楊斯達(dá)　劉立安　趙舵　吳小偉

摘要：針對(duì)TC4鈦合金接頭內(nèi)部易產(chǎn)生氣孔缺陷的問(wèn)題，開(kāi)展了重熔焊對(duì)接頭氣孔消除作用的研究。研究表明，不同重熔焊電流均能得到外觀成形良好的焊縫，X射線探傷結(jié)果顯示，重熔焊能夠有效減少氣孔數(shù)量，氣孔尺寸越大消除作用越顯著，且增大重熔焊電流有利于提高氣孔消除率。拉伸試驗(yàn)表明，R70（重熔焊電流為70 A的接頭，下同）、R80重熔焊接頭的抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)，硬度在母材區(qū)獲得最低值，這主要與熔合區(qū)中存在的針狀馬氏體α′相有關(guān)。而R90接頭抗拉強(qiáng)度較高但延伸率顯著降低，且在熔合區(qū)生成了粗大的塊狀初生αm相，從而使熔合區(qū)成為整個(gè)接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：TC4;重熔焊;氣孔;抗拉強(qiáng)度;針狀馬氏體

中圖分類號(hào)：TG166.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）05-0021-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.04

0 前言

鈦合金以其低密度、高比強(qiáng)度和高耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、核電等領(lǐng)域[1]。然而，鈦的化學(xué)活性大，焊接過(guò)程中極易被空氣、水分、油脂等污染從而形成氣孔缺陷。國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金的焊接氣孔問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。吳明亮[2]等人研究了活性劑TIG焊對(duì)鈦合金焊縫氣孔的消除效果，發(fā)現(xiàn)活性劑的加入可促進(jìn)冶金作用生成HF，從而有效地減少氣孔缺陷。張甫[3]等人對(duì)比研究了不同工藝參數(shù)下激光掃描對(duì)TC4鈦合金氣孔的影響，結(jié)果顯示掃描頻率和掃描半徑對(duì)氣孔的產(chǎn)生有重要影響，且隨著離焦量的增加氣孔率呈下降趨勢(shì)。Jianglin L.Huang[4]等人研究了鈦合金焊接過(guò)程中氣孔的形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)氣孔內(nèi)主要成分為H2和微量的CO2。Chinnapat Panwisawas[5]等人研究了鈦合金激光焊氣孔問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)提高激光功率或降低焊接速度會(huì)增加焊縫中生成氣孔缺陷的傾向。然而截止目前，尚未查見(jiàn)重熔焊工藝對(duì)TC4鈦合金接頭氣孔及力學(xué)性能影響的相關(guān)研究，因此文中針對(duì)航空航天工業(yè)中廣泛使用的TC4鈦合金，開(kāi)展了TIG重熔焊電流對(duì)鈦合金接頭氣孔缺陷及力學(xué)性能影響的對(duì)比研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

以δ1.5 mm TC4鈦合金板材為研究對(duì)象，試件尺寸為300 mm×100 mm，母材的顯微組織如圖1所示，主要化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。所有試板均先進(jìn)行酸洗，再在焊接前4 h內(nèi)用120#金相砂紙打磨試板待焊接區(qū)域，最后用丙酮進(jìn)行清洗。采用TIG自動(dòng)焊不填絲的方式進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中溫度為15～18 ℃，相對(duì)濕度為50%～53%。焊接設(shè)備選用OTC500P氬弧焊機(jī)，直流正接。鎢極選用鑭鎢，直徑1.6 mm，鎢極高度1 mm。由于鈦合金具有高溫易發(fā)生氧化的特點(diǎn)，因此除使用焊槍進(jìn)行正面保護(hù)外，還分別使用墊板和拖罩對(duì)焊縫的背面和正面高溫區(qū)進(jìn)行了氬弧保護(hù)，防止發(fā)生氧化。焊接速度為240 mm/min，所有試板均先用70 A電流完成初次焊接，再進(jìn)行不同電流參數(shù)下的重熔焊試驗(yàn)，重熔焊焊接電流分別選擇70 A、80 A和90 A三種規(guī)范。保護(hù)氣選用純度為99.998%的氬氣，焊槍保護(hù)氣流量13～15 L/min，背面保護(hù)氣流量8～10 L/min，拖罩保護(hù)氣流量10～12 L/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 重熔焊接頭焊縫成形

三組不同電流參數(shù)下的焊接接頭正面、背面及橫截面焊縫成形情況如圖2所示。由圖2可知，不同電流下的試板焊縫外觀形貌相近，成形均勻，無(wú)目視可見(jiàn)的缺陷。焊縫表面呈現(xiàn)銀白色光澤，表明氬氣保護(hù)效果良好。隨著焊接電流的增加，正面焊縫寬度由R70的6 mm逐漸增大到R90的8 mm，背面焊縫寬度由R70的2 mm逐漸增大到R90的4 mm。

2.2 重熔焊工藝對(duì)氣孔的影響

分別對(duì)三組參數(shù)下的重熔前接頭及一次重熔焊接頭進(jìn)行X射線探傷，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，三組試樣的重熔前接頭BR均存在大量氣孔缺陷，氣孔分布在焊縫兩側(cè)熔合線上;重熔焊后接頭氣孔數(shù)量明顯減少，且重熔焊過(guò)程中未生成新的氣孔缺陷，說(shuō)明重熔能夠有效消除焊縫中的氣孔缺陷。統(tǒng)計(jì)接頭探傷氣孔數(shù)量，結(jié)果如圖4所示，三組接頭的氣孔數(shù)量分別由重熔焊前的40只、24只、42只降至12只、4只、5只，氣孔消除率分別為70%、83%和88%，表明電流越大氣孔消除作用越強(qiáng)。為進(jìn)一步研究重熔焊對(duì)不同直徑氣孔的消除作用，將氣孔按直徑大小分為≥0.8 mm和<0.8 mm兩類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)于<0.8 mm的氣孔，重熔焊后氣孔消除率分別為71%、79%和84%;而對(duì)于≥0.8 mm的氣孔，重熔焊后氣孔消除率分別為60%、100%和100%，即經(jīng)過(guò)R80和R90重熔后，直徑≥0.8 mm的氣孔全部消除，由此可知重熔焊對(duì)于消除大直徑氣孔效果更加明顯。

分析焊縫中氣孔缺陷的產(chǎn)生原因：在液體金屬凝固前氣泡未能及時(shí)從熔融金屬中逸出，殘留在焊縫中最終形成氣孔，即當(dāng)氣孔浮出速度（ve）<焊縫金屬凝固速度（vr）時(shí)，將形成氣孔缺陷。在重熔焊過(guò)程中，焊縫金屬被重新熔化，氣泡在浮力作用下向上浮出，根據(jù)Stocks公式，液體金屬中氣泡的浮出速度為

式中 g為重力加速度;η為液體金屬粘度;r為氣泡半徑;ρL為液體金屬密度;ρG為氣泡密度。

由式（1）可知，氣泡的浮出速度與其半徑的平方成正比，當(dāng)其他條件相同時(shí)，氣泡直徑越大，浮出速度越快，因此重熔焊消除直徑較大的氣孔效果更加顯著。此外，在相同焊接速度下，增大重熔焊電流可增加焊縫熱輸入，一方面可降低焊縫金屬凝固速度vr，有利于氣泡的逸出;另一方面，熱輸入的增加提高了熔池的流動(dòng)性，同樣有利于氣泡上浮，所以隨著重熔焊電流的增加，氣孔消除率逐漸增加。

2.3 重熔焊工藝對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

對(duì)重熔焊接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，三種重熔焊接頭拉伸試樣斷裂后的情況如圖5所示。R70與R80接頭均斷于母材區(qū)，R90接頭斷裂于焊縫熔合區(qū)，抗拉強(qiáng)度及延伸率測(cè)試結(jié)果如表2所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出，R70與R80接頭斷裂于母材區(qū)，抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)，延伸率略低于母材;R90接頭斷裂發(fā)生在焊縫熔合區(qū)，抗拉強(qiáng)度較高但延伸率顯著降低。

重熔焊接頭顯微硬度分布曲線如圖6所示，不同參數(shù)下焊縫區(qū)硬度高于母材區(qū)。對(duì)于R70和R80，接頭硬度最低處位于母材區(qū)，而R90重熔焊接頭則在熔合區(qū)附近獲得整個(gè)接頭的最低硬度。

重熔焊接頭斷口掃描電鏡圖像如圖7所示。圖7a、7b中可見(jiàn)母材斷口處存在大量韌窩，表明R70與R80拉伸試樣斷裂為韌性斷裂。圖7c顯示R90重熔焊接頭斷口光滑平整，為脆性斷裂特征。

對(duì)三組電流參數(shù)重熔焊接頭顯微組織進(jìn)行金相分析，如圖8所示。

圖8a、8b和8c分別為R70、R80和R90重熔焊接頭的金相組織?？梢钥闯觯宇^均存在明顯的熱影響區(qū)及熔合區(qū)。對(duì)比圖8d、8e和8f中的晶粒大小可知，R70熔合區(qū)晶粒較細(xì)小，R80熔合區(qū)次之，R90熔合區(qū)晶粒最為粗大，即隨著焊接熱輸入的增大，三種參數(shù)熔合區(qū)晶粒大小R70<R80<R90。這是因?yàn)槿酆蠀^(qū)內(nèi)靠近熱影響區(qū)的部分晶粒在焊接過(guò)程中最高溫度未達(dá)到β相變溫度，不發(fā)生熔化-結(jié)晶過(guò)程，僅在熱源作用下發(fā)生長(zhǎng)大，因此焊接熱輸入越大晶粒生長(zhǎng)尺寸越大。此外，在8d、8e中發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)存在針狀馬氏體α′相，而8f未發(fā)現(xiàn)針狀馬氏體α′相，僅含有大塊狀的初生αm相。

TC4鈦合金連續(xù)冷卻相變圖如圖9所示，鈦合金凝固后組織與冷卻速度有關(guān)。R70、R80焊縫的焊接線能量較R90焊縫低，因此R70、R80焊縫的冷卻速度高于R90焊縫。由圖9可知，較高的冷卻速度更傾向于生成針狀馬氏體α′相，而對(duì)于冷卻速度相對(duì)較低的R90焊縫熔合區(qū)則存在粗大的塊狀αm相。

通過(guò)上述試驗(yàn)分析，不難發(fā)現(xiàn)三組重熔焊接頭中采用大電流進(jìn)行重熔得到的接頭塑性明顯偏低，這主要與三組不同參數(shù)重熔焊接頭的組織差異有關(guān)。對(duì)于R70、R80重熔焊接頭，焊縫區(qū)、熔合區(qū)均存在針狀馬氏體α′相，整個(gè)接頭硬度最低位置位于母材區(qū)，此處在拉伸應(yīng)力作用下容易成為薄弱環(huán)節(jié)。母材區(qū)組織為細(xì)小等軸晶粒（見(jiàn)圖1），因此在拉伸應(yīng)力作用下發(fā)生韌性斷裂，獲得較高的延伸率和韌窩斷口。而對(duì)于R90重熔焊接頭，由于熱輸入較大導(dǎo)致冷卻速度較低，熔合區(qū)生成粗大的塊狀αm相，此處硬度偏低從而成為整個(gè)接頭的薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)粗大的晶粒在拉伸應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂，從而獲得較低的延伸率及較平整的斷口形貌。

3 結(jié)論

（1）TC4鈦合金重熔焊能夠得到成形良好的接頭，重熔可有效消除焊縫內(nèi)的氣孔缺陷，大直徑氣孔消除效果優(yōu)于小直徑氣孔，且增大重熔焊電流有利于提高氣孔消除率。

（2）R70、R80重熔焊接頭斷裂于母材區(qū)，抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)，延伸率略低于母材;R90接頭斷裂發(fā)生在焊縫熔合區(qū)，抗拉強(qiáng)度較高但延伸率顯著降低。R70和R80，接頭硬度最低處位于母材區(qū)，而R90重熔焊接頭則在熔合區(qū)獲得整個(gè)接頭的最低硬度。

（3）R70、R80重熔焊接頭熔合區(qū)中存在針狀馬氏體α′相，該組織硬度較高;而R90接頭熔合區(qū)未發(fā)現(xiàn)針狀馬氏體α′相，僅含有粗大的塊狀初生αm相，導(dǎo)致R90接頭發(fā)生脆性斷裂。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李明利，舒瀅，馮毅江，等. 我國(guó)鈦及鈦合金板帶材應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].鈦工業(yè)，2011，28（6）：14-17.

[2] 吳明亮，余淑榮，張國(guó)錦，等. 活性劑消減鈦合金焊接氣孔的試驗(yàn)研究[J]. 熱加工工藝，2006，35（15）：36-38.

[3] 張甫，王威，王旭友，等. TC4鈦合金激光掃描焊接工藝參數(shù)對(duì)氣孔的影響[J]. 焊接，2016（2）：35-39.

[4] Jianglin L.Huang，Nils Warnken，Jean-Christophe Gebelin，et al. On the mechanism of porosity formation during welding of titanium alloys[J]. Acta Materialia，2012（60）：32153225.

[5] Chinnapat Panwisawas，Bama Perumal，R Mark Ward，et al.Keyhole Formation and Thermal Fluid Flow-Induced Porosity during Laser Fusion Welding in Titanium Alloys：Experimental and Modelling[J]. Acta Materialia，2017（126）：251-263.