冷軋加工對(duì)工業(yè)純鈦板焊縫組織與性能的影響

吳曉東，高維娜，付文杰，唐長(zhǎng)斌，戴 毅，李 輝，張 清，呂利強(qiáng)

(1.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

(2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710043)

冷軋加工對(duì)工業(yè)純鈦板焊縫組織與性能的影響

吳曉東1，高維娜1，付文杰1，唐長(zhǎng)斌2，戴 毅1，李 輝1，張 清1，呂利強(qiáng)1

(1.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

(2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710043)

采用等離子弧焊將兩張3.5 mm厚純鈦板對(duì)焊，然后在1 780 mm冷軋機(jī)上依次進(jìn)行變形量為43%、50%的冷軋加工，且冷軋后均進(jìn)行退火處理。對(duì)兩個(gè)軋程的冷軋態(tài)及退火態(tài)焊縫試樣進(jìn)行了金相顯微組織觀察;對(duì)兩個(gè)軋程退火態(tài)試樣進(jìn)行了室溫力學(xué)性能及硬度測(cè)試;對(duì)退火態(tài)成品母材區(qū)和焊縫加工區(qū)進(jìn)行了杯突試驗(yàn)和在3.5%NaCl水溶液中的陽極極化試驗(yàn)。結(jié)果表明，兩次冷變形板材退火后焊縫加工區(qū)晶粒尺寸均比母材區(qū)略微細(xì)小，強(qiáng)塑性略好一些，維氏顯微硬度也稍高一些;成品板材焊縫加工區(qū)的延伸率與母材相差不大，杯突值相近，具有與母材相當(dāng)?shù)墓に囆阅?成品板材焊縫加工區(qū)的陽極極化行為與母材無明顯差異，二者在3.5%NaCl水溶液中的耐腐蝕性基本一致。

純鈦;等離子焊;冷軋;顯微組織;極化曲線

0 引言

工業(yè)純鈦在氧化性及中性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工、制鹽等各個(gè)領(lǐng)域［1－3］。有文獻(xiàn)報(bào)道［4］，工業(yè)純鈦經(jīng)氬弧焊后焊縫處會(huì)存在熔池區(qū)、熱影響區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域組織與母材組織有很大的不同，同時(shí)熔池區(qū)和熱影響區(qū)會(huì)發(fā)生優(yōu)先腐蝕現(xiàn)象。而等離子焊接具有能量密度高、線能量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，用該方法焊接純鈦板，能夠克服用單道鎢極氬弧焊焊接時(shí)因?yàn)殒u極距離熔池較近而可能發(fā)生的鎢極熔蝕，使焊縫滲入鎢夾雜物等缺點(diǎn)。

西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司板帶廠卷材生產(chǎn)線采用片材拼焊技術(shù)制作鈦卷材，因而在冷軋卷材產(chǎn)品中會(huì)有若干條變形焊縫，這些變形焊縫能否同卷材其他部位一起正常使用對(duì)卷材的使用率有著重要影響。本研究對(duì)焊縫加工區(qū)與母材區(qū)組織、性能進(jìn)行研究，旨在為拼焊卷材的生產(chǎn)使用提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為3.5 mm厚工業(yè)純鈦板，牌號(hào)為TA1，其化學(xué)成分見表1。

表1 工業(yè)純鈦板材的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of the CP TA1 sheet

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用Nertamatic 450自動(dòng)等離子焊接機(jī)，將兩塊退火態(tài)純鈦板焊接成一整張尺寸為3.5 mm×1 350 mm×1 520 mm的冷軋板坯。采用XXH2005 X射線探傷儀對(duì)焊接后的試樣板焊縫進(jìn)行無損探傷，并用金相顯微鏡觀察母材及焊縫顯微組織。經(jīng)探傷檢驗(yàn)合格的板坯在1 780 mm冷軋機(jī)上進(jìn)行兩個(gè)軋程的冷軋加工:第一軋程變形量為43%，板材厚度減至2 mm，軋后進(jìn)行680℃ ×30 min/AC退火處理;第二軋程變形量為50%，得到厚度為1 mm的成品板材，軋后進(jìn)行650℃ ×30 min/AC退火處理。

對(duì)兩個(gè)軋程的板材焊縫加工區(qū)進(jìn)行X射線無損探傷檢驗(yàn);對(duì)兩個(gè)軋程的冷軋態(tài)及退火態(tài)焊縫試樣進(jìn)行金相顯微組織觀察;對(duì)兩個(gè)軋程退火態(tài)試樣進(jìn)行硬度及室溫力學(xué)性能測(cè)試;采用美特斯ETC1604杯突試驗(yàn)機(jī)，對(duì)退火態(tài)成品板材進(jìn)行杯突試驗(yàn)，考察工藝性能;采用PARSTAT-2273電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)(參比電極選用飽和甘汞電極，輔助電極采用鉑電極，腐蝕液為3.5%NaCl水溶液)，對(duì)退火態(tài)成品板材進(jìn)行陽極極化測(cè)試，考察耐腐蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫無損探傷及金相組織

經(jīng)X射線探傷檢測(cè)，3.5 mm厚純鈦板坯焊縫、第一軋程冷變形后的焊縫加工區(qū)及第二軋程冷變形后的焊縫加工區(qū)均未發(fā)現(xiàn)缺陷，焊縫質(zhì)量符合JB/T 4730.2標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)要求。

圖1為純鈦板坯焊縫區(qū)的金相照片。從圖1可以看出，純鈦經(jīng)等離子焊接后，母材區(qū)、熱影響區(qū)、熔池區(qū)金相組織有很大差異。與母材區(qū)相比，熔池區(qū)晶粒粗大，而熱影響區(qū)晶粒尺寸介于母材區(qū)和熔池區(qū)之間。在純鈦焊接過程中，由于高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，所以熔池區(qū)組織明顯粗大。從圖中還可以看出，采用等離子弧焊的焊縫金相組織中沒有雜質(zhì)等缺陷，焊縫質(zhì)量良好。

圖1 母材區(qū)、熱影響區(qū)及熔池區(qū)金相組織×100Fig.1 Metallographs of parent metal area，heat affected zone and pool area

圖2和圖3分別為43%、50%變形后板材焊縫加工區(qū)冷軋態(tài)及退火態(tài)金相照片。從圖中可以看出，經(jīng)過冷軋加工后，焊縫加工區(qū)(熱影響區(qū)及熔池區(qū))與母材區(qū)組織差別不大，晶粒全被破碎并呈現(xiàn)出纖維狀(圖2a和圖3a);冷軋加工板材經(jīng)過退火后，焊縫加工區(qū)與母材區(qū)晶粒全部等軸化，并且可看出焊縫加工區(qū)晶粒尺寸比母材區(qū)略微細(xì)小(圖2b和圖3b)。

2.2 維氏顯微硬度

圖4 43%變形后板材退火態(tài)維氏顯微硬度Fig.4 Hardenss of annealed after 43%working

圖4為先后經(jīng)過43%、50%變形量冷軋加工板材退火態(tài)的維氏顯微硬度。從圖4a可以看出，經(jīng)43%變形量加工后的板材，母材區(qū)維氏顯微硬度在1 200～1 240 MPa之間，而焊縫加工區(qū)硬度在1 300～1 380 MPa之間。硬度大小與兩個(gè)區(qū)域晶粒尺寸有關(guān)，晶粒越大，硬度越小。焊縫加工區(qū)晶粒尺寸比母材區(qū)略微細(xì)小，因而硬度稍高一些。經(jīng)50%變形量冷軋加工板板退火態(tài)維氏顯微硬度(圖4b)也表現(xiàn)出相似的特征。

2.3 力學(xué)性能及工藝性能

表2為等離子弧焊后焊縫區(qū)試樣、經(jīng)過43%變形量母材及焊縫加工區(qū)退火態(tài)試樣、50%變形量母材及焊縫加工區(qū)退火態(tài)試樣的室溫力學(xué)性能。從表2可看出，未經(jīng)過軋制的焊縫試樣與經(jīng)過冷變形的焊縫試樣(退火態(tài))的抗拉強(qiáng)度接近，但是由于焊縫區(qū)是鑄態(tài)組織，其屈服強(qiáng)度與延伸率較之其他試樣有明顯的差異。對(duì)比兩個(gè)軋程冷加工后焊縫加工區(qū)及母材區(qū)試樣(退火態(tài))的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，焊縫加工區(qū)的強(qiáng)塑性比母材區(qū)的略好一些。這是因?yàn)閮蓚€(gè)區(qū)域的金相組織略有差異，焊縫加工區(qū)α相等軸晶晶粒較母材區(qū)略小。同時(shí)，經(jīng)兩次冷變形退火后無論焊縫加工區(qū)還是母材區(qū)的強(qiáng)度，均略高于一次冷變形的，這也與冷變形次數(shù)越多晶粒尺寸越小有關(guān)。

表2 焊接工業(yè)純鈦板的力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of specimens

圖5為杯突試驗(yàn)后的母材樣與焊縫加工區(qū)試樣，表3為母材樣與焊縫加工區(qū)試樣的杯突值?？梢钥闯觯缚p加工區(qū)的杯突值與母材的杯突值相當(dāng)。這說明焊縫加工區(qū)具有與母材相當(dāng)?shù)墓に囆阅堋?/p>

圖5 杯突試驗(yàn)后試樣的形貌Fig.5 Shape of specimen after cup drawing test

表3 母材及縫加工區(qū)試樣的杯突值Table 3 Cup drawing value of parent metal specimen and welding area specimen

2.4 陽極行為

單純的等離子焊縫由于其冶金結(jié)構(gòu)上的改變及殘存應(yīng)力的存在，導(dǎo)致焊縫處金屬顯微結(jié)構(gòu)的差別，進(jìn)而引起這些不同區(qū)域之間電化學(xué)電位的不同，加速了材料的腐蝕［5］。

圖6為焊縫加工區(qū)試樣與母材的陽極極化曲線。從圖6可以看出，兩者的自腐蝕電位差異較小。焊縫加工區(qū)試樣的自腐蝕電位為－297 mV，而母材的自腐蝕電位為－334 mV，較焊縫加工區(qū)試樣略低。而陽極極化曲線直觀地顯示出工業(yè)純鈦板材具有較強(qiáng)的鈍化能力，母材和焊縫加工區(qū)試樣發(fā)生陽極極化時(shí)，均經(jīng)過一段活性溶解(二者基本重合，塔菲爾外推法計(jì)算的自腐蝕電流在誤差范圍內(nèi)無明顯差異)后迅速進(jìn)入陽極鈍化區(qū)，雖然鈍化曲線上存在差異，但鈍化區(qū)范圍基本一致。這是因?yàn)楹缚p加工區(qū)經(jīng)退火后，殘余應(yīng)力得到消除，顯微組織與母材基本一致。

圖6 焊縫加工區(qū)試樣與母材的陽極極化曲線圖Fig.6 The anode polarization curves of parent metal specimen and welding area specimen

3 結(jié)論

(1)等離子焊接后的純鈦板及兩次冷變形退火后的純鈦板，其焊縫質(zhì)量均符合JB/T 4730.2標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)要求。

(2)兩次冷變形板材退火后焊縫加工區(qū)晶粒尺寸均比母材區(qū)略微細(xì)小，強(qiáng)塑性略好一些，維氏顯微硬度也稍高一些。

(3)經(jīng)兩個(gè)軋程冷加工變形退火后，板材焊縫加工區(qū)的延伸率與母材相差不大，杯突值相近，具有與母材相當(dāng)?shù)墓に囆阅堋?/p>

(4)焊縫加工區(qū)陽極極化行為與母材無明顯差異，二者在3.5%NaCl水溶液中的耐腐蝕性基本一致。

［1］李明利，舒瀅，馮毅江，等.我國(guó)鈦及鈦合金板帶材應(yīng)用現(xiàn)狀分析［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(6):14－17.

［2］王非.我國(guó)海水淡化的現(xiàn)狀與鈦的應(yīng)用［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2013，30(5):6－12.

［3］徐慶，許榮萍，劉寶忠.鈦制設(shè)備在工業(yè)中的應(yīng)用［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2009，26(2):40－43.

［4］譚立軍，姚澤坤，李輝，等.純鈦焊件焊縫組織細(xì)化的熱加工工藝研究［J］.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2008，37(19):28－30.

［5］賴春曉.焊縫腐蝕的原因和解決方法［J］.全面腐蝕控制，2004，18(6):10－12.

Effect of Cold Deforming on Microstructures and Properties of Commercial Pure Titanium Plates Welds

Wu Xiaodong1，Gao Weina1，F(xiàn)u Wenjie1，Tang Changbin2，Dai Yi1，Li Hui1，Zhang Qing1，Lü Liqiang1
(1.Western Titanium Technologies Co.，Ltd.，Xi’an 710201，China)
(2.Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710043，China)

Pure titanium sheets of 3.5 mm thick were welded by plasma arc welding and cold rolled with 1 780 mm roller and then annealed.The sheets were first cold deformed by 43%and annealed，then cold deformed by 50%and annealed.Metallographs of welds after each rolling and annealing process were observed.Vickers hardness and mechanical properties at room temperature of welding area and base material after each annealing process were also investigated.Cup drawing tests and anodic polarization tests in 3.5%NaCl solution of base material and welding area of second annealing process were applied.The results show that the grain size of welding area after each annealing process was smaller compared with base material，while the strength，ductility and vickers hardness were little better than base material.After second rolling and annealing process，the elongation and cup-drawing value of welding area were close to base material.And the behavior in the anodic polarization tests of welding area were similar to base material，the corrosion resistance of base material and welding area in 3.5%NaCl solution were basically consistent.

commercial pure titanium;plasma arc welding;cold rolling;microstructure;polarization curve

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.02.007

2014－02－12

吳曉東(1984—)，男，工程師。