李軍兆，孫清潔,，于航，張鵬程，劉一搏，曾憲山

(1.湖南湘投金天新材料有限公司 益陽 413000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 威海 264209)

0 序言

鈦合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、化工及壓力容器等領(lǐng)域[1].隨著我國先進(jìn)飛行器的發(fā)展，將鈦合金應(yīng)用于管路系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的不銹鋼或鋁合金管材，鈦合金管不僅能夠承擔(dān)更大的工作壓力，還能夠滿足航空航天領(lǐng)域?qū)煽啃约俺志眯缘囊骩2-3].

在實際應(yīng)用過程中，鈦合金管材、板材或型材均會受到空間位置及裝配精度局限，勢必要采用合適的焊接方法對其進(jìn)行連接.目前，薄板鈦合金常用的焊接方法為鎢極氬弧焊接(TIG)，吳巍等人[4]研究發(fā)現(xiàn)鈦合金常規(guī)TIG 焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)晶粒嚴(yán)重粗化，在熱影響區(qū)粗晶區(qū)部位存在硬度的軟化區(qū)，隨著焊接熱輸入增加，硬度值逐漸減小.吳健文等人[5]采用快頻脈沖TIG 技術(shù)攪拌熔池內(nèi)部液態(tài)金屬，進(jìn)而減小TC4 鈦合金焊縫晶粒和熱影響區(qū)粗化，焊縫區(qū)組織為網(wǎng)籃狀馬氏體α'相.

隨著激光焊接的普遍應(yīng)用，TC4 鈦合金激光焊接技術(shù)也得到大量研究[6-8].南京航空航天大學(xué)黃煒等人[9]研究發(fā)現(xiàn)TC4 鈦合金激光焊接接頭主要分為細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)，熔合區(qū)組織主要為網(wǎng)籃狀針狀α'馬氏體和未轉(zhuǎn)變的β相，熱影響區(qū)主要為初生α 相和針狀α'馬氏體.日本大阪大學(xué)Liu 等人[10]認(rèn)為隨著激光焊接速度的增加，熔合區(qū)的針狀α'馬氏體變得更加細(xì)小，使得熔合區(qū)硬度值維持在較高的水平.西安交通大學(xué)Xu 等人[11]研究發(fā)現(xiàn)TC4 激光焊接接頭硬度值分布與微觀組織密切相關(guān)，焊縫熔合線位置具有最大硬度值，而隨距焊縫中心距離增加，顯微硬度值逐漸減小.

TC4 鈦合金焊接接頭宏觀形貌、微觀組織及顯微硬度與TIG 和激光焊接方法及工藝參數(shù)密切相關(guān)，因此主要對TIG 和激光焊接方法下的工藝、組織、性能的相互關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究.

1 試驗方法

研究所采用的試驗材料為TC4 鈦合金，試樣長為100 mm、寬為100 mm、厚2.0 mm，化學(xué)成分如表1 所示.采用TIG 和激光表面自熔焊接方法，焊接方向垂直于板材軋制方向，焊接示意圖如圖1 所示.施焊前，采用砂紙對試樣表面進(jìn)行打磨，并采用NaOH 和HCl 溶液對試樣進(jìn)行處理，以去除表面的氧化膜，最后用酒精對試樣進(jìn)行沖洗并烘干.

表1 TC4 鈦合金主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of TC4 alloy

圖1 TC4 鈦合金TIG 和激光焊接示意圖Fig.1 The TIG and laser welding diagram for TC4 titanium alloy.(a) TIG welding;(b) laser welding

TIG 電弧焊接試驗過程中主要研究焊接電流和焊接速度對焊接接頭橫截面形貌和微觀組織的影響規(guī)律；激光焊接主要研究激光輸出功率對接頭微觀組織的影響.TIG 和激光焊接過程中均采用純氬氣對高溫焊接熔池區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，其中鎢極保護(hù)噴嘴氣體流量為8 L/min，焊接拖罩氣體流量為10 L/min.

焊后采用線切割在焊縫相同位置上截取金相試樣，經(jīng)過磨拋后采用Kroll 試劑對金相試樣進(jìn)行腐蝕，采用光學(xué)顯微鏡對焊接接頭的組織狀態(tài)進(jìn)行分析，并采用顯微硬度計測量接頭的顯微硬度分布，焊接接頭測量點(diǎn)間距均為0.2 mm，加載載荷1 kg，持續(xù)15 s.

2 試驗結(jié)果

2.1 焊接接頭宏觀形貌及晶粒尺寸

圖2 為不同焊接參數(shù)下的TC4 鈦合金TIG 焊接接頭焊縫橫截面形貌，具體數(shù)據(jù)如表2 所示.可以看出TC4 鈦合金TIG 焊接接頭主要分為母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū).并且隨著焊接電流增加或焊接速度減小，TC4 鈦合金焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度逐漸增加，且焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒尺寸也逐漸增加.

圖2 不同TIG 焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形貌Fig.2 The cross sections of TIG welded joint with various parameters.(a) 180 A,0.8 m/min;(b) 200 A,0.8 m/min;(c) 220 A,0.8 m/min;(d) 220 A,1.0 m/min;(e) 220 A,1.2 m/min

表2 不同TIG 焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形狀參數(shù)Table 2 The shape parameters of TIG weld cross sections with various parameters

TC4 鈦合金焊接接頭的組織轉(zhuǎn)變比較復(fù)雜，焊縫區(qū)域的晶粒組織形態(tài)和尺寸主要取決于最高加熱溫度、高溫停留時間及冷卻速率.鈦合金熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性能差，焊接過程中接頭在高溫停留時間長，并且焊后冷卻過程迅速，使得焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織發(fā)生顯著變化.根據(jù)晶粒尺寸特征TC4 鈦合金TIG 焊接接頭可以細(xì)分為焊縫柱狀晶區(qū)、焊縫粗晶區(qū)、熱影響區(qū)粗晶區(qū)、熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)和母材.其中焊縫柱狀晶區(qū)晶粒呈45°夾角從兩側(cè)對稱向焊縫中心位置生長，晶粒具有較大的長寬比，而焊縫粗晶區(qū)和熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶?；境尸F(xiàn)等軸狀態(tài).當(dāng)焊接電流為220 A、焊接速度為0.8 m/min時，此時具有最大的焊接熱輸入，焊縫區(qū)表面寬度為7.04 mm，單側(cè)熱影響區(qū)寬度為1.80 mm，焊縫中心區(qū)域呈現(xiàn)鑄態(tài)組織特征，晶粒顯著粗化，為粗大的柱狀晶組織.

圖3 為不同參數(shù)下的焊縫晶粒尺寸分布特征，可以發(fā)現(xiàn)從焊縫中心向兩側(cè)，晶粒尺寸逐漸減小，呈現(xiàn)非線性梯度變化特征，在柱狀晶/焊縫粗晶區(qū)、焊縫粗晶區(qū)/熱影響區(qū)粗晶區(qū)具有最大的晶粒梯度.隨著焊接電流增加或焊接速度降低，焊縫中心柱狀晶區(qū)的寬度逐漸減小，并向粗晶區(qū)轉(zhuǎn)變，焊縫區(qū)晶粒尺寸變化趨勢逐漸趨于平緩.特別是當(dāng)焊接速度增加至1.2 m/min時，焊縫中心區(qū)域的晶粒尺寸基本一致，粗大柱狀晶區(qū)域減小，晶粒長寬比降低，與粗晶區(qū)基本具有相似的晶粒尺寸.

圖3 不同參數(shù)下的焊縫晶粒尺寸分布特征Fig.3 The grain distribution characteristics of welded joint with various parameters.(a) effect of welding current on grain size;(b) effect of welding speed on grain size

圖4 為不同激光焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形貌，如表3 所示.可以看到不同激光焊接功率下的TC4 鈦合金焊縫橫截面形貌基本相似，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度變化不明顯，不同激光功率參數(shù)下的接頭焊縫區(qū)寬度為2.50 mm，約為TIG 焊縫區(qū)寬度的40%；單側(cè)熱影響區(qū)寬度為0.50 mm，約為TIG焊熱影響區(qū)寬度的30%.接頭焊縫區(qū)主要為柱狀晶組織，具有聯(lián)生結(jié)晶生長的特征，相比于TIG 焊接柱狀晶尺寸顯著降低.這是由于激光焊接具有較快的加熱和冷卻速率，熔池液態(tài)金屬主要依附于母材半熔化晶粒形核長大，熔池高溫停留時間相對較短，晶粒來不及長大變凝固.在熱影響區(qū)主要分為近縫區(qū)的完全轉(zhuǎn)變熱影響區(qū)，組織為粗大等軸晶；以及近母材區(qū)的未完全轉(zhuǎn)變熱影響區(qū)，組織為的細(xì)小等軸晶和板條組織，主要與最高加熱溫度有關(guān).

表3 不同激光焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形狀參數(shù)Table 3 The shape parameters of laser weld cross sections with various parameters

圖4 不同激光焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形貌Fig.4 The cross sections of laser welded joint with various parameters.(a) 3.4 kW,3.0 m/min;(b) 3.8 kW,3.0 m/min;(c) 4.2 kW,3.0 m/min;(d) 4.6 kW,3.0 m/min

2.2 焊縫微觀組織與顯微硬度

圖5 和圖6 分別為TIG 焊接(220 A，1.2 m/min)和激光焊接(4.2 kW，3.0 m/min)接頭的微觀組織特征，雖然兩者焊接熱源形式有所差異，但是TC4 鈦合金焊接接頭不同區(qū)域微觀組織特征基本相似.在TC4 鈦合金加熱過程中，當(dāng)溫度超過α/β 轉(zhuǎn)變溫度時，TC4 母材中的α 相向β 向轉(zhuǎn)變，由于合金元素在β 相中的擴(kuò)散系數(shù)較大，β 晶粒將快速長大.在隨后的焊縫快速冷卻過程中，焊接熔池將會保存原來粗大的β 晶粒至固相.因此焊縫組織中為由粗大的β 柱狀晶轉(zhuǎn)變而來的針狀馬氏體α'相，高溫β 晶粒的晶界清晰.此時針狀馬氏體α'相具有一定的晶體學(xué)相位關(guān)系，主要是從β晶界向晶內(nèi)生長.然而，對比TIG 焊焊接接頭和激光焊接接頭組織特征，可以發(fā)現(xiàn)，由于激光焊接熱輸入小、熔池高溫停留時間短暫、加熱及冷卻過程快速，使得TC4 鈦合金焊縫組織的針狀α'馬氏體更加細(xì)小.

圖5 TC4 鈦合金TIG 焊接接頭微觀組織Fig.5 The microstructure of TIG welded joint.(a) fusion line area;(b) heat affected zone 1;(c) heat affected zone 2;(d) heat affected zone 3;(e) weld zone 1;(f) weld zone 2

在近縫區(qū)熱影響區(qū)的加熱溫度超過α/β 轉(zhuǎn)變溫度，α 相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，由于此處的加熱溫度低于焊縫區(qū)域，且冷卻速度相比于焊縫較快，因此形成β 等軸晶粒，晶粒尺寸相比于焊縫較小.在隨后的冷卻過程中，β 相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相.由于此時熔池的冷卻速度相對較大，使得針狀馬氏體α'相既能夠在β 晶界形核，又能夠在β 晶內(nèi)形核，生成網(wǎng)籃組織.隨著距焊縫中心位置的增加，熱影響區(qū)的加熱溫度僅能使部分α 相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，高溫為?β 雙相，由于此時的加熱溫度較低且冷卻速度較快，β 晶粒來不及快速長大，晶粒尺寸較小；與隨后的快速冷卻使得未轉(zhuǎn)變的α 保留下來，生成原生α+針狀馬氏體α'雙相組織.

圖7 為TC4 鈦合金TIG 和激光焊接接頭不同區(qū)域的顯微硬度分布，由圖可以發(fā)現(xiàn)，激光焊接接頭焊縫區(qū)顯微硬度基本保持在370 HV，在熔合線位置硬度值達(dá)到最高值為393 HV，在熱影響區(qū)顯微硬度值迅速降低.激光焊接接頭的冷卻速度較快，導(dǎo)致生成較多的針狀α'相，使得焊縫顯微硬度值相比于母材整體偏高.

圖7 TC4 合金TIG 和激光焊接接頭顯微硬度分布特征Fig.7 The microhardness distribution of TIG and laser welded joints.(a) TIG welding;(b) laser welding

此外，TIG 焊接接頭的顯微硬度值要明顯低于激光焊接接頭，焊縫區(qū)顯微硬度值為350 HV，在近縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)存在軟化區(qū)，顯微硬度值達(dá)到最低值300 HV，隨后在熱影響細(xì)晶區(qū)有所增加，并逐漸降低至母材320 HV 左右.這是因為鈦合金導(dǎo)熱性差，熱影響區(qū)近縫區(qū)長時間處于過熱狀態(tài)，β 晶粒嚴(yán)重長大，在隨后的冷卻過程中，較快的冷卻速度使得未轉(zhuǎn)變的α 相保留下來，形成α+α'雙相組織，在硬度方面體現(xiàn)為熔合線附近粗晶區(qū)的顯微硬度值降低.

3 結(jié)論

(1)在實現(xiàn)2.0 mm 厚度TC4 鈦合金全熔透條件下，激光焊接具有較小的熱輸入和較高的焊接速度，激光焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度分別為TIG 焊接接頭的40 %和30 %.

(2)TC4 鈦合金TIG 和激光焊接接頭晶粒尺寸隨距焊縫中心位置的增加逐漸減小.相比于TIG 焊接，激光焊接接頭焊縫區(qū)柱狀晶和熱影響區(qū)等軸晶的晶粒尺寸均顯著減小.且隨著焊接熱輸入增加，TC4 鈦合金TIG 焊接接頭的晶粒尺寸逐漸增大，而激光焊接接頭晶粒尺寸對熱輸入的敏感性較低.

(3)相比于TIG 焊接，TC4 鈦合金激光焊接具有快速加熱和冷卻的特征，焊縫區(qū)呈現(xiàn)魏氏組織特征，針狀α'馬氏體相互交錯，且馬氏體更加細(xì)小，接頭的顯微硬度值相對較高.而TC4 鈦合金TIG 焊接接頭在近縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)存在軟化現(xiàn)象，顯微硬度值低于母材.