牟建偉,劉艷梅,史吉鵬,高 峰,黃成杰

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司技術(shù)研究院,沈陽 110850)

0 引 言

TC18鈦合金是一種α+β型高強鈦合金,名義成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe,具有強度高、韌性好、淬透性能優(yōu)良、焊接性較好等特點,常用于制造飛機框梁類大型鍛件產(chǎn)品[1-3]。焊接技術(shù)作為一種材料連接方法,在零件一體化、大型化制造過程中完成最終的零件拼接成形,對零件性能起決定性的作用[4-5]。目前,針對大型結(jié)構(gòu)的焊接,所選用的焊接方法主要有電子束焊接與氬弧焊接2種[6-7]。氬弧焊接主要用于連接一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、難以實現(xiàn)自動化焊接的構(gòu)件,焊接過程在真空箱中進行,可有效抑制接頭氧化;但氬弧焊接熱源的能量密度較低,焊接熔深較淺,在應(yīng)用于大厚度結(jié)構(gòu)件連接時需要先行開制坡口,再進行多層多道填絲焊接,多層多道焊接工藝會導(dǎo)致焊道及周邊母材因多次受熱而發(fā)生組織劣化,從而降低接頭的力學性能[8]。電子束焊接常應(yīng)用于結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)自動化焊接的構(gòu)件。電子束焊接的能量密度高,接頭熱影響區(qū)小,且同樣在真空環(huán)境焊接,高溫熔池氧化的風險較小,同時電子束焊接自動化程度高,焊道一致性好。但是,電子束焊接接頭各區(qū)域的寬度較窄,在對一些回轉(zhuǎn)體零件進行環(huán)縫焊接時起收弧處會出現(xiàn)重復(fù)焊接,使該處的組織發(fā)生變化,力學性能受到影響[9-12]。目前,對鈦合金薄板的多次焊接研究較多,對其中厚板的多次焊接工藝研究鮮有報道。

作者采用電子束焊接技術(shù)對21 mm厚TC18鈦合金板分別進行1次焊接及2次焊接試驗,研究了焊接次數(shù)對接頭組織、拉伸性能和硬度的影響,以期為飛機框梁類結(jié)構(gòu)的研制提供技術(shù)支持。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選用鍛造TC18鈦合金板,厚度為21 mm,板幅為150 mm×170 mm,化學成分見表1,顯微組織見圖1?？梢婂懺焘伜辖鸾M織呈典型的“網(wǎng)籃”狀,主要由α+β與β相組成,α板條的厚度約為2 μm,因經(jīng)歷鍛造加工,β相晶界出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。焊接試驗前48 h內(nèi)將待焊鈦合金板酸洗去除氧化皮,前2 h內(nèi)將待焊接頭40 mm范圍內(nèi)的區(qū)域進行機械打磨,并用白布蘸丙酮清除表面油污、灰塵等雜質(zhì)。在電子束焊接前采用機械方式修配,使對接間隙不大于0.1 mm。采用ZD150-30C CV65M型高壓電子束焊機進行1次焊接與2次焊接(在1次焊接的焊縫處用同樣工藝重復(fù)焊接)試驗,接頭為對接形式,對接面不制作坡口,焊接電壓為150 kV,焊接速度為20 mm·s-1,聚焦電流為2.227 A,焊接電流為85 mA。

圖1 TC18鈦合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of TC18 titanium alloy

表1 TC18鈦合金的化學成分Table 1 Chemical composition of TC18 titanium alloy

采用XDX-DR350型X射線檢測儀檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量。將接頭徑向截面進行磨拋,采用ZEISS AXIOLAB5型光學顯微鏡觀察低倍形貌。沿接頭橫截面制取截面尺寸為10 mm×30 mm的金相試樣,經(jīng)打磨拋光,用Keller試劑腐蝕后,采用Sigma-300型掃描電鏡(SEM)觀察焊接接頭的顯微組織。根據(jù)GB/T 228.1-2021,采用CAK63285型數(shù)控機床沿垂直焊縫方向在母材和接頭處(以焊縫為中心)制取如圖2所示的拉伸試樣,用細砂紙對試樣外表面進行精磨處理,采用WDW200D型萬能拉伸試驗機進行拉伸試驗,各測3個試樣取平均值。采用SEM觀察拉伸斷口形貌。采用HV1000型顯微硬度計進行硬度檢測,于徑向截面中部取點,測試點間距為0.25 mm,載荷為2 N,保載時間為15 s。

圖2 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.2 Shape and size of tensile specimen

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 成形質(zhì)量及顯微組織

由圖3可見,1次焊接與2次焊接接頭表面成形良好,沒有明顯的氣孔與凹陷等缺陷。由圖4可以看出,2種接頭內(nèi)部均沒有出現(xiàn)氣孔與未熔合等缺陷。由圖5可以看出:2種接頭內(nèi)部質(zhì)量良好,上表面熔寬相等,均為7.3 mm;2次焊接接頭的中部與底部熔寬分別為5.0 mm與5.6 mm,分別高于1次焊接接頭的中部(4.8 mm)與底部(4.7 mm)熔寬。

圖3 不同電子束焊接次數(shù)接頭的表面形貌Fig.3 Surface morphology of joints with different electron beam welding times:(a) single welding and (b) twice welding

圖4 不同電子束焊接次數(shù)接頭的X射線檢測結(jié)果Fig.4 X-ray test results of joints with different electron beam welding times:(a) single welding and (b) twice welding

圖5 不同電子束焊接次數(shù)接頭的截面形貌Fig.5 Section morphology of joints with different electron beam welding times:(a) single welding and (b) twice welding

由圖6可見:2種焊接接頭熱影響區(qū)中部組織均由等軸初生α相、針狀α′相和β相組成,這主要是因為焊接時熱影響區(qū)受到的熱循環(huán)較小,熔池冷卻速率較快,部分α相沒有發(fā)生β轉(zhuǎn)變被保留下來,而另一部分α相轉(zhuǎn)變形成的β相在快速冷卻時析出針狀α′相;焊縫區(qū)組織主要是對生生長的β柱狀晶粒,這是因為電子束焊接過程中整個熔池的溫度梯度很大,熔池中部的溫度最高,凝固時由中部向周邊散熱,晶粒沿最大的溫度梯度方向生長,最終呈現(xiàn)對生生長形貌;與1次焊接相比,2次焊接接頭熱影響區(qū)的晶粒尺寸明顯更大,β晶粒內(nèi)的針狀α′相的析出量明顯更多,這是因為相較于1次焊接,2次焊接接頭的熱影響區(qū)多承受了1次熱循環(huán)。

圖6 不同電子束焊接次數(shù)接頭的顯微組織Fig.6 Microstructures of joints with different electron beam welding times:(a) single welding, heat affected zone;(b) single welding, weld zone; (c) twice welding, heat affected zone and (d) twice welding, weld zone

2.2 拉伸性能

試驗測得母材、1次與2次焊接接頭的平均抗拉強度分別為1 111,1 123,1 127 MPa,平均斷后伸長率分別為16%,9%,7%。焊接接頭的抗拉強度均高于母材,斷后伸長率明顯低于母材,1次與2次焊接接頭的平均斷后伸長率分別僅為母材的56.3%,43.8%。

由圖7可見:2種焊接接頭拉伸試樣的斷裂位置偏離焊縫,均在母材部位。這是因為1次和2次焊縫組織中均存在硬脆α′相,提高了強度。

圖7 不同電子束焊接次數(shù)接頭拉伸試樣的斷后形貌Fig.7 Fracture position of tensile specimens of joints with different electron beam welding times:(a) single welding and (b) twice welding

由圖8可見:母材和2種焊接接頭的拉伸斷口均存在大量韌窩,呈現(xiàn)韌性斷裂的形貌,韌窩交錯分布,邊緣有撕裂脊,底部有微孔。在拉伸過程中斷裂面處會形成大量微孔,微孔隨拉伸測試的進行逐漸長大、聚合,從而在斷口表面形成韌窩。相對于1次焊接接頭,2次焊接接頭斷口上的韌窩尺寸更大。

圖8 母材與1次、2次焊接接頭拉伸斷口的SEM形貌Fig.8 SEM morphology of tensile fracture of base metal (a,d) and single welding (b,e) and twice welding (c,f): (a-c) at low magnification and (d-f) at high magnification

2.3 硬 度

由圖9可見:1次焊接與2次焊接接頭焊縫區(qū)(Ⅰ區(qū))的平均顯微硬度分別為380,395 HV,顯著高于母材區(qū)(Ⅲ區(qū))的280～340 HV;1次焊接與2次焊接接頭熱影響區(qū)(Ⅱ區(qū))的平均顯微硬度分別為360,350 HV。這說明焊接次數(shù)越多,焊縫區(qū)硬度越高,熱影響區(qū)的硬度越低。

圖9 不同電子束焊接次數(shù)接頭的截面硬度分布曲線Fig.9 Cross section hardness distribution curves of joints with different electron beam welding times

3 結(jié) 論

(1) 21 mm厚TC18鈦合金板1次焊接與2次焊接接頭的表面成形與內(nèi)部質(zhì)量均良好,沒有明顯的焊接缺陷;焊接接頭熱影響區(qū)組織由等軸初生α相、針狀α′相和β相組成,且2次焊接接頭由于熱循環(huán)次數(shù)增多,針狀α′相明顯增多,晶粒尺寸也明顯增大;接頭焊縫區(qū)組織主要是對生生長的β柱狀晶粒。

(2) 2種焊接接頭的抗拉強度均高于母材,斷后伸長率則明顯低于母材,拉伸斷裂方式均為韌性斷裂;相對于1次焊接接頭,2次焊接接頭拉伸斷口上的韌窩尺寸較大。

(3) 1次焊接與2次焊接接頭焊縫區(qū)的平均顯微硬度分別為380,395 HV,顯著高于母材區(qū)的280～340 HV,熱影響區(qū)的平均顯微硬度分別為360,350 HV。這說明焊接次數(shù)越多,焊縫區(qū)硬度越高,熱影響區(qū)的硬度越低。