TA15钛合金钨极氩弧焊焊接接头力学性能研究_王利发(3)

○研究简报○

TA15钛合金钨极氩弧焊焊接接头力学性能研究

ARGON TUNGSTEN-ARC WELDED JOINT MECHA NICAL

PR OPERTIES OF TA15TITANIUM ALLOY

王利发　刘建中 胡本润

(北京航空材料研究院,北京100095)

WANG LiF a　LIU JianZhon g　HU BenRun

(Beijing Institute of A eronautical Mate rials,Beijing100095,China)

摘要　TA15钛合金钨极氩弧焊焊缝、热影响区、母材的微观组织差别明显,晶粒尺寸依次减小。焊接件的疲劳试验结果分析表明,热影响区是焊接接头的薄弱部位,疲劳裂纹大多萌生于焊接热影响区区域。疲劳破坏试样断口的SE M (scanning electron microscope)分析表明疲劳裂纹大多起源于焊接热影响区的气孔处。

关键词　TA15钛合金　焊接接头　疲劳寿命　力学性能　热影响区

中图分类号　TG146.23　TG405

A bstract　Weld zone and heat affected zone(HAZ)and base metal of TA15argon tungsten-arc welded(ATW)joint have different

microstructures.Grain sizes are decreased in turn.Welded specimens fatigue test result ind icate that HAZ was the weak position.Fa-tigue crack mostly initiate from HAZ.SEM(scanning electron microscope)analys is of fatigue wrecked specimens indicate that most fa-tigue crack initiate from the pore of HAZ.

Key words　TA15Titanium allo y;Weld joint;Fatigue life;Mechanical property;Heat affected zone

Corr es ponding autho r:W ANG LiFa,E-mail:wang212@,Tel:+86-10-62496711,Fax:+86-10-62496733

Manuscript received20060104,in revised form20070125.

1　引言

焊接作为钛合金加工制造技术的一种重要手段,在先进飞机结构中的应用越来越多[1],同时焊接结构的疲劳耐久性以及损伤容限设计所需的力学性能也日益受到关注。众多焊接研究结果表明[2]183-187[3],钛合金焊接接头疲劳寿命具有一定的分散性,特别是焊缝及热影响区的组织对力学性能的影响较为明显。

钛的化学性质非常活泼,焊接时与氮、氢、氧的亲和力很大,焊接结构中,钛合金的焊接一般采用惰性气体保护或者在真空环境中的焊接方法,其中钨极氩弧焊是钛合金熔焊的主要方法之一。对于金属熔化焊,焊接接头主要是由焊缝金属、熔合区、热影响区三部分组成。焊缝金属是由母材或者填充金属熔化后共同组成的区域;热影响区(heat affected zone,HAZ)一般包括粗晶区(过热区)、细晶区、不完全重结晶区和回火区等[2]121。焊接接头的焊缝、热影响区的组织结构不同,力学性能也存在着明显的差别。

本文研究TA15焊接接头的疲劳性能,对焊接接头的抗疲劳破坏性能进行系统的统计分析和研究。

2　试验材料

TA15钛合金焊接件的母材选用TA15板材,厚度2.5m m,热处理状态为M状态(退火状态)。试件采用钨极氩弧焊方法焊接,接头形式为对接拼焊。为了消除焊接后的残余应力、除氢和稳定接头组织,对焊接试件还进行了真空退火处理。

TA15板材钨极氩弧焊焊接接头金相分析见图1。金相分析结果表明,焊缝、热影响区、母材的显微组织差别明显,晶粒尺寸依次减小,热影响区的宽度在0.3m m～1.5m m左右,热影响区晶粒尺寸变化明显。

3　试验方案

根据焊接件的尺寸、规格和参照均质材料标准试验方法的要求,确定合理的试样形状和尺寸。焊接件静力拉伸试验参照《焊接接头拉伸试验方法》(GB T 2651—1989)和均质材料的《金属拉伸试验方法》(HB 5143—1996)进行

。

Journal of Mechanical Strength2008,30(5):820～822王利发,男,1975年11月生,山东临沂人,汉族。北京航空材料研究院第25研究室工程师,硕士,研究方向为结构强度、疲劳断裂、实验力学。

20060104收到初稿,20070125收到修改稿。

图1　钨极氩弧焊焊接接头金相照片Fig .1　M etallurgical photo of ATW (argon tungsten -arc

welded )joint

为了增加暴露焊缝中夹杂和气孔等缺陷的概率,试样工作区较均质材料标准试样加宽。对比两种试样形式的疲劳试验结果表明,改进试样的疲劳破坏部位

绝大部分在焊缝区域,能较好地模拟实际焊接件的疲劳失效行为

。

图2　光滑疲劳试样Fig .2　Smooth fatigue specimen

疲劳性能试验采用均质材料标准试验方法,即《金属材料轴向加载疲劳试验方法》(HB 5287—1996)。试验采用三个应力比的恒幅载荷,即应力比R =0.5、0.06和-1。疲劳S —N 曲线采用成组法和升降法进行测试。中、短寿命区(104

～106

之间)采用成组试验法,一般每条曲线进行三级应力水平的成组法试验。疲劳极限的测试采用升降法,室温下条件疲劳极限规定对应的循环次数为107

,升降法测试的有效对子数至少5对。

4　试验结果与分析

TA15板材钨极氩弧焊焊接件及母材的静力实

验结果见表1。实验结果表明焊接接头的抗拉强度略低于母材,焊缝的相对伸长率相比母材降低明显。

表1　TA15母材与焊接接头静强度对比Tab .1　Tensile properties comparison of TA15

base metal and welded joint

材料Materials

σb MPa δ5(%)板材Plate δ2.51018.8

15.3

钨极氩弧焊板材ATW plate δ2.5

9795.47

图3　TA15板材钨极氩弧焊与母材疲劳S —N 曲线对比Fig .3　Fatigue S —N curve comparison of argon tungsten -arc

welded plate and bas e metal

图3给出板材钨极氩弧焊与母材的疲劳S —N 曲线对比。图中成组法和升降法数据一般均满足

95%置信度的要求,个别较分散数据也满足90%置信度要求。图中曲线是对疲劳试验各级应力水平试验数据中值疲劳寿命的拟合线。从图中数据可以看出,正应力比下焊接件与母材相比,疲劳性能有不同程度的降低;而负应力比下,焊接件的疲劳性能优于母材。

典型疲劳试样断口扫描电镜照片如图4所示。裂纹起始于焊接气孔,气孔宽225μm ,高207μm ,扩展区主要为放射棱线与二次裂纹特征,局部可见细密的疲劳条带,瞬断区为韧窝特征。

为了分析焊接接头区域不同组织的力学性能差异,对疲劳破坏试样的疲劳源位置进行统计与分析。共统计了63件有效破坏试样,统计结果见表2。从疲劳源位置统计结果可以看出,氩弧焊试样的疲劳裂纹主要

　第30卷第5期王利发等:TA15钛合金钨极氩弧焊焊接接头力学性能研究821