高曉剛,梁建明,王 爍,賈慧慧,任少博

(河北建筑工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

0 引言

TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度、良好的抗蝕性能和高溫抗氧化性能等突出的優(yōu)點(diǎn),在航天航空、化工、電力等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。因鈦合金性質(zhì)活潑,高溫下溶解氮、氫、氧的能力大,導(dǎo)致其焊接性能較差,焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊等常規(guī)焊接方法并不適合于鈦及其合金的焊接。目前最常用的焊接方法有鎢極氬弧焊(TIG)、激光焊[2](LBW)、電子束焊[3](EBW)和等離子弧焊(PAW)[4],但激光焊和電子束焊等先進(jìn)焊接技術(shù)在焊件尺寸和焊接位置(平焊、立焊、橫焊、仰焊)方面存在局限性,且焊接的成本較高,因此考慮焊接成本且可實(shí)現(xiàn)全位置焊接,鎢極氬弧焊仍舊是鈦及其合金最常用的焊接方法[5]。

TC4鈦合金在氬弧焊焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生接頭區(qū)脆化、晶粒粗大、焊接裂紋和氣孔等焊接缺陷[6],導(dǎo)致其焊接接頭的力學(xué)性能變差。為進(jìn)一步優(yōu)化TC4鈦合金焊接工藝,試驗(yàn)通過(guò)改變焊接工藝參數(shù):焊接電流、焊接速度,在四種熱輸入條件下對(duì)3 mm厚度TC4鈦合金進(jìn)行TIG焊接,焊后采用Imager.

A1蔡司光學(xué)顯微鏡觀察了焊縫組織,采用WDW-200型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了焊接接頭的拉伸、彎曲性能,采用顯微硬度儀測(cè)量了接頭區(qū)域的硬度分布,采用D/MAX-2500型X射線衍射儀對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行物相分析,采用S-3400N掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌,采用EDS能譜儀對(duì)斷口的典型位置進(jìn)行了元素成分分析,研究了在四種焊接熱輸入條件下的焊接接頭組織和性能的變化規(guī)律,所得試驗(yàn)結(jié)果對(duì)TC4鈦合金的焊接生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用上海創(chuàng)端實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的3 mm厚TC4試板,試板的化學(xué)成分及力學(xué)性能測(cè)試值見表1和表2。焊絲為與母材成分相同的φ3 mm實(shí)芯焊絲,焊接設(shè)備為美國(guó) miller square wave 250焊機(jī)。焊前對(duì)試板和焊絲表面酸洗,去除鈦合金表層氧化物和雜質(zhì),拿取時(shí)應(yīng)戴潔凈的白手套防止油污污染待焊試件表面。TIG焊接方式使用電源直流正接法,電極為φ2.5 mm鈰鎢極,噴嘴為φ15 mm的銅質(zhì)噴嘴。為了避免焊接過(guò)程中高溫熔池與氧、氮、氫等元素發(fā)生冶金反應(yīng),焊接試驗(yàn)在純度為99.99%的充氬玻璃箱內(nèi)進(jìn)行,設(shè)定焊槍氬氣流量15 L·min-1。焊接過(guò)程中通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)(電流、焊接速度)得到了四組焊接熱輸入數(shù)據(jù),分別為:572 J·mm-1、613 J·mm-1、629 J·mm-1、638 J·mm-1。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表2 TC4鈦合金力學(xué)性能

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭組織分析

圖1為TC4鈦合金TIG焊接接頭的微觀組織形貌。因不論在何種熱輸入條件下焊接,焊接接頭的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程和晶粒度變化的規(guī)律基本一致,明顯的區(qū)別在組織形態(tài)和晶粒大小上[7],現(xiàn)以629J·mm-1熱輸入條件下的焊接試樣為例,分析焊接接頭各區(qū)的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程及特征。從圖中看出,焊接接頭在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)以后,組織可以分為母材區(qū)(BM)、過(guò)渡區(qū)(TZ)、細(xì)晶區(qū)(FGR)、粗晶區(qū)(CGR)和焊縫區(qū)(WM)。母材區(qū)組織為等軸狀的α相和β相的機(jī)械混合物[8];過(guò)渡區(qū)、細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)屬于熱影響區(qū),在強(qiáng)烈的TIG電弧熱沖擊作用下,原始α相和β相開始逐步熔合向高溫β相轉(zhuǎn)變,冷卻后只有部分α相形成α′馬氏體相,組織組成物為α+β+α′相;焊縫區(qū)中的高溫β相通過(guò)晶格重構(gòu)形式向針狀α′馬氏體轉(zhuǎn)變,生成了α′馬氏體,并相互交織成網(wǎng)籃狀組織結(jié)構(gòu),見圖2。此外,從圖1中還可以看出,隨著越靠近焊縫中心區(qū),β晶粒的粗化程度逐漸變大,圓整度也變差,且晶粒長(zhǎng)大具有突變特性。通過(guò)X射線衍射物相分析,在四種熱輸入條件下的焊縫組織均為單一的α′馬氏體相,見圖3。這表明焊接過(guò)程中冷速較快,β相來(lái)不及向α相轉(zhuǎn)變,只能形成它們之間的一種亞穩(wěn)態(tài)過(guò)渡相α′[9]。α′馬氏體相因具有很高的硬度和強(qiáng)度,從而使焊縫表現(xiàn)出優(yōu)良的抗拉性能。

圖1 TIG焊接頭的微觀組織形貌母材(BM)、過(guò)渡區(qū)(TZ)、細(xì)晶區(qū)(FGR)、粗晶區(qū)(CGR)和焊縫區(qū)(WM)

圖2 接頭焊縫區(qū)微觀組織

圖3 焊縫區(qū)組織X射線衍射圖譜

2.2 顯微硬度分析

圖4為在四種熱輸入條件下TC4鈦合金TIG焊接接頭的顯微硬度變化曲線,其中橫坐標(biāo)為到焊縫中心線的距離,縱坐標(biāo)為接頭處的顯微硬度測(cè)試值。從圖中看出,隨著離開焊縫中心距離的增加,四組接頭試樣的顯微硬度均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。其中焊縫區(qū)域的硬度值最高,平均硬度值在HV340～HV360,表明該區(qū)域具有較高的強(qiáng)度和變形阻力,這是因?yàn)樵诤附訜嵫h(huán)作用下,焊縫區(qū)生成了大量由針狀α′相組成的網(wǎng)籃狀馬氏體組織的緣故;在熱影響區(qū)即距離焊縫中心4 mm～6 mm處,存在一個(gè)軟化區(qū),該區(qū)域內(nèi)的硬度值最低,其平均硬度值在HV305～HV325之間,表明在該區(qū)域較容易發(fā)生斷裂,是焊接接頭性能比較薄弱的一個(gè)區(qū)域;母材區(qū)的硬度值恒定在HV330～HV335之間變化。試樣1#,2#,3#,4#的焊接熱輸入值是一個(gè)遞增的關(guān)系,圖中進(jìn)一步可看出,隨著熱輸入的增加,四組試樣焊縫區(qū)的硬度值呈現(xiàn)升高的趨勢(shì),熱影響區(qū)位置的軟化區(qū)逐步向母材側(cè)移動(dòng),且軟化區(qū)的硬度值也均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì),即在高的焊接熱輸入下,其軟化區(qū)的硬度值相比低的焊接熱輸入要高。焊接接頭軟化區(qū)組織由α相、α′相和β相組成,其中針狀α′馬氏體的含量和分布綜合決定了該區(qū)硬度值的大小[10]。

圖4 TC4鈦合金TIG接頭顯微硬度分布曲線

2.3 拉伸、彎曲力學(xué)性能測(cè)試

表3為在四種熱輸入條件下焊接接頭的拉伸和彎曲力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)。在每種焊接熱輸入條件下焊接3個(gè)試樣,取平均值作為最終測(cè)試值。在拉伸試驗(yàn)中大部分試樣的斷裂位置均處在焊縫熔合線附近并偏向熱影響區(qū)(HAZ)側(cè),其中有3組試樣斷裂在焊縫區(qū)(WM)。從圖5看出,隨著焊接熱輸入的增大,焊接接頭的抗拉強(qiáng)度值在單調(diào)遞增。在最大熱輸入值 638 J·mm-1時(shí),焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度值為901 MPa,達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的98%,基本接近母材的抗拉強(qiáng)度值;在最小焊接熱輸入572 J·mm-1時(shí),焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度值為853 MPa,也達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的92%。表明在四種熱輸入工藝下,焊接接頭的拉伸性能良好。進(jìn)一步通過(guò)Origin軟件中的多項(xiàng)式回歸擬合方法對(duì)焊接熱輸入與焊接接頭的抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合,得到回歸方程:Y=7 555.32-23.05X+0.02X2(其中Y為抗拉強(qiáng)度值,X為焊接熱輸入值),用來(lái)表征抗拉強(qiáng)度與熱輸入大小關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。從圖中可看出,在實(shí)驗(yàn)中給定的熱輸入范圍內(nèi),焊接接頭抗拉強(qiáng)度隨焊接熱輸入的增加在單調(diào)遞增,表明在制定工藝時(shí),還可以增大焊接熱輸入,以進(jìn)一步提高焊接接頭的力學(xué)性能。這對(duì)TC4鈦合金TIG焊接工藝的制定及優(yōu)化具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

圖5 焊接接頭抗拉強(qiáng)度與熱輸入的關(guān)系

此外,從表3中可知,焊接接頭的平均彎曲強(qiáng)度值隨焊接熱輸入增加先降后增,相比TC4母材的彎曲強(qiáng)度值2 673 MPa,試樣彎曲性能最大測(cè)試值也僅達(dá)到了54%,說(shuō)明TC4鈦合金TIG焊接接頭的彎曲性能普遍不佳;試樣的延伸率隨熱輸入的增加而增加,斷面收縮率則先降低后增加,總體來(lái)看其值偏低。TC4在經(jīng)歷不同的焊接熱輸入后,其焊接接頭的塑韌性嚴(yán)重變差,這是由于在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后焊縫和熱影響區(qū)的晶粒粗大以及生成α′馬氏體脆硬相導(dǎo)致的。

2.4 斷口形貌及能譜分析

圖6是在四種熱輸入條件下焊接接頭拉伸試樣的斷口形貌圖。從圖中看出,四組拉伸試樣的斷口形貌具有共同的特征,均表現(xiàn)為斷面齊平,且與正應(yīng)力的方向相互垂直,圖中還可觀察到解離面和解離臺(tái)階的存在,以及在撕裂棱處大小不一的韌窩?？傮w來(lái)看,韌窩尺寸均較小和較淺,雖然存在一定的塑性變形能力,但塑性變形的程度很小,這些小而淺韌窩在拉伸過(guò)程中不足以吸收足夠多的能量,客觀上仍舊以脆性斷裂為主。這也是焊接接頭的斷面收縮率和伸長(zhǎng)率偏低的原因所在。

(a)1#試樣 (b)2#試樣

(c)3#試樣 (d)4#試樣圖6 試樣拉伸斷口形貌

利用能譜儀對(duì)試樣進(jìn)行EDS能譜分析可以確定元素組成及含量,能進(jìn)一步檢驗(yàn)焊縫在受熱過(guò)程中的保護(hù)效果,同樣可解釋拉伸試樣的微觀斷裂機(jī)理。圖7為焊縫區(qū)的能譜分析結(jié)果,從圖中可知,焊縫區(qū)的主要元素組成為Al、Ti、V,這些元素屬于基體元素,并無(wú)其他元素出現(xiàn),表明焊接過(guò)程中保護(hù)效果良好。此外,Al、Ti、V三種元素含量比例與母材成分元素比例兩者差別較大,表明焊接過(guò)程中出現(xiàn)了元素的燒損和偏析。Al作為α相穩(wěn)定元素,V作為β相穩(wěn)定元素。Al元素的燒損可以使β相變的穩(wěn)定,在焊縫金屬冷卻凝固及后續(xù)固態(tài)相變過(guò)程中,β相轉(zhuǎn)變?yōu)楹缚p和熱影響區(qū)中針狀α′相的量減少,也會(huì)在一定程度上影響焊接接頭的綜合力學(xué)性能。

圖7 試樣能譜分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后,TC4鈦合金TIG焊接接頭組可以分為母材區(qū)(BM)、過(guò)渡區(qū)(TZ)、細(xì)晶區(qū)(FGR)、粗晶區(qū)(CGR)和焊縫區(qū)(WM)。在四種焊接熱輸入條件下,焊縫組織為單一的針狀α′馬氏體相編織成的網(wǎng)籃狀組織,保證了焊縫具有優(yōu)良的抗拉性能。

(2)焊接接頭中焊縫區(qū)硬度值最高,在熱影響區(qū)存在一個(gè)明顯的軟化區(qū)。隨著焊接熱輸入的增加,四組試樣焊縫區(qū)的硬度值呈現(xiàn)升高的趨勢(shì),熱影響區(qū)位置的軟化區(qū)逐步向母材側(cè)移動(dòng),且軟化區(qū)硬度值也均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。

(3)隨焊接熱輸入增加,焊接接頭抗拉強(qiáng)度值在單調(diào)遞增。試驗(yàn)中最小的抗拉強(qiáng)度平均值也達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的92%。表明在四種熱輸入工藝下,焊接接頭的抗拉性能均良好;焊接接頭的彎曲性能普遍不佳,延伸率和斷面收縮率值偏低,表明焊接接頭的塑韌性較差。

(4)拉伸斷口分析結(jié)果顯示,斷口處存在大量的解離面和解離臺(tái)階,且韌窩小而淺,斷裂形式仍以脆性斷裂為主;焊縫區(qū)的主要元素組成為Al、Ti、V,無(wú)其他元素出現(xiàn),表明焊接過(guò)程中保護(hù)效果良好。