TC4鈦合金作為一種α+β雙相鈦合金，綜合性能優(yōu)良，能在400℃下長時間工作。由于其良好的高溫性能，可用于制造航空發(fā)動機壓氣機盤、風扇、葉片及框梁等承力構(gòu)件。為了滿足航空焊接構(gòu)件日趨輕質(zhì)化和復雜化的要求，廠家采用電子束焊接TC4鈦合金航空構(gòu)件。

眾所周知，在焊接過程中存在著較大的溫度梯度，這會導致焊后接頭產(chǎn)生較高的焊接殘余應力；較高的拉應力會降低接頭的疲勞強度和抗腐蝕性能，而較高的壓應力也會降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限。由于焊接殘余應力對航空構(gòu)件的強度和壽命有一定的影響。因此，近年來TC4鈦合金等航空構(gòu)件的焊接殘余應力越來越受到人們的關(guān)注。

本文主要是采用盲孔法測試分析電子束焊接試板殘余應力的分布趨勢，為選取電子束焊接工藝參數(shù)提供一定的理論依據(jù)。

TC4鈦合金電子束焊接試驗研究

選用TC4鈦合金材料，試板尺寸為300*150*12mm。用鋼絲刷打磨試板表面，去除氧化膜，再用酒精棉擦拭干凈，置于電子束機上進行焊接。TC4鈦合金焊縫成形較好，焊縫正面寬8.5mm，背面2mm。

電子束焊接TC4鈦合金試板殘余應力測試研究

采用盲孔法對TC4鈦合金電子束焊接試板進行測試研究。鉆一個孔徑為φ2mm，深2mm的盲孔，采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK殘余應力裝置組成，多點測量，全軟件設(shè)置，可自動實時計算殘余應力，測量結(jié)果直觀明了，儀器精度高。

測點布置

考慮到傳統(tǒng)焊接殘余應力的分布特點，在垂直于焊縫的TC4鈦合金試板的中心線上，以焊縫為中心在焊縫兩側(cè)間距一定的距離，使用JH-496膠水粘貼應變片，靜止固化后準備測試。

測試時間的影響

將應變片連接到JHYC靜態(tài)應變儀上，應變儀調(diào)零，進行鉆孔測試。考慮到鉆孔后孔邊溫度的恢復和殘余應變的釋放，對TC4鈦合金焊接試板的測試時間進行了研究。根據(jù)儀器自身的精度，每間隔300s或600s測量一次，當兩次差值在5μs內(nèi)終止測量。從測量數(shù)據(jù)可以看出，對與TC4鈦合金試板鉆孔后30-40min內(nèi)，殘余應變可完全釋放。

Tc4鈦合金試板測試結(jié)果

TC4鈦合金電子束焊接接頭上表面各點殘余應力分布以縱向應力為主，如圖1、2所示，橫向應力值相對較小。焊縫及近縫區(qū)的縱向應力為拉應力，隨著離焊縫中心距離的增大，拉應力值逐漸減小；且焊縫中心的應力峰值達到362.95MPa，如圖1。

橫向殘余應力的分布趨勢如圖2所示，焊縫兩側(cè)有兩個應力峰值，應力的分布也以拉應力為主，應力值在23-146MPa之間變化。

TC4鈦合金試板焊接殘余應力分布趨勢，符合焊接殘余應力分布的傳統(tǒng)規(guī)律，且縱向應力值較低，這說明所采用的12mm厚TC4鈦合金中壓電子束焊接工藝是較為合適的。

上述結(jié)果與文獻中殘余應力的分布趨勢基本一致。由此可見，雖然電子束焊接能量密度高，焊接過程中接頭溫度梯度較大，但由于焊縫窄、熱影響區(qū)小，焊接速度快、線能量不是很大，電子束焊接過程中產(chǎn)生的固有相變將不會很大，產(chǎn)生殘余應力也不會高。因此，對于鈦合金航空發(fā)動機構(gòu)件，采用合適的電子束焊接工藝，可以改善接頭的殘余應力分布，這將提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命及抗腐蝕能力。

結(jié)論

1. 采用盲孔法測試電子束焊接殘余應力分布準確性較高，尤其是適用于TC4鈦合金中厚板材料測試。對于不同厚度的TC4鈦合金試板，鉆孔后焊接殘余應變完全釋放的時間是不同的，需要通過試驗測試研究。

2. 對于12mm厚TC4鈦合金電子束焊接試板，其上表面焊接殘余應力的分布趨勢符合傳統(tǒng)的焊接應力分布規(guī)律。

3. TC4鈦合金電子束焊接試板上表面焊接殘余應力峰值低于母材的屈服強度，殘余應力主要以縱向應力為主。