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TC4鈦合金激光自熔焊焊接組織及性能

發(fā)布時(shí)間:2024-07-18 10:56:53 瀏覽次數(shù) :

前言

鈦及鈦合金因其具有密度低、高比強(qiáng)度、耐冷熱性能好、抗阻尼性能強(qiáng)、抗沖擊韌性高、耐疲勞性強(qiáng)及彈性模量低等優(yōu)點(diǎn),且在寬溫域及高溫環(huán)境中具有較好力學(xué)性能,被譽(yù)為航空航天飛行器及裝備的制造中不可或缺的材料[1-3]。在鈦合金零部件的加工制造過程中,不可避免的需要機(jī)械加工和連接,為了減少材料浪費(fèi)和降低加工成本,熔焊技術(shù)是一種降本增效的連接工藝。然而,由于鈦合金的高熔點(diǎn),且在高溫下易于與氧、氮等化學(xué)元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng),引起焊接裂紋和氣孔等焊接缺陷[4],同時(shí)還會產(chǎn)生延遲裂紋,這是由于與氫元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以,鈦合金的焊接過程中存在嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

對于鈦合金材料和零部件,傳統(tǒng)的熔化焊接方法主要是鎢極氬弧焊(TIG)[2]、熔化極氣體保護(hù)焊(MIG/MAG)[5]、等離子弧焊(PAW)[6-7]及電子束焊(EBW)[8]等方法。TIG,MIG/MAG存在焊接熱輸入大、焊接效率低、材料利用率較低、生產(chǎn)周期長等問題;PAW雖然焊接效率較TIG,MIG/MAG有所提升,依然存在上述問題;EBW能量密度高、焊接質(zhì)量好,但是需要在真空環(huán)境下作業(yè),抽真空大大的降低焊接效率。激光焊作為一種新型的高能束焊接技術(shù),具有高效率、高能量密度、接頭質(zhì)量好、穿透能力強(qiáng)、焊接速度快、熱影響區(qū)小及焊接變形小等優(yōu)點(diǎn),因而,對于鈦合金構(gòu)件,采用激光焊接技術(shù)具有很大的優(yōu)越性[9-11]。不過,焊縫的焊接質(zhì)量受到焊接熱循環(huán)的影響是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程,為了獲得良好的焊接接頭,需要探究焊接工藝及焊接微觀組織和力學(xué)性能的相互影響,該文采用光纖激光器對3mm TC4鈦合金板材進(jìn)行激光焊接試驗(yàn),研究了焊接接頭的顯微組織、顯微硬度及力學(xué)性能。

1、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用德國IPG公司的光纖激光器,設(shè)備型號為YLS-3000,輸出功率最大功率為3.0kW,瑞利長度為10.3mm,波長為1.07μm,光纖直徑為300μm,離焦量為+10mm,零離焦時(shí)的光斑直徑為0.72mm。試驗(yàn)材料采用TC4鈦合金薄板,尺寸為100mm×50mm×3.0mm,其化學(xué)成分見表1。為了保證焊接試板干燥整潔,焊前對鈦合金薄板進(jìn)行烘干、角磨機(jī)打磨、酒精清洗去除表面氧化膜和污染物。焊接工藝參數(shù)見表2。

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試驗(yàn)完畢后,對TC4鈦合金試板線切割,獲取金相試樣,微觀硬度試樣和拉伸試樣切割,其中母材與焊接接頭的拉伸試樣尺寸,如圖1(a)所示,焊縫位于試樣中心區(qū)域。金相和SEM顯微組織采用Keller試劑侵蝕為HF:HNO3:H2O=1:5:44。焊接接頭的物相使用X射線衍射儀(XRD)精準(zhǔn)地進(jìn)行定性及定量分析,測試參數(shù):角度范圍2θ=20°~100°,掃描步長為0.02°。在沿焊縫的橫截面上以0.3mm的間隔2.94N(300g)的力進(jìn)行顯微硬度測試,測試15s。室溫拉伸試驗(yàn)在Zwick-Z100萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,加載拉伸速率為0.5mm/min。根據(jù)GB/T2653—2008和GB/T2650—2008對焊接接頭進(jìn)行彎曲與沖擊性能測試,其中沖擊試樣為55mm×10mm×2.5mm,如圖1(b)所示。斷口形貌采用SEM進(jìn)行觀察,結(jié)合EDS分析夾雜物等。

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2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1焊接工藝

不同激光功率下產(chǎn)生的焊接接頭成形(正面和背面)形貌,如圖2所示。當(dāng)焊接速度為固定值(v=20mm/s)時(shí),隨著激光功率(P<2.6kW)的增加,焊縫的熔深逐漸增加,從未焊透到燒穿,產(chǎn)生表面凹槽等,如圖2(a)所示。焊縫的熔寬增加,呈現(xiàn)為近似線性規(guī)律,如圖2(b)所示,這是由于光致等離子體沖擊匙孔,反作用與匙孔周圍的金屬液向熔池的寬度方向鋪展所致。激光焊道光亮、美觀,焊縫表面未出現(xiàn)飛濺等缺陷,這表明:通過優(yōu)化激光焊接工藝可獲得表面質(zhì)量較好的TC4焊縫。

圖3為焊接速度對焊接接頭成形的影響,由HI=P/v可知,焊接速度與激光功率對焊縫的成形具有反作用,此處不做贅述。經(jīng)過工藝優(yōu)化后,在激光功率為2.8kW,焊接速度為20mm/s,離焦量為+5mm時(shí),可以獲得激光焊接接頭宏觀形貌良好,成形美觀的焊縫,焊道平滑、平整,焊縫表面無飛濺及無裂紋等缺陷,如圖4(a)~圖4(b)所示。圖4(c)為激光焊接TC4接頭的X射線探傷結(jié)果。檢驗(yàn)表明:焊縫成形良好,內(nèi)部無氣孔、裂紋、未焊透等缺陷。

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2.2顯微組織

圖5為焊接接頭的宏觀和微觀顯微組織形貌特征。圖5(a)為焊接接頭的顯微組織形貌,可分為3個(gè)區(qū)域,分別為焊縫(WZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材(BM)。

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圖5(a)中Ⅰ區(qū)可發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)域內(nèi)部形成了大量的拉長的原始β晶粒(類似柱狀晶粒),如圖5(b)和圖5(e)所示。原始β晶粒的內(nèi)部析出長徑比大的針狀的馬氏體(M)。在焊接過程中,焊接區(qū)域內(nèi)部由下及上在一定范圍內(nèi)形成溫度梯度,高溫β晶粒會順著溫度梯度的方向快速生長,最終形成柱狀β晶粒。當(dāng)溫度降低至低于β相轉(zhuǎn)變溫度(Tβ)時(shí),理論上會發(fā)生β→α+β的固態(tài)相變,但由于焊接接頭位置熔池區(qū)域較小,熔體冷卻速率極快,導(dǎo)致高溫β相來不及完成固態(tài)相轉(zhuǎn)變形成α相,而是僅僅發(fā)生切邊相變,形成馬氏體相。在馬氏體相形成過程中,不發(fā)生原子的擴(kuò)散,僅發(fā)生原子近距離的遷移。圖5(a)中Ⅱ區(qū)的熱影響區(qū)中存在明顯的組織變化的分界線,靠近焊縫組織一側(cè)的組織為內(nèi)部分布著大量馬氏體相的β晶粒,在靠近基體區(qū)域一側(cè)為拉長的初生α晶粒,如圖5(c)和圖5(f)所示。此區(qū)域內(nèi)的β晶粒尺寸明顯小于焊縫區(qū)域中β晶粒尺寸,主要是由于其靠近母材,冷卻速率較快導(dǎo)致的。圖5(a)中Ⅲ區(qū)母材中主要分布著被壓扁拉長的初生α晶粒,表明母材在鈦合金雙相區(qū)低溫段發(fā)生了塑性變形,如圖5(d)和5(g)所示。

圖6為母材和焊接接頭的顯微組織。母材為典型的變形組織,兩種形貌的α晶粒,分別為大尺寸初生α晶粒和尺寸細(xì)小的再結(jié)晶等軸α晶粒。初生α晶粒沿著變形的方向被壓扁拉長,如圖6(a)所示。其中初生α晶粒的尺寸(寬度)為8.98μm,再結(jié)晶晶粒的直徑為2.46μm,如圖6(b)所示。熱影響的組織呈現(xiàn)針狀馬氏體交錯(cuò)排布的特征,但馬氏體的長度(長徑比)明顯小于焊縫區(qū)域。這是由于焊接過程中熱影響區(qū)的溫度不足以導(dǎo)致合金母材熔化,只能使α相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪啵诶鋮s過程中,針狀馬氏體從高溫β相中析出,由于此時(shí)過熱度較小,馬氏體相轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力也較小,導(dǎo)致馬氏體相變范圍減小,最終得到長徑比較小的馬氏體相,如圖6(c)所示。焊縫組織中的針狀馬氏體交錯(cuò)排布,呈現(xiàn)典型的網(wǎng)籃組織特征,內(nèi)部的馬氏體相具有極大的長徑比,寬度達(dá)到亞微米級別,這有利于焊接接頭部位抗拉強(qiáng)度和蠕變抗力的提升。由于電焊熔池區(qū)域尺寸較小,在冷卻過程中,熔池內(nèi)部的高溫熔體快速冷卻,β相來不及通過擴(kuò)散轉(zhuǎn)變成平衡的α相,而是通過原子集體有規(guī)律的近程遷移實(shí)現(xiàn)切變相變,形成交錯(cuò)排布的針狀馬氏體相,如圖6(d)所示。

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2.3XRD物相

圖7為TC4焊接接頭的XRD圖譜。XRD圖譜中的衍射峰主要包含α?馬氏體相不同晶面的衍射峰和微弱的β相(110)晶面的衍射峰。以上表明,焊縫位置的相組成為大量的α?馬氏體相和少量的高溫殘β相。α?馬氏體相的形成主要是由于焊接凝固階段焊縫熔池內(nèi)部的高溫熔體的快速冷卻導(dǎo)致,且由切變相變得到的α?馬氏體相邊界處依然有少量高溫β相殘留。焊接接頭部位大量的α?馬氏體相的形成致使焊接接頭微觀硬度和抗拉強(qiáng)度增加。

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2.4顯微硬度

圖8為激光焊接接頭的顯微硬度分布。圖8(a)為激光焊接接頭橫向顯微硬度分布,母材顯微硬度值約為360HV,焊接接頭呈現(xiàn)為駝峰形態(tài),隨著與焊縫中間距離的增加熱影響的顯微硬度逐漸增加;在熔合線區(qū)域?yàn)橛捕茸畲螅瑸?00HV;焊縫的硬度出現(xiàn)了大小浮動(dòng),平均硬度約為385HV;因?yàn)樵跓嵫h(huán)作用下,焊縫凝固時(shí)出現(xiàn)成分起伏、能量起伏引起發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,β相向針狀α?相轉(zhuǎn)變引起微硬度差異。

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圖8(b)為激光焊接接頭的縱向顯微硬度分布,焊縫內(nèi)部區(qū)域的硬度均大于母材區(qū)域,結(jié)合顯微組織和XRD分析可知,在激光焊接過程中,焊縫中形成大量具有高的位錯(cuò)密度和孿晶的針狀α?馬氏體的形成引起的。

2.5接頭力學(xué)性能

為了驗(yàn)證激光焊接接頭的力學(xué)性能的優(yōu)越性,采用對焊接接頭進(jìn)行室溫拉伸測試試驗(yàn),測試依據(jù)為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》測試焊接接頭的綜合性能指標(biāo),抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與斷后伸長率等,最佳工藝參數(shù)下的焊接接頭及母材的應(yīng)力?位移圖,如圖9所示。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為1030MPa,屈服強(qiáng)度為937MPa,斷后伸長率達(dá)9%,焊接母材的抗拉強(qiáng)度為1036MPa,屈服強(qiáng)度為941MPa,斷后伸長率達(dá)8.5%,斷裂位置均位于母材區(qū)域,對比拉伸數(shù)據(jù)表明:激光焊接能夠獲得優(yōu)越力學(xué)性能的焊接接頭。

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圖10為焊縫拉伸斷口形貌。斷口處不同區(qū)域的微觀形貌均呈現(xiàn)出韌窩特征。對于不同的區(qū)域的韌窩的大小不一致,試板表面發(fā)生撕裂,斷口約為45°,剪切斷口位置呈現(xiàn)細(xì)小塑性等軸的韌窩,如圖10(b)所示;在焊縫中心的斷面高低不平且出現(xiàn)臺階性形貌,韌窩深度大小不同,說明斷裂呈現(xiàn)為韌性斷裂,如圖10(c)和圖10(d)所示。這說明:激光焊接能夠獲得優(yōu)越力學(xué)性能的焊接接頭,且能夠獲得韌窩特征的斷口形貌。

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根據(jù)GB/T2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》對焊接接頭進(jìn)行彎曲性能測試,測試曲線和測試結(jié)果如圖11和表3所示,焊縫的正彎和背彎在彎曲角10°時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)目測微裂紋,表明:焊接接頭的塑性良好。

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根據(jù)GB/T2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》,對焊接接頭的不同位置(母材、熱影響區(qū)和焊縫)進(jìn)行測試,每種試樣做3個(gè)并取平均值,試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。母材(BM)的沖擊性能為7.4J,高于熱影響區(qū)(HAZ)和焊縫(WZ),其中焊縫的沖擊性能最低(3.5J)。這是因?yàn)闆_擊性能與對應(yīng)的微觀組織密切相關(guān),母材區(qū)域主要是由等軸的細(xì)小α晶粒構(gòu)成,而焊縫區(qū)域主要為α?馬氏體,而熱影響區(qū)的沖擊性能為6.1J,因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)發(fā)生了部分組織演變,因而沖擊性能介于母材和焊縫之間。

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3、結(jié)論

(1)激光焊接TC4鈦合金能夠或的良好的焊縫成形,焊縫成形美觀平整,內(nèi)部無氣孔、裂紋、未焊透等缺陷。

(2)焊接接頭由母材、熱影響區(qū)和焊縫構(gòu)成。母材為典型的變形組織,大尺寸初生α晶粒和尺寸細(xì)小的再結(jié)晶等軸α晶粒。熱影響區(qū)呈現(xiàn)針狀α?馬氏體交錯(cuò)排布。焊縫組織呈現(xiàn)典型的網(wǎng)籃組織,為大量的α?馬氏體相和少量的高溫殘留β相。

(3)焊接接頭顯微硬度成駝峰分布,由母材到熱影響區(qū)逐漸增加,熔合線顯微硬度最大,為400HV。焊縫內(nèi)部區(qū)域的硬度均大于母材區(qū)域,這是因?yàn)楹缚p中形成大量具有高的位錯(cuò)密度和孿晶的針狀α?馬氏體的形成。

(4)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為1030MPa,屈服強(qiáng)度為937MPa,斷后伸長率達(dá)9%,與母材相當(dāng),斷裂位置位于母材區(qū)域,斷口形貌均呈現(xiàn)為韌性斷裂模式,顯微組織呈現(xiàn)出大小不一的等軸性韌窩形貌。彎曲性能測試表明:焊接接頭的塑性良好;沖擊性能測試表明:母材的沖擊性能高于熱影響區(qū)和焊縫,其中焊縫的沖擊性能最低(3.5J);這是因?yàn)楹缚p主要是由大量的α?馬氏體相構(gòu)成。

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第一作者: 張 世 偉 , 博 士 , 工 程 師 ; 主 要 從 事 金 屬 材 料 焊接 與 連 接 技 術(shù) 及 電 弧 增 材 制 造 技 術(shù) 的 研 究;

zswhit@126.com。

本文引用格式:

張世偉, 王玨, 佀好學(xué), 等. TC4 鈦合金激光自熔焊焊接組織及性能[J]. 焊接, 2024(6):33 ? 39, 46.

Zhang Shiwei, Wang Jue, Si Haoxue, et al. Microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy by autogenous laser welding[J].Welding & Joining, 2024(6):33 ? 39, 46.

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