调控钛合金板材焊接接头残余应力的激光冲击处理方法与流程

本发明属于钛合金加工技术领域，具体涉及一种调控钛合金板材焊接接头残余应力的激光冲击处理方法。

背景技术：

焊接是一种被广泛采用的材料连接方式，焊接技术的发展和进步不仅能给航空航天结构件减轻重量，同时还能为其性能的提高提供保障。钛合金焊接过程中，由于受热及冷却不均匀等因素导致焊接接头部位残余拉伸应力的产生，会导致应力集中现象，从而引起结构性能及服役寿命的变化，它是造成结构疲劳破坏、断裂、应力腐蚀的重要因素，因此必须对焊件进行焊后处理以消除其残余拉伸应力。

传统采用对焊件进行焊后热处理的方法来消除应力，然而热处理效率低、耗能大，同时受到焊件外形尺寸及形状的限制，特别是针对一些大尺寸异形结构件难以采用热处理的方法进行消除应力处理。激光冲击处理是一种新型的金属材料表面强化处理技术，是利用具有高功率密度和短脉冲宽度的激光束，透过约束层辐照在工件表面的吸收层上，吸收层汽化形成高温、高压的等离子体，等离子体膨胀受到约束限制，使得等离子体压力进一步升高，直到等离子体爆炸产生强度很高的冲击波冲击工件表面并向内部传播，工件表面发生塑性变形，形成高幅的残余压应力，从而显著提高材料的硬度，延长其疲劳寿命，其原理如图1所示。将激光冲击处理技术作为一种焊后消除应力的处理方法应用于钛合金焊件，利用激光冲击过程中形成的高幅残余压应力来调控焊接部位的残余应力状态及其分布，可以克服传统热处理方法的缺点，是一种高效可行的工艺路线。

申请公布号为cn103014248a的发明专利公开了一种用激光冲击强化焊接接头的焊管，采用脉冲激光照射焊管的焊接接头表面，使得焊接接头表面显微组织受力发生塑性变形，从而焊管的组织细化，力学性能提高；但该发明针对的是焊管的焊接接头，其焊缝形式为圆弧性焊缝。授权公告号为cn104152896b的发明专利公开了一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法，采用光束整形技术，使圆形光斑转化为方形光斑激光束对填充有sic颗粒的焊角进行激光冲击强化，诱导焊角表面形成高幅残余压应力和细化晶粒，提高了激光冲击处理光斑利用率和获得更平整的表面；但该发明通过在焊角填充sic颗粒形成过渡圆弧面来解决激光熔覆层焊角的“等离子体屏蔽”效应，对激光冲击能量的要求较大，且无法测得焊角处真实的残余应力状态。授权公告号为cn105382409b的发明专利公开了一种薄板焊接结构的激光冲击强化方法，采用分区强化方法，将薄板焊接结构的焊接接头沿焊缝长度方向从焊缝一端至另一端等分为若干强化区域，然后依次对各强化区域进行正反面强化，减少了焊接结构变形，弱化因变形导致的先强化表面残余压应力衰减程度；但该发明针对大尺寸薄板焊接结构的焊接接头，其焊缝长度长，厚度薄(实施例中为2mm)，分区强化方法繁琐，相邻区域的起始冲击点定位较难，整个过程效率较低，可操作性不强。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种调控钛合金板材焊接接头残余应力的激光冲击处理方法。该方法通过调整激光冲击处理起始部位及路线，使焊接接头部位近表面产生一定程度的塑性变形，将钛合金板材因电子束焊接过程中不均匀受热及冷却引起的残余拉应力转化为压应力，保证了钛合金板材焊接接头部位焊缝正反表面受力状态的一致，减少了焊接接头部位不同区域中的残余拉应力的差异。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：调控钛合金板材焊接接头残余应力的激光冲击处理方法，其特征在于，该方法对钛合金板材焊接接头的正反两面依次进行激光冲击处理，所述激光冲击处理的方向与钛合金板材焊接接头部位的板面垂直，钛合金板材焊接接头部位和钛合金板材的板面处于同一平面，所述激光冲击处理的过程中，先使激光斑点落在钛合金板材焊接接头部位的焊缝上端面上，并使激光斑点的中心位于焊缝熔合线上，然后使激光斑点沿着焊缝中心线呈蛇形线方向运动进行激光冲击处理，所述激光冲击处理过程中，在钛合金板材焊接接头部位采用黑胶带作为能量吸收层，去离子水作为约束层。

本发明采用激光冲击处理方法调控钛合金板材焊接接头残余应力，首先通过调整激光斑点与焊缝的位置，精确定位了钛合金板材焊接接头处的激光冲击处理起始部位，然后采用沿着焊缝中心线呈蛇形线方向运动作为激光冲击处理的路线，即该激光冲击处理起始部位为焊缝的热影响区域，且冲击路线平行与焊缝方向，由于在焊缝长度方向焊缝组织包括了不同的微观组织形态，同时晶粒大小差异较大，在激光冲击处理过程中由于协调冲击变形而产生的残余应力会更大，冲击效果更显著。同时，在钛合金板材焊接接头部位采用黑胶带作为能量吸收层，可以充分吸收激光能量并在极短时间内(ns量级)形成一个高温高压的等离子体层，采用去离子水作为约束层，在约束层的作用下爆炸性等离子体作用于钛合金板材焊接接头表面并向内部传播，使焊接接头部位近表面产生一定程度的塑性变形，能够显著降低钛合金板材因电子束焊接过程中不均匀受热及冷却引起的残余拉应力；另外，由于对钛合金板材焊接接头的正反两面依次进行激光冲击处理，且激光冲击处理的方向与钛合金板材焊接接头部位的板面垂直，钛合金板材焊接接头部位和钛合金板材的板面处于同一平面，保证了激光冲击位置和路线的一致，从而保证了钛合金板材焊接接头部位焊缝正反表面受力状态的一致，减少了焊接接头部位不同区域中的残余应力的差异。

上述的调控钛合金板材焊接接头残余应力的激光冲击处理方法，其特征在于，所述激光冲击处理的参数包括激光能量、脉冲宽度、光斑大小和光斑搭接率，所述激光能量为3j～5j，脉宽为10ns～20ns，光斑直径为2.6mm，光斑搭接率为50％。采用上述优选的激光冲击处理的参数有利于控制钛合金板材焊接接头部位焊缝表面的塑性变形程度，在焊接接头的显微组织中形成大量的位错微结构，从而在焊缝表面形成一定的残余压应力，以抵消焊接过程中的残余拉应力，实现对钛合金板材焊接接头残余应力的调控。

上述的调控钛合金板材焊接接头残余应力的激光冲击处理方法，其特征在于，所述钛合金板材的厚度为3mm～8mm。上述厚度范围的钛合金板材焊接接头处不会产生变形，单面冲击后形成的残余应力稳定，反面冲击不会影响先冲击表面的残余应力强度及分布。

上述的调控钛合金板材焊接接头残余应力的激光冲击处理方法，其特征在于，所述钛合金板材焊接接头部位采用的焊接方式为电子束焊接。本发明的方法可以应用于电子束焊接制备的钛合金板材焊接接头部位，使用范围广，应用价值大。

上述的调控钛合金板材焊接接头残余应力的激光冲击处理方法，其特征在于，所述激光冲击处理的次数为1次。本发明优选采用1次激光冲击处理即可调控钛合金板材焊接接头残余应力，操作简单，进一步降低了处理成本，扩大了本发明方法的应用范围。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过调整激光冲击处理的激光斑点与焊缝的位置，并采用沿着焊缝中心线呈蛇形线方向运动作为激光冲击处理的路线，精确定位了钛合金板材焊接接头处的激光冲击处理起始部位，使焊接接头部位近表面产生一定程度的塑性变形，将钛合金板材因电子束焊接过程中不均匀受热及冷却引起的残余拉应力转化为压应力，保证了钛合金板材焊接接头部位焊缝正反表面受力状态的一致，减少了焊接接头部位不同区域中的残余应力的差异。

2、本发明采用的激光冲击处理为冷加工且不接触钛合金板材焊接接头表面，避免了对钛合金板材造成高温氧化或污染，从而保证了钛合金板材表面质量，高效环保。

3、本发明的工艺简单，操作容易，使用范围广。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是激光冲击处理的原理示意图。

图2是本发明钛合金板材焊接接头进行激光冲击处理的冲击起始位置示意图。

图3是本发明钛合金板材焊接接头进行激光冲击处理的路线示意图。

图4是本发明实施例1中钛合金板材电子束焊接接头部位激光冲击处理前后的残余应力对比。

图5是本发明实施例2中钛合金板材电子束焊接接头部位激光冲击处理前后的残余应力对比。

图6是本发明实施例3中钛合金板材电子束焊接接头部位激光冲击处理前后的残余应力对比。

具体实施方式

实施例1

本实施例的激光冲击处理方法为：将厚度为3mm的钛合金板材采用电子束焊接，使钛合金板材焊接接头部位和钛合金板材的板面处于同一平面，采用黑胶带作为能量吸收层，去离子水作为约束层，对钛合金板材焊接接头的正反两面依次进行激光冲击处理，激光冲击处理的方向与钛合金板材焊接接头部位的板面垂直，所述激光冲击处理的过程中，先使激光斑点落在钛合金板材焊接接头部位的焊缝上端面上，并使激光斑点的中心位于焊缝熔合线上，如图2所示，然后使激光斑点沿着焊缝中心线呈蛇形线方向运动进行激光冲击处理，如图3所示，所述激光冲击处理的激光能量为4j，脉宽范围15ns，光斑直径为2.6mm，光斑搭接率为50％，所述激光冲击处理的次数为1次。

采用x射线衍射仪对本实施例钛合金板材电子束焊接接头部位激光冲击处理前后的残余应力进行测量，结果如图4所示，由图4可以看出激光冲击处理前本实施例钛合金板材电子束焊接接头部位呈拉应力状态，熔合线内应力为160mpa～215mpa，经激光冲击处理后钛合金板材电子束焊接接头部位呈压应力状态，熔合线内应力为-660mpa～-495mpa范围内，且整个焊接部位残余应力差值减小，说明采用激光冲击处理方法降低钛合金板材焊接接头残余应力的效果显著。

实施例2

本实施例的激光冲击处理方法为：将厚度为8mm的钛合金板材采用电子束焊接，使钛合金板材焊接接头部位和钛合金板材的板面处于同一平面，采用黑胶带作为能量吸收层，去离子水作为约束层，对钛合金板材焊接接头的正反两面依次进行激光冲击处理，激光冲击处理的方向与钛合金板材焊接接头部位的板面垂直，所述激光冲击处理的过程中，先使激光斑点落在钛合金板材焊接接头部位的焊缝上端面上，并使激光斑点的中心位于焊缝熔合线上，如图2所示，然后使激光斑点沿着焊缝中心线呈蛇形线方向运动进行激光冲击处理，如图3所示，所述激光冲击处理的激光能量为5j，脉宽范围10ns，光斑直径为2.6mm，光斑搭接率为50％，所述激光冲击处理的次数为1次。

采用x射线衍射仪对本实施例钛合金板材电子束焊接接头部位激光冲击处理前后的残余应力进行测量，结果如图5所示，由图5可以看出激光冲击处理前本实施例钛合金板材电子束焊接接头部位呈拉应力状态，熔合线内应力为260mpa～310mpa，经激光冲击处理后钛合金板材电子束焊接接头部位呈压应力状态，熔合线内应力为-500mpa～-390mpa范围内，且整个焊接部位残余应力差值减小，说明采用激光冲击处理方法降低钛合金板材焊接接头残余应力的效果显著。

实施例3

本实施例的激光冲击处理方法为：将厚度为4mm的钛合金板材采用电子束焊接，使钛合金板材焊接接头部位和钛合金板材的板面处于同一平面，采用黑胶带作为能量吸收层，去离子水作为约束层，对钛合金板材焊接接头的正反两面依次进行激光冲击处理，激光冲击处理的方向与钛合金板材焊接接头部位的板面垂直，所述激光冲击处理的过程中，先使激光斑点落在钛合金板材焊接接头部位的焊缝上端面上，并使激光斑点的中心位于焊缝熔合线上，如图2所示，然后使激光斑点沿着焊缝中心线呈蛇形线方向运动进行激光冲击处理，如图3所示，所述激光冲击处理的激光能量为3j，脉宽范围20ns，光斑直径为2.6mm，光斑搭接率为50％，所述激光冲击处理的次数为1次。

采用x射线衍射仪对本实施例钛合金板材电子束焊接接头部位激光冲击处理前后的残余应力进行测量，结果如图6所示，由图6可以看出激光冲击处理前本实施例钛合金板材电子束焊接接头部位呈拉应力状态，熔合线内应力为200mpa～254mpa，经激光冲击处理后钛合金板材电子束焊接接头部位呈压应力状态，熔合线内应力为-360mpa～-280mpa范围内，且整个焊接部位残余应力差值减小，说明采用激光冲击处理方法降低钛合金板材焊接接头残余应力的效果显著。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。