通过热超声应力释放技术，在TC4电子束焊接接头中实现延展性提升的同时保持强度的机制

《Materials Science and Engineering: A》：Mechanism of ductility improvement with maintained strength in TC4 electron beam welded joints induced by thermo-ultrasonic stress relief

　　

赵振家|郭伟|宋瑶|李炳伟|葛琴|张洪强

北京航空航天大学机械工程与自动化学院，中国北京100191

摘要

本研究针对TC4钛合金电子束焊接接头中残余应力集中和变形兼容性不足的问题进行了探讨。系统研究了不同焊后处理对焊接接头的微观结构、残余应力分布、变形行为和力学性能的影响。结果表明，焊后热处理显著降低了焊缝金属中的整体残余应力水平，并显著提高了接头的塑性变形能力，使伸长率从焊接态的4.7%提高到了12.7%。超声波处理主要在焊缝表面引入了压缩残余应力，这在一定程度上抑制了早期应变局部化，从而使伸长率达到7.0%。相比之下，热处理与超声波应力释放相结合的处理方式重新调整了残余应力场的空间分布，在拉伸载荷下促进了焊缝金属中更分散、更均匀的塑性变形路径的形成。因此，尽管接头强度基本保持不变，但延展性得到了明显改善。经过联合处理后，伸长率达到了11.1%，整体变形角度减小到约2.5°，断裂位置稳定地从焊缝金属转移到了基材金属。这些结果表明，残余应力的空间分布及其对塑性变形路径和损伤演变的调控是热处理与超声波应力释放联合处理提高焊接接头塑性变形能力的关键物理机制。

引言

钛合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性和稳定的高温服役性能而被广泛应用于航空航天[1]、铁路运输[2]和生物医学领域[3]。其中，TC4是一种典型的α和β双相钛合金[4]，常用于在严苛服役条件下工作的薄壁承力部件[5]，这对焊接接头的强度、韧性和抗疲劳性提出了严格要求。电子束焊接（EBW）具有高能量密度、集中热输入和狭窄的热影响区的特点，已成为大型复杂TC4钛合金结构的主要连接技术[6]。然而，EBW过程固有的强烈热循环和快速凝固容易在焊缝和热影响区引入明显的残余应力及微观结构不均匀性[7]，这些因素降低了焊接接头的强度-延展性平衡[7]并促进了裂纹的产生[8]，最终导致服役寿命缩短[9]。因此，开发有效的焊后调控策略以减轻残余应力并改善微观结构均匀性对于提高钛合金焊接结构的服务可靠性至关重要[10]。

为了解决焊接过程中引入的残余应力，现有的焊后调控方法主要包括热处理[11]、振动辅助方法[12]、机械滚压[13]、基于冲击的强化技术[14]以及多物理场联合调控策略[15]。其中，热处理是最成熟且应用最广泛的方法，在钛合金焊接接头的残余应力松弛和微观结构均匀化中起着关键作用[16]。该过程依靠热激活机制促进焊接过程中积累的高密度位错的恢复，伴随局部再结晶和相变调控[17]，从而实现残余应力的降低[18]和塑性的提高[19]。先前的研究表明，在600-650°C的温度范围内对钛合金进行焊后热处理可以诱导位错恢复和部分相变，使焊缝和热影响区的应力得到一定程度的松弛，微观结构更加均匀。然而，在这些条件下，残余应力的降低程度仍然相对有限[20]。当热处理温度超过700°C时，虽然可以进一步缓解残余应力，但常常会导致α/β相粗化和晶粒长大，从而降低焊接接头的强度和韧性[21]。因此，单独使用热处理不足以同时实现有效的残余应力降低和力学性能保持，这种权衡在薄壁焊接结构中尤为明显。

相比之下，超声波应力释放作为一种新兴的绿色物理场调控技术[22]，在薄壁焊接组件的残余应力控制[23]和疲劳性能改善[24][25]方面表现出显著优势。研究表明，外部施加的高频振动可以激活位错的运动和重排，从而在一定程度上促进残余应力的松弛[26]。同时，在表面区域形成稳定的压缩残余应力层有助于延缓疲劳裂纹的产生[27]并提高结构的服务可靠性[28]。然而，超声波处理后残余应力分布的整体均匀性仍不令人满意[29]，其应力松弛效应主要集中在初始残余应力水平较高的区域[30]。对TC4钛合金的比较研究进一步表明，与热处理相比，超声波处理在残余应力松弛速率和分布均匀性方面效率较低[31]。此外，由于声场的衰减特性，超声波应力释放的有效穿透深度有限，导致焊缝和热影响区深层残余应力的调控不足。微观结构和残余应力沿厚度方向的耦合演化机制也尚未得到系统研究[32]。因此，单独使用热处理或超声波处理均不足以实现对TC4焊接接头微观状态和残余应力的全面优化。

鉴于单次热处理或超声波应力释放在应力调控深度和分布均匀性方面的固有局限性，最近的研究尝试将热处理与超声波处理结合使用，以利用它们的协同效应[33]。所报道的联合策略大致可分为两类：热处理过程中同时施加超声波振动[34]，以及热处理后引入超声波应力释放的顺序混合处理方式，以进一步调控残余应力分布和改善微观结构[35]。然而，同时的热振动处理常常受到超声波换能器和耦合系统耐温性的限制，难以在高温热处理条件下实现稳定操作。这一限制又进一步限制了热处理参数的可调范围[36]。相比之下，顺序混合策略允许在优化的热处理条件下有效缓解焊接引起的残余应力，随后通过超声波处理进一步调整残余应力分布和表面微观结构，提供了更好的工艺稳定性和工程可行性。然而，对于具有明显厚度方向应力梯度和严重微观结构不均匀性的电子束焊接TC4钛合金接头，热处理后超声波应力释放的协同调控机制及其对微观结构-性能关系的影响仍不够明确。

基于上述考虑，本研究重点关注TC4钛合金薄板的电子束焊接接头。设计了四种焊后处理条件，包括焊接态、600°C下的焊后热处理、超声波应力释放以及热处理后结合超声波应力释放的顺序混合处理。采用了一系列多尺度表征技术，包括EBSD和SEM的微观结构分析、残余应力分布测量、变形角度评估、显微硬度测试和拉伸性能评估，系统研究了不同应力释放策略下的微观结构演变、残余应力变化和力学性能响应。在此基础上，建立了焊后热超声联合调控下微观结构与力学性能之间的相关性。本工作的目的是阐明联合应力释放过程的协同强化机制，为提高薄壁钛合金焊接结构的服务可靠性提供理论见解和实践指导。

章节摘录

实验材料及焊后处理工艺

本研究中使用的TC4钛合金轧制板由宝鸡钛业有限公司提供。材料处于退火状态（M态），其化学成分符合GB/T 3620.1-2016标准。详细成分列于表1中。制备了尺寸为100 mm × 100 mm × 2 mm的焊接试样，并通过电子束对接焊接进行连接，如图1(a)所示。为确保接头质量的稳定性和一致性，

微观结构特征

图2(a)-(l)展示了在不同焊后处理条件下TC4电子束焊接接头中焊缝金属（WM）、热影响区（HAZ）和基材金属（BM）的代表性微观形态。AW试样的焊缝区域主要由方向各异、分布复杂的针状晶粒结构组成（图2(a)）。这些针状晶粒对应于快速冷却过程中形成的α′马氏体微观结构

结论

本研究系统研究了TC4钛合金电子束焊接接头，明确了AW、PWHT、UST和PWHT-UST对微观结构、残余应力分布、变形行为和力学性能的影响。阐明了各种应力释放处理下性能差异的物理机制。主要结论如下：

(1)

对于AW条件，由于

作者贡献声明

郭伟：方法论、资金获取、概念化。赵振家：撰写——初稿、方法论、研究、概念化。李炳伟：方法论、数据管理。宋瑶：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。葛琴：方法论、概念化。张洪强：监督、资源管理、项目管理、资金获取

利益声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。