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(1.寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 寶雞 721016； 2.天津百恩威新材料科技有限公司，天津 301800； 3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721008)

低溫對(duì)TC4脈沖激光焊接接頭組織和性能的影響

高曉龍1，李海軍2，劉晶1，畢宗岳3，李遠(yuǎn)征3

(1.寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西寶雞721016；2.天津百恩威新材料科技有限公司，天津301800；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西寶雞721008)

在-120～25℃溫度范圍內(nèi)對(duì)TC4鈦合金薄板脈沖激光焊接接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并對(duì)拉伸斷裂后的顯微組織進(jìn)行了觀察，研究了低溫對(duì)TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溫度的降低，TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭的顯微組織并未出現(xiàn)明顯變化，拉伸強(qiáng)度升高而延伸率下降，呈延性斷裂模式。在低溫拉伸過(guò)程中，TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭母材區(qū)域的α相中有滑移帶形成，預(yù)示變形機(jī)制仍然是位錯(cuò)滑移機(jī)制。

TC4鈦合金； 脈沖激光焊接； 低溫； 組織和力學(xué)性能

1 前 言

TC4鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好及綜合力學(xué)性能高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油化工、核電等領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金材料[1-2]。焊接鈦合金薄板常用方法有鎢極氬弧焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等[3]。相比于傳統(tǒng)弧焊，激光焊接接頭具有焊縫深寬比大、焊縫和熱影響區(qū)狹窄、殘余變形小等優(yōu)點(diǎn)，在良好的氣體保護(hù)條件下獲得的焊縫質(zhì)量可與電子束焊接質(zhì)量相媲美[4]。激光焊接根據(jù)能量輸出形式可以分為：連續(xù)激光和脈沖激光。與連續(xù)激光焊相比，脈沖激光焊有更多焊接參數(shù)可調(diào)，如：脈沖能量、脈沖寬度和脈沖頻率，能夠精確控制熱輸入，更適合于鈦合金薄板焊接[5-6]。

由于存在某些特殊環(huán)境，如太空中鈦合金航空構(gòu)件表面溫度可能低于-150℃，就有必要對(duì)鈦合金構(gòu)件低溫力學(xué)性能進(jìn)行研究?，F(xiàn)有研究表明TC4合金強(qiáng)度隨著溫度降低而升高，而延伸率則隨溫度升高而降低，低溫下其顯微結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下觀察沒(méi)有明顯變化[7]。TC4合金激光焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)組織明顯不同于母材，但低溫對(duì)焊接接頭力學(xué)性能有何影響，目前尚未見(jiàn)到相關(guān)研究報(bào)道。

本文利用Nd∶YAG脈沖激光器對(duì)0.8mm 厚TC4薄板進(jìn)行了平板對(duì)焊試驗(yàn)，研究了低溫對(duì)TC4鈦合金激光焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為0.8mm厚TC4薄板，焊接設(shè)備為楚天公司生產(chǎn)的JHM-1GXY-400X型脈沖激光器。焊前對(duì)鈦合金板進(jìn)行打磨和酸洗處理，酸洗溶液為3%HF+25～30%HNO3水溶液，時(shí)間約為3min。利用表1中的脈沖激光焊接參數(shù)對(duì)試板尺寸為220mm×110mm×0.8mm的TC4鈦合金薄板進(jìn)行對(duì)焊試驗(yàn)，焊接參數(shù)的選擇依據(jù)作者的研究結(jié)果[3,6]。

表1 脈沖激光焊接參數(shù)

拉伸試樣加工尺寸如圖1所示。在拉伸試驗(yàn)之前，為了消除焊縫成形的影響，焊縫的上、下表面都被仔細(xì)打磨平整。為了研究低溫對(duì)TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭組織和變形機(jī)理的影響，在拉伸試驗(yàn)前試樣需經(jīng)過(guò)砂紙打磨、電解拋光及腐蝕，以便拉伸斷裂后在掃描電鏡下觀察試樣微觀組織特征。電解液由10mL HClO4,70mL C4H10O2、120mL CH3OH組成。電解拋光電壓、溫度和時(shí)間分別為28V，-30℃和45s。利用維氏硬度計(jì)在焊接接頭橫截面上進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，加載力為100g，保持載荷時(shí)間10s。拉伸試驗(yàn)在島津Autograph-D043可控溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸前先將試樣保溫1h，拉伸速度為2mm/min。利用掃描電鏡對(duì)拉伸斷口微觀組織進(jìn)行觀察。

圖1 拉伸試樣尺寸圖(mm)Fig.1 Dimensions of the tensile specimen (mm)

3.1焊接接頭的宏觀形貌和微觀組織

圖2是TC4脈沖激光焊接接頭橫截面形貌圖。如圖2所示，即使在較低的倍數(shù)下也能看到焊縫(Fusion Zone)、熱影響區(qū)(Heat Affected Zone)及母材(Base Metal)組織，焊縫組織較為粗大，并且在焊縫底部有輕微咬邊缺陷存在。

圖2 脈沖激光焊接接頭橫截面宏觀形貌圖Fig.2 Cross sectional photograph of the pulsed laser welded joint

圖3為T(mén)C4脈沖激光焊接接頭顯微組織照片。如圖3(a)所示，母材組織是由等軸狀α相和顆粒狀β相組成。從圖3(b)可以看到，焊縫是由針狀馬氏體相組成，在原β晶粒邊界上無(wú)二次α相形成，這表明脈沖激光焊接冷卻速度高于馬氏體相母材和靠近母材的熱影響區(qū)。靠近焊縫的熱影響區(qū)組織由馬氏體α′和二次α相組成，而靠近母材的熱影響區(qū)組織由針狀馬氏體α′，二次α相，初始α相和β相組成。在TC4鈦合金激光焊接接頭中，熱影響區(qū)經(jīng)歷的相變主要有在加熱階段α→β的相變和冷卻時(shí)β→α或α′的相變。殘留初始α相的存在預(yù)示著熱影響區(qū)在加熱中出現(xiàn)了α→β的不完全相變，因此這部分區(qū)域被稱(chēng)為熱影響區(qū)的部分相變區(qū)(PTR)。在靠近焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)初始的α相和β相，因此這一區(qū)域稱(chēng)為熱影響區(qū)的完全相變區(qū)(FTR)。Liu和Fan等人[8-9]已經(jīng)證明了TC4激光焊接接頭的熱影響區(qū)完全相變區(qū)的形成主要取決于過(guò)熱溫度和在高溫停留的時(shí)間。熱影響區(qū)的過(guò)熱溫度越高，高溫停留時(shí)間越長(zhǎng)，熱影響區(qū)完全相變區(qū)的寬度也就越大。

圖3 脈沖激光焊接接頭顯微組織照片 (a) 母材； (b) 焊縫； (c) 靠近焊縫的熱影響區(qū)； (d) 靠近母材的熱影響區(qū)Fig.3 Typical microstructure of the TC4 pulsed laser welded joint: (a)Base metal; (b) Fusion zone; (c) Heat affected zone near the fusion zone; (d) Heat affected zone near the base metal

3.2焊接接頭的力學(xué)性能

圖4是TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭的顯微硬度分布圖。如圖4所示，焊縫區(qū)域的顯微硬度值高于母材和熱影響區(qū)的顯微硬度值，焊縫區(qū)域的平均顯微硬度值約為384HV。隨著離焊縫距離的增加，在狹窄的熱影響區(qū)內(nèi)顯微硬度值明顯下降，這和焊接接頭中針狀馬氏體α′相的分布特征有關(guān)。在焊縫中有大量針狀馬氏體α′相的形成，使得焊縫呈現(xiàn)最高的硬度值。但隨著離焊縫距離增加，針狀馬氏體α′相的數(shù)量迅速降低，對(duì)應(yīng)的顯微硬度值也迅速降低。

圖4 TC4脈沖激光焊接接頭的顯微硬度分布特征圖Fig.4 Microhardness profiles of the weld cross section for TC4 pulsed laser welded joint

圖5和圖6是不同溫度下進(jìn)行TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。隨著拉伸溫度的降低，脈沖激光焊接接頭的拉伸強(qiáng)度增大而延性降低。在所有溫度下，拉伸斷裂位置都在靠近熱影響區(qū)的母材區(qū)域。在不同溫度下脈沖激光焊接接頭的拉伸斷口上有大量韌窩存在，說(shuō)明激光焊接接頭斷裂模式是以孔洞長(zhǎng)大及聚合為特點(diǎn)的延性斷裂。從圖6還可以看到，在25℃時(shí)脈沖激光焊接接頭拉伸斷口上的韌窩尺寸和深度大于-60℃和-120℃時(shí)拉伸斷口上的韌窩尺寸和深度，這表明了在室溫下脈沖激光焊接接頭具有更高的延性。

圖5 脈沖激光焊接接頭在不同溫度下的拉伸試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.5 Results of tensile tests for TC4 pulsed laser welded joints under different temperature

3.3低溫對(duì)焊接接頭微觀組織的影響

圖7～9分別是脈沖激光焊接接頭在-120℃、-60℃和25℃下拉伸斷裂后的微觀組織照片。由圖7～9可以看到，在不同溫度下母材區(qū)域的組織產(chǎn)生嚴(yán)重變形，而焊縫和熱影響區(qū)處的組織基本無(wú)變化，表明了在拉伸過(guò)程中脈沖激光焊接接頭的塑性損傷一直集中于母材區(qū)域，導(dǎo)致最終拉伸失效位置為母材。溫度為25℃時(shí)脈沖激光焊接接頭的母材區(qū)域變形程度明顯大于溫度為-60℃和-120℃時(shí)的變形程度，這預(yù)示隨著溫度的降低，脈沖激光焊接接頭的塑性降低。即使溫度下降到-120℃時(shí)，脈沖激光焊接接頭的顯微組織未出現(xiàn)明顯變化。

圖6 脈沖激光焊接接頭在不同溫度下拉伸斷口照片 (a) -120℃； (b) -60℃； (c) 25℃Fig.6 SEM fractographs of the tensile specimens under different temperatures (a) -120℃; (b) -60℃; (c) 25℃

圖7 溫度為-120℃時(shí)脈沖激光焊接接頭拉伸斷口附近照片 (a) 母材； (b) 焊縫； (c) 熱影響區(qū)Fig.7 Post-fracture microstructure characteristics near the tensile fracture surface of welded joint at -120℃ (a) BM; (b) FZ; (c) HAE

圖8 溫度為-60℃時(shí)脈沖激光焊接接頭拉伸斷口附近的照片 (a) 母材； (b) 焊縫； (c) 熱影響區(qū)Fig.8 Post-fracture microstructure characteristics near the tensile fracture surface of welded joint at -60℃ (a) BM; (b) FZ; (c) HAE

圖10是在不同溫度下脈沖激光焊接接頭拉伸斷裂后母材區(qū)域的高倍金相照片。如圖所示，無(wú)論是常溫還是低溫下，脈沖激光焊接接頭的母材區(qū)域中α相都產(chǎn)生嚴(yán)重變形，并且有滑移線(xiàn)在 α相中形成，β相則無(wú)明顯變化。在α/β鈦合金中，由于α相是HCP結(jié)構(gòu)，β相是BCC結(jié)構(gòu)，并且α相強(qiáng)度低于β 相，因此在不同溫度下的塑性變形過(guò)程中將出現(xiàn)α 相和 β 相的變形不協(xié)調(diào)，使得滑移首先出現(xiàn)在α 相中。從圖中還能看出隨著溫度的降低，拉伸斷裂過(guò)程中α相變形程度和滑移帶的數(shù)量明顯減小。由上述結(jié)果可知隨著溫度的降低，母材區(qū)域的組織仍然是(α+β)雙相組織，在拉伸載荷下變形機(jī)制仍然是位錯(cuò)滑移。在不同溫度下引起鈦合金焊接接頭力學(xué)性能變化的原因可能與位錯(cuò)阻力隨溫度變化有關(guān)。隨著溫度的降低，位錯(cuò)阻力和位錯(cuò)分布不均勻性增加，導(dǎo)致了(α+β)雙相組織的強(qiáng)度升高而延性下降[10-11]。

4 結(jié) 論

1.TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭的焊縫區(qū)域由針狀馬氏體α′相組成。靠近焊縫的熱影響區(qū)組織由馬氏體α′和二次α相組成，而靠近母材的熱影響區(qū)組織由針狀馬氏體α′，二次α相，初始α相和β相組成。

2.拉伸斷裂后的顯微組織觀察結(jié)果表明隨溫度降低，TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭的顯微組織并未出現(xiàn)變化。

3.隨溫度降低，TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭拉伸強(qiáng)度升高，而拉伸延性下降，但都呈延性斷裂模式。

4.在低溫拉伸過(guò)程中，TC4鈦合金脈沖激光焊接接頭母材區(qū)域的α相中有滑移帶形成，預(yù)示變形機(jī)制仍然是位錯(cuò)滑移機(jī)制。

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EffectofLowTemperatureontheMicrostructureandMechanicalPropertiesofPulsedNd∶YAGLaserWeldingforTC4TitaniumSheet

GAOXiaolong1,LIHaijun2,LIUJing1,BIZongyue3,LIYuanzheng3

(1.BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji721016,China;2.TianjinBaienweiNewMaterialTechnologyCo.LTD,Tianjin301800,China;3.BaojiPetroleumSteelPipeCo.,LTD.,Baoji721008,China)

To study the influence of low temperature on the microstructure and mechanical properties of pulsed Nd∶YAG laser welded TC4 alloy sheets, the tensile tests at the temperatures ranging from -120℃ to 25℃ were carried out, and the specimens after tensile fracture were examined by scanning electron microscopy. Experimental results show that the microstructure of pulsed laser welded TC4 joint varies little under the low temperature. With the decrease of temperature, the tensile strength and ductility of pulsed laser welded TC4 joint increases and decreases, respectively. The mode of failure for pulsed laser welded TC4 joints is ductile with microvoid coalescence under low temperature conditions. In addition, the slip bands are observed in the α phase of base metal for pulsed laser welded TC4 joints during low temperature tensile process, indicating that the deformation mechanism is still the dislocation slip.

TC4 titanium alloy; pulsed laser welding; low temperature; microstructure and mechanical properties

TG456.7

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.05.029

2016-05-17；

2016-07-18

寶雞文理學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(ZK2017047，ZK16045)

高曉龍(1983-)，博士，講師，研究方向：激光焊接。E-mail:gaoxiaolong503@163.com。

劉 晶，博士，講師。E-mail:elfsmile@163.com。

1673-2812(2017)05-0836-05