疲劳寿命在相同应力水平下, 低于经过超声冲击处理的电子束焊试件; 在相同疲劳寿命下, 冲击处理试件的疲劳强度均高于未处理试件。 超声冲击处理原始焊态试件与BT20钛合金母材相比, 二者在长寿命区疲劳强度相当, 只是在短寿命区内, 超声冲击试件的疲劳强度略低于钛合金母材试件。

根据表4～6的相关试验结果, 按疲劳强度的常规测试方法确定了电子束焊原始焊态试件和超声冲击处理试件以及母材试件在循环周次为2×10⁶时的疲劳强度, 结果如表10所示。

对比表10中超声冲击处理试件与原始焊态试件在循环寿命为2×10⁶条件下获得的疲劳强度值, 可见: BT20钛合金单面电子束焊接接头超声冲击处理试件与原始焊态试件相比疲劳强度的改善程度高达38%左右, 显然超声冲击能够一定程度提高钛合金电子束焊接接头的疲劳强度。

表10 循环周次为2×106时疲劳强度及对比结果

Table 10 Fatigue strength comparison forTIG and electronic beam weldingwith cycle number of 2×10⁶

Condition	Welding method	Fatigue strength/ MPa	Increase ratio of fatigue strength/%
Peening treatment	TIG welding	260	27
As welded		204
Peening treatment	Electronic beam welding	265	38
As welded		192

为了获得在相同应力水平下超声冲击处理前后试件的疲劳寿命的变化情况, 根据表9中各种情况下的S—N曲线方程S^mN=C的拟合结果, 得出超声冲击处理钛合金电子束焊接接头试件在疲劳寿命为10⁷次时所对应应力范围下原始焊态试件疲劳寿命, 以及焊态试件在疲劳寿命为10⁵次所对应应力范围下的超声冲击处理试件的疲劳寿命, 结果如表11所示。

表11 疲劳寿命对比

Table 11 Fatigue life of welded joints beforeand after peening treatment

Condition	Δσ1/MPa	N1	Δσ2/MPa	N2
As welded	256	1.0×105	235	2.5×105
Peening treatment	256	29×105	235	1.0×107
As welded	323	1.0×105	224	1.07×106
Peening treatment	323	3.05×105	224	1.0×107

对比表11中相应原始焊态与超声冲击处理态试件在相同应力范围下的疲劳寿命, 粗略估计钛合金电子束焊接接头经过冲击处理后, 疲劳寿命被延长的情况, 可见: 经过超声冲击处理的钛合金电子束焊接接头试件与原始焊态试件相比, 其疲劳寿命被延长达29～40倍。

2.4超声冲击处理TIG焊接头的疲劳性能

根据表7～8所示的相关试验结果, 按疲劳强度的常规测试方法确定了TIG焊 ^[12,13,14] 原始焊态试件和超声冲击处理试件以及母材试件在循环周次为2×10⁶时的疲劳强度, 结果如表10所示。

对比表10中超声冲击处理试件与原始焊态试件在循环寿命为2×10⁶条件下获得的疲劳强度值, 可见: BT20钛合金TIG焊接接头超声冲击处理试件与原始焊态试件相比疲劳强度的改善程度高达27%左右, 显然超声冲击也能够一定程度改善TIG焊接接头的疲劳强度。

为了获得在相同应力水平下超声冲击处理前后试件的疲劳寿命的变化情况, 将表7～8中的相应试验数据分别按方程S^mN=C拟合(S—N曲线的参数见表9), 得出超声冲击处理TIG焊接接头试件在疲劳寿命为10⁷次时所对应应力范围下焊态试件的疲劳寿命以及焊态试件在疲劳寿命为10⁵次所对应应力范围下的超声冲击处理试件的疲劳寿命, 结果列于表11中。

对比表11中相应原始焊态与超声冲击处理态试件在相同应力范围下的疲劳寿命, 粗略估计钛合金TIG焊接接头经过冲击处理后, 疲劳寿命被延长的情况, 可见: 经过超声冲击处理的钛合金TIG焊接接头试件与原始焊态试件相比, 其疲劳寿命被延长达3～10倍。

3 结论

1) 经过超声冲击处理的钛合金电子束焊接接头试件与原始焊态试件相比, 疲劳强度的改善程度高达38%左右, 其疲劳寿命被延长达29～40倍。

2) 经过超声冲击处理的钛合金TIG焊接接头试件与原始焊态试件相比, 疲劳强度的改善程度高达27%左右, 其疲劳寿命被延长达3～10倍。

3) 可以使用超声冲击处理技术改善钛合金焊接接头的疲劳性能。

参考文献

[1] 　MikheevPP ,NedosekaAY .Effectivenessofultrasonictreatmentinimprovingthefatiguestrengthofweldedjoints[J].AutomaticWelding,1984,34(3):3740.

[2] 　KravtsovTG .Improvingthefatiguestrengthofde positedbeadsbyultrasonictreatment[J].AutomaticWelding,1981,31(1):3538.

[3] 　JanoschJ ,KonecznyH ,DebiezS ,etal.Improvementoffatiguestrengthinweldedjoints(inHSSandinalu minumalloys)byultrasonichammerpeening[J].Weld ingintheWorld,1996,37(12):7282.

[4] 　StatnikovES ,MuktepavelVO ,TroufiakovVJ,etal.Comparisonofultrasonicimpacttreatmentandotherfa tiguelifeimprovementmethods[J].WeldingintheWorld,2002,46(3/4):2032.

[5] 　WANGDong po,HUOLi xing,ZHANGYu feng.Investigationofimprovingfatiguestrengthofweldedjointsonlowcarbonsteelbyultrasonicpeeningmethod[J].JournalofMechanicalStrength,1999,21(4):289291.

[6] 　HUOLi xing,WANGDong po,ZHANGYu feng,etal.Investigationonimprovingfatiguepropertiesofweld edjointsbyultrasonicpeeningmethod[J].WeldingintheWorld,2001,45(34):1216.

[7] 　王东坡,霍立兴,张玉凤.提高焊接接头疲劳强度超声波冲击法[J].焊接学报,1999,20(4):158164.WANGDong po,HUOLi xing,ZHANGYu feng.In vestigationofimprovingfatiguestrengthofweldedjointsbyultrasonicpeeningmethod[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution,1999,20(4):158164.

[8] 　王东坡,霍立兴,张玉凤.超声冲击法改善LF21铝合金焊接接头的疲劳性能[J].中国有色金属学报,2001,11(5):754759.WANGDong po,HUOLi xing,ZHANGYu feng.Im provingfatiguepropertiesofweldedjointsforLF21alu minumalloybyultrasonicpeeingmethod[J].TheChi neseJournalofNonferrousMetals,2001,11(5):754759.

[9] 　OhtaA .FatiguestrengthofbuttweldedAlMgalu minumalloy testswithmaximumstressatyieldstrength[J].FatigueFractEngngMaterStruct,1990,13(1):5358.

[10] 　OhtaA ,MaedaY ,SuzukiN .Effectofyieldstrengthonthebasicfatiguestrengthofweldedjoints[J].Fa tigueFractEngngMaterStruct,1993,16(5):473479.

[11] 　BertiniL ,FontanariV ,StraffeliniG .InfluenceofpostweldtreatmentsonthefatiguebehaviorofAlalloyweld edjoints[J].IntJFatigue,1998,20(10):749755.

[12] 　HornAM ,HutherIH ,LieuradeHP .Fatiguebehav iorofT jointsimprovedbyTIGdressing[J].WeldingintheWorld,1998,41(34):273280.

[13] 　BrancoCM ,MaddoxSJ,InfanteVI,etal.Fatigueperformanceoftungsteninertgas(TIG)and plasmaweldsinthinsections[J].InternationalJournalofFa tigue,1999,21(4):587601.

[14] 　ZaczekZ .ImprovementinthefatiguestrengthofbuttweldedjointsbyTIGremeltingofweldreinforcements[J].MetalConstruction,1984,20(2):143145.