TC4合金電子束焊接接頭微觀組織研究

彭 周,胡永剛,陳國(guó)珠,夏 風(fēng),武璽旺,胡樹(shù)兵,王亞軍,肖建中

(1華中科技大學(xué)材料成型與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074; 2北京航空制造工程研究所,北京100083)

TC4合金電子束焊接接頭微觀組織研究

彭 周1,胡永剛1,陳國(guó)珠1,夏 風(fēng)1,武璽旺1,胡樹(shù)兵1,王亞軍2,肖建中1

(1華中科技大學(xué)材料成型與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074; 2北京航空制造工程研究所,北京100083)

對(duì)不同工藝參數(shù)電子束流焊接TC4鈦合金焊縫顯微組織進(jìn)行分析,結(jié)果表明:電子束流工藝參數(shù)的改變對(duì)焊縫的相組成沒(méi)有影響,卻使得焊縫形狀及其顯微組織分布發(fā)生了改變,產(chǎn)生了焊縫顯微組織梯度。焊縫夾角越大,焊縫上中下各部位馬氏體針尺寸梯度越大。焊縫中顯微硬度比母材硬度高HV 30～50,熱影響區(qū)中顯微硬度呈梯度分布。

TC4鈦合金;電子束焊;焊縫形貌;馬氏體;組織梯度

鈦合金具有優(yōu)良的耐蝕性、高比強(qiáng)及較好的韌性和焊接性能,在航空航天、石油化工、造船、汽車等領(lǐng)域都得到成功應(yīng)用[1],其中TC4鈦合金更是廣泛地應(yīng)用于航空領(lǐng)域[2]。但由于鈦合金的加工性能較一般金屬差,對(duì)于大型的結(jié)構(gòu)件來(lái)講,采用焊接方法可以替代大型成型壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)制造大型構(gòu)件的目的。電子束焊具有熔深大、熔寬小、焊接速度高和焊件變形小等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的眾多領(lǐng)域,特別是在大批量生產(chǎn)、大厚度焊接以及復(fù)雜、特殊構(gòu)件的焊接中顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性[3,4]。

焊接接頭的顯微組織與其力學(xué)性能的關(guān)系已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,對(duì)于較大厚度的接頭而言,如TC4合金的電子束流焊接,人們對(duì)焊縫中的相組成以及熱處理對(duì)焊縫顯微組織的影響都進(jìn)行了研究[5],并且發(fā)現(xiàn)盡管焊接工藝參數(shù)不同,焊縫中的相組成卻沒(méi)有明顯變化,但其接頭力學(xué)性能的表現(xiàn)不同,尤其是接頭的疲勞性能[6]。對(duì)于薄板的Ti6A l4V激光焊接,也發(fā)現(xiàn)焊縫形狀與接頭力學(xué)性能相關(guān)[7-9],這說(shuō)明僅從焊縫的相組成分析接頭力學(xué)性能是不夠的。材料的力學(xué)性能由顯微組織決定,而顯微組織包括相組成與相的分布等等。本工作以TC4合金的電子束焊接為對(duì)象,研究不同電子束焊接工藝參數(shù)條件下焊接接頭形狀與顯微組織的關(guān)系,為進(jìn)一步探索焊縫形狀、組織與接頭力學(xué)性能之間的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為20mm厚的退火態(tài)TC4鈦合金板材。采用ZD150230A型高壓電子束焊機(jī)進(jìn)行電子束焊接實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別改變電子束流、聚焦電流、焊接速度等參數(shù),以獲得不同的焊縫形狀[10]。焊接后分別采用PM E3光學(xué)顯微鏡、FEI電子顯微鏡對(duì)不同焊縫形狀接頭的顯微組織進(jìn)行微觀組織觀察與分析,并利用顯微硬度計(jì)測(cè)量不同形狀焊縫中顯微硬度并進(jìn)行比較分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同焊接工藝參數(shù)條件下焊縫形狀的變化

在不改變電子束流加速電壓的條件下,分別改變電子束流、聚焦電流、焊接速度等參數(shù),獲得了各種不同的接頭形貌,圖1為其中典型的接頭形貌,即焊縫呈以中心線為對(duì)稱的扇形形狀,熔凝區(qū)上部較寬而下部逐漸變窄,為便于描述,將焊縫熔合線與焊縫中心線的夾角定義為焊縫夾角θ,不同的θ代表了不同的焊縫形狀。表1為不同電子束焊接工藝參數(shù)條件下焊縫夾角的變化結(jié)果。可以看出,焊縫夾角隨著焊接工藝參數(shù)的變化而發(fā)生改變,而且受多個(gè)工藝參數(shù)影響。仔細(xì)比較表1中工藝參數(shù)可以看出,隨電子束聚焦電流的減小(電子束流焦點(diǎn)在材料中位置的改變)時(shí),焊縫夾角θ逐漸減小,即焊縫熔合線趨向平行;焊接速度越慢、聚焦電流越小(焦點(diǎn)越靠近樣品上表面),焊縫上部越寬,因而焊縫夾角θ越大。根據(jù)電子束流焊接原理,不難理解焊縫形貌反映的是焊接熱源在焊縫中的分布情況,因此焊接速度、聚焦電流、電子束流的改變使得電子束在被焊金屬內(nèi)部的分布發(fā)生改變,從而獲得不同的焊縫形狀。具體的影響因素見(jiàn)文獻(xiàn)[10-12]。

圖1 典型接頭形貌Fig.1 The typical shapes of weld seam by EBW

表1 電子束焊接工藝參數(shù)及焊縫夾角Table 1 The weld parameters of EBW and the weld seam angle

2.2 焊縫形狀與焊縫顯微組織分布的關(guān)系

分別對(duì)不同焊縫夾角的接頭顯微組織進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)焊縫中相的組成沒(méi)有大的影響,不論焊縫夾角θ的大小如何,即焊縫形狀不同,焊縫均主要由α′相(馬氏體)和少量β相組成,圖2為焊縫典型的X射線衍射結(jié)果,可見(jiàn)主要為α′馬氏體及極少量的β相。圖3所示為TC4合金電子束焊接焊縫中的典型顯微組織形貌,仔細(xì)對(duì)比焊縫上、中、下不同部位的馬氏體尺寸,還會(huì)發(fā)現(xiàn)處于上部的馬氏體組織一般較粗大,馬氏體針幾乎穿過(guò)整個(gè)原始凝固的β柱狀晶,且呈平行生長(zhǎng);而在焊縫中部,特別是在焊縫根部,馬氏體一方面尺寸減小;另一方面,馬氏體生長(zhǎng)方向相對(duì)較散亂,馬氏體針的大小一般相對(duì)焊縫上部的馬氏體針短小。

圖2 焊縫中X射線衍射圖Fig.2 X2ray diffraction pattern of the weld bead

圖3 TC4合金電子束流焊接焊縫中典型組織 (a)焊縫上部中心的馬氏體組織; (b)焊縫中部中心的馬氏體組織;(c)焊縫根部中心的馬氏體組織Fig.3 The typical microstructures of the welded bead (a)top of fusion area; (b)middle of fusion area;(c)root of fusion area

圖4是熱影響區(qū)典型的顯微組織。它具有兩個(gè)特征:一是熱影響區(qū)為等軸狀晶粒,其晶粒尺寸呈明顯的梯度分布,即靠近熔合線附近晶粒較粗大,且熱影響區(qū)上部較下部粗大,等軸晶區(qū)域的大小受焊縫寬度影響,焊縫越寬則熱影響區(qū)越寬,等軸晶晶粒也越大;二是等軸晶內(nèi)部均為馬氏體組織(圖4(b)),因此越靠近熔合線馬氏體的尺寸越大,即馬氏體尺寸隨等軸晶晶粒尺寸而變化。

圖4 熱影響區(qū)顯微組織照片 (a)焊縫上部熱影響區(qū)顯微組織; (b)圖4(a)中熱影響區(qū)中馬氏體放大圖;(c)焊縫中部熱影響區(qū)顯微組織;(d)焊縫根部熱影響區(qū)顯微組織Fig.4 Microstructures of the heat2affected zone(HAZ) (a)top of HAZ;(b)the amplified picture of fig.4(a); (c)middle of HAZ;(d)root of HAZ

為了研究焊縫中馬氏體組織隨焊縫形狀的變化規(guī)律,采用定量金相方法對(duì)不同形狀焊縫中馬氏體的尺寸進(jìn)行了測(cè)量,得出如圖5所示的結(jié)果。表明在本實(shí)驗(yàn)條件下,焊縫中馬氏體的尺寸與焊縫寬度之間存在明顯的相關(guān)性,焊縫越寬?cǎi)R氏體的尺寸越大。

圖5 馬氏體針尺寸與焊縫寬度的關(guān)系Fig.5 The relationship betw een the size ofmartensite and weld bead width

將不同形狀焊縫中上(距上表面3mm處)、中(距表面10mm處)、下(距下表面2mm處)三部分區(qū)域馬氏體大小分布作圖可以得到如圖6所示的結(jié)果。從圖6可以看出,焊縫夾角θ不同,即焊縫形狀的不同,焊縫內(nèi)上中下不同部位的馬氏體針尺寸變化率不同,如果用尺寸梯度表示,即焊縫夾角θ越大焊縫上下馬氏體尺寸梯度越大,換言之,焊縫夾角θ越大,焊縫上、中、下部位的顯微組織分布也越不均勻,即焊縫中顯微組織梯度越大,另外,結(jié)合圖4也可知熱影響區(qū)中馬氏體尺寸也是呈梯度分布的。而且,焊縫夾角θ大小不同,焊縫中組織梯度也不同,這種接頭組織梯度的不同可能是導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能變化的顯微組織因素。

從圖2可知,焊縫中幾乎全為馬氏體,說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)條件下焊縫的冷卻速度已超過(guò)TC4合金的馬氏體臨界轉(zhuǎn)變速率410℃/s[13],因而整個(gè)焊縫主要獲得馬氏體相。盡管如此,焊縫中馬氏體的大小分布在焊縫中卻是不同的,如焊縫上部較寬區(qū)域的馬氏體針較長(zhǎng),而焊縫根部較窄的區(qū)域中馬氏體針相對(duì)較短,這可能與焊縫各區(qū)域的冷卻速度不同以及凝固所獲得的柱狀

晶粒大小有關(guān),焊縫較寬的區(qū)域由于所獲得熱量多,冷卻速度也相對(duì)較慢,過(guò)冷度相對(duì)較小,因而馬氏體形核數(shù)量相對(duì)較少,形成典型α′馬氏體針較大且多為平行生長(zhǎng)(圖3(a))。而焊縫較窄的區(qū)域,由于冷卻速度較快,過(guò)冷度較大,馬氏體形核數(shù)量增加,所以得到的馬氏體尺寸細(xì)小(圖3(c))。而對(duì)于熱影響區(qū)來(lái)說(shuō),由于越靠近熔合線,受熱影響越大其等軸晶尺寸越大,因而隨后轉(zhuǎn)變的馬氏體尺寸也相對(duì)越大,所以導(dǎo)致熱影響區(qū)中馬氏體呈梯度分布。

2.3 焊縫形狀對(duì)焊縫中顯微硬度分布的影響

對(duì)不同形狀焊縫中的顯微硬度測(cè)量后,發(fā)現(xiàn)其分布與形狀存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,本工作給出兩種典型焊縫形狀(較小和較大焊縫夾角分別為3.6°和26°)樣品的顯微硬度分布圖,如圖7,8所示。

從圖7,8可知,因焊縫中主要為馬氏體,兩種形狀焊縫中的硬度均高于熱影響區(qū)和母材,對(duì)比圖7(a)與圖8(a),焊縫夾角θ較大的焊縫中,其上部中心部位的顯微硬度略低,利用微區(qū)X射線對(duì)該區(qū)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)該處的β相相對(duì)較多,因而其硬度略低。另外,比較圖7,8還發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)中硬度呈梯度分布,且焊縫夾角θ越大,焊縫上下部位的顯微硬度梯度越大,這與熱影響區(qū)中馬氏體尺寸梯度分布規(guī)律一致。

3 結(jié)論

(1)不同電子束流焊接工藝所得到的TC4合金的焊縫形狀不同。不同形狀的焊縫內(nèi)上中下不同部位的顯微組織呈梯度分布,焊縫中馬氏體尺寸與焊縫寬度相關(guān),焊縫越寬其馬氏體針尺寸越大。焊縫夾角越大,焊縫中的顯微組織梯度越大,其上中下各部位馬氏體針尺寸梯度越大。

(2)TC4合金電子束流焊接接頭的顯微硬度比母材硬度高HV 30～50。熱影響區(qū)中顯微硬度呈梯度分布,其梯度大小受焊縫寬度影響,焊縫越寬,其熱影響區(qū)越寬,熱影響區(qū)中沿寬度方向的顯微硬度梯度則越小;焊縫越窄,熱影響區(qū)越窄,該區(qū)域中沿寬度方向的顯微硬度梯度則越大。

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M icrostructures of TC4 A lloy Weld Joints by Electronic Beam Welding

PENG Zhou1,HU Yong2gang1,CHEN Guo2zhu1,XIA Feng1, WU Xi2w ang1,HU Shu2bing1,WANG Ya2jun2,X IAO Jian2zhong1(1 State Key Laborato ry of M aterial Processing and Die&Mould Technology,Huazhong
U niversity of Science and Technology,W uhan 430074,China;2 Beijing Aeronautical M anufacturing Technology Research Institute,Beijing 100083,China)

The microstructures of TC4 weld beads by electronic beam welding(EBW)w ith different w elding parametersw ere studied.The results show that the shapesof w eld bead are different w ith the change of the weld parameters,but the phases in weld seam are almost the same.Themicrostructure gradient in weld seam is dependent on the shape of the w eld bead.The larger the angle of seam is,the larger of the size gradient of martensite gets.The micro2hardness in weld bead is HV 30250 than that of the base material.The m icro2hardness in the different shape of w eld beads is consistent w ith the microstructures gradient in the weld bead.

TC4 alloy;EBW;weld bead shape;martensite;m icrostructure gradient

TB332

A

100124381(2010)0520047204

國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(61362)

2009211205;

2010203209

彭周(1980—),男,博士研究生,從事材料顯微組織分析研究工作,聯(lián)系地址:湖北武漢華中科技大學(xué)材料與工程學(xué)院材料成型與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(430074),E2mail:M ikepeng2003@163.com

肖建中,男,教授,聯(lián)系地址:湖北武漢華中科技大學(xué)材料與工程學(xué)院材料成型與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(430074),E2mail:jzxiao @mail.hust.edu.cn