TA1中厚板電子束焊接頭組織及力學(xué)性能

白 威，李大東，李 軍，王 瑩，張宇鵬，黎小輝

（1.攀鋼集團(tuán)研究院有限公司釩鈦資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川攀枝花617000；2.廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院），廣東廣州510650；3.廣東省材料與加工研究所，廣東廣州510650）

TA1中厚板電子束焊接頭組織及力學(xué)性能

白 威1，李大東1，李 軍1，王 瑩1，張宇鵬2，黎小輝3

（1.攀鋼集團(tuán)研究院有限公司釩鈦資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川攀枝花617000；2.廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院），廣東廣州510650；3.廣東省材料與加工研究所，廣東廣州510650）

針對(duì)30 mm厚TA1中厚板開(kāi)展電子束焊接試驗(yàn)。通過(guò)光學(xué)顯微鏡、維氏硬度儀、拉伸試驗(yàn)機(jī)等檢測(cè)手段，分析焊接過(guò)程對(duì)TA1微觀組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，采用電子束焊在適當(dāng)規(guī)范下可獲得優(yōu)質(zhì)接頭。接頭不同區(qū)域組織差異顯著：母材為等軸α；焊縫由柱狀α、鋸齒α和少量針狀α組成；熱影響區(qū)為鋸齒α。隨熔深增加，焊縫中柱狀α與鋸齒α晶粒尺寸遞減，柱狀α晶界逐漸變模糊。拉伸試驗(yàn)中，焊接試樣出現(xiàn)頸縮并斷于母材。對(duì)于取自不同位置的母材及焊接試樣，拉伸性能差異不大，但焊接試樣強(qiáng)度略高于母材。不同熔深處接頭橫向硬度分布趨勢(shì)大致相同：焊縫中心區(qū)最高，熱影響區(qū)其次，母材最低。與母材相比，接頭的一系列性能表現(xiàn)與電子束焊接過(guò)程中較快的冷速、TA1材料傳熱特性以及鋸齒α與針狀α的強(qiáng)化作用有關(guān)。

TA1中厚板；電子束焊接；微觀組織；力學(xué)性能

0 前言

工業(yè)純鈦TA1是重要的耐蝕結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于石油化工、海洋工程及原子能領(lǐng)域[1]。目前，鈦材的焊接方法主要包括鎢極氬弧焊（TIG）、激光焊及電子束焊（EBW）。TIG焊的單道熔深受鎢極載流能力限制，當(dāng)焊接厚板時(shí)需開(kāi)坡口進(jìn)行分層多道焊，焊接過(guò)程中多次熱輸入易導(dǎo)致接頭過(guò)熱脆化及工件變形。因此，TIG焊多用于10 mm以下鈦材薄板的焊接。窄間隙TIG焊正成為當(dāng)今厚板鈦及鈦合金焊接技術(shù)的研究熱點(diǎn)。然而，接頭變形與開(kāi)裂以及焊接缺陷控制一直是制約該技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的“瓶頸”[2]。激光焊兼顧焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并可通過(guò)改變光路實(shí)現(xiàn)工件全位置焊，但單道激光束的穿透能力遠(yuǎn)遜色于電子束[3]。近年來(lái)，20 mm以上厚度金屬焊接結(jié)構(gòu)件在海軍裝備及船舶等大型裝備制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用對(duì)現(xiàn)有焊接技術(shù)提出挑戰(zhàn)。在眾多焊接技術(shù)中，電子束焊因能量密度高、焊縫熔深大、真空施焊等優(yōu)勢(shì)脫穎而出[4]。

電子束焊接過(guò)程中，焊縫內(nèi)部較大的溫度梯度以及鈦材自身傳熱特性決定了接頭局部組織和性能與母材相比存在差異，這些差異又會(huì)直接影響到焊接結(jié)構(gòu)的整體性能，甚至使用壽命[5]。迄今為止，有關(guān)TA1的報(bào)道多是針對(duì)薄板開(kāi)展TIG焊、潛弧焊及激光焊等研究[6-7]，而涉及電子束焊對(duì)TA1中厚板微觀組織及力學(xué)性能影響的研究還鮮有報(bào)道。本研究擬通過(guò)對(duì)TA1中厚板電子束焊接頭開(kāi)展金相組織、維氏硬度及拉伸性能檢驗(yàn)，分析焊接過(guò)程對(duì)TA1材料組織及力學(xué)性能的影響，為材料的工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

焊接材料為攀鋼熱軋板廠生產(chǎn)的30mm厚TA1熱軋中厚板，試板尺寸500 mm×150 mm×30 mm，并經(jīng)過(guò)500℃×4 h真空光亮退火處理，化學(xué)成分見(jiàn)表1。施焊前，先采用機(jī)械加工除去試板表層氧化膜，再使用丙酮反復(fù)擦拭，去除雜質(zhì)及油污。

表1 TA1中厚板化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of TA1 medium plate%

1.2 試驗(yàn)方法

焊接設(shè)備為K100-G150/300KM-CNC型真空電子束焊機(jī)，加速電壓150 kV，額定功率30 kW。采用平板對(duì)接形式，不開(kāi)坡口，工藝參數(shù)見(jiàn)表2。焊縫與板材軋制方向垂直。為確保焊縫熔透而又不致塌陷，在試板底部添加同材質(zhì)的鎖底墊板。裝配時(shí)，通過(guò)工裝施加約束。添加墊板可避免未焊透，還可將常見(jiàn)于非穿透電子束焊縫根部的“釘尖缺陷”過(guò)渡到鎖底墊板[8]。焊后除去墊板，即可將缺陷引出工件，提升焊接質(zhì)量。焊接過(guò)程中，電子束做圓形掃描，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池金屬的充分?jǐn)嚢?，有助于消除熔深不均并加速氣體逸出[9]。

表2 電子束焊接工藝參數(shù)Table 2 Technical parameters of EBW

焊后參照GJB 1718A-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行X射線探傷。采用線切割截取接頭橫截面試樣，經(jīng)磨制、拋光及腐蝕后進(jìn)行宏觀及微觀組織檢驗(yàn)。腐蝕液成分為HF∶HNO3∶H2O=2∶3∶95。使用OLYMPUS光學(xué)金相顯微鏡觀察接頭各區(qū)域微觀組織。按GB/T 228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)?？紤]到母材和焊接試樣沿厚度方向拉伸性能可能存在差異，故分3層取樣。母材試樣沿垂直于板材軋制方向截取。焊接試樣沿垂直于焊縫方向截取，焊縫居于中心。焊接試樣尺寸加工與母材試樣相同，如圖1所示。拉伸測(cè)試采用MTS-CMT5205型電液伺服萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)有效數(shù)據(jù)平均值。參照GB/T 4340.1-2009標(biāo)準(zhǔn)，采用HBV-30A型維氏硬度儀分別沿距焊接試樣上表面5 mm、厚度中心及距下表面5 mm位置進(jìn)行接頭橫向硬度檢測(cè)，載荷4.9 N，加載時(shí)間10 s，測(cè)點(diǎn)間距0.5 mm。

圖1 拉伸試樣幾何尺寸（單位：mm）Fig.1 Geometry dimension of tensile samples

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭宏觀形貌

接頭外觀形貌如圖2a所示。焊縫表面呈光亮銀白色，外觀成形良好，無(wú)咬邊、凹陷及氣孔等缺陷。圖2b為接頭橫截面低倍試樣照片，沿熔深方向焊縫寬度逐漸變窄，符合“釘形”特征。焊縫中心兩側(cè)為熔池金屬快速凝固形成的粗大柱狀晶。焊縫總長(zhǎng)約36.4 mm，焊縫頂部寬約3.5 mm，深寬比約10∶1。

圖2 TA1中厚板電子束焊接頭宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of electron beam welded TA1 medium plate joint

2.2 焊接接頭不同區(qū)域微觀組織

2.2.1 TA1中厚板母材微觀組織

TA1母材微觀組織照片如圖3所示。母材由單一的等軸α構(gòu)成，晶粒尺寸相對(duì)均勻（約50 μm），部分晶粒由于再結(jié)晶不完全而尺寸稍大。

圖3 TA1中厚板母材微觀組織Fig.3 Base metal microstructure of TA1 medium plate

2.2.2 接頭焊縫微觀組織

圖4a、4b、4c分別為焊縫上層、中層及下層區(qū)域微觀組織。焊縫中心主要由粗大的柱狀α構(gòu)成。柱狀α關(guān)于焊縫中心對(duì)峙排列，并向其生長(zhǎng)。焊縫各層柱狀晶形態(tài)均不相同。由圖4a可知，焊縫上層區(qū)域的柱狀晶晶界清晰，長(zhǎng)約1000μm，寬約500 μm。柱狀晶內(nèi)部為熔池金屬快速冷卻而形成的尺寸相對(duì)細(xì)小且分布隨機(jī)的鋸齒α，部分鋸齒α晶界交錯(cuò)重疊。由圖4b可知，焊縫中層區(qū)域的柱狀晶晶界略顯模糊。與焊縫上層相比，焊縫中層的柱狀晶長(zhǎng)度明顯變短，寬約400 μm。同時(shí)，柱狀晶內(nèi)鋸齒α晶粒尺寸也略微變小。由圖4c可知，焊縫下層的柱狀α晶界基本消失，柱狀α寬約300~400 μm。柱狀晶內(nèi)組織仍為鋸齒α，且鋸齒α尺寸整體上小于上層和中層焊縫中的鋸齒α。圖4d～4f分別為圖4a～4c經(jīng)放大后的微觀組織照片?？梢钥闯觯缚p微觀組織除鋸齒α外，還含有少量針狀α。

焊縫組織形態(tài)沿熔深方向出現(xiàn)差異與TA1材料自身傳熱特性以及電子束焊接過(guò)程中能量分布不均勻有關(guān)。焊接過(guò)程中，較快的冷速使得在毫米尺度的焊縫內(nèi)部形成了極大的溫度梯度。熔池金屬快速凝固而形成粗大的鑄態(tài)β相，并在隨后快速冷卻過(guò)程中通過(guò)β→α擴(kuò)散相變析出穩(wěn)定態(tài)的α相，形成鋸齒α和針狀α。部分鋸齒α晶粒粗大則是因TA1材料自身相對(duì)較差的傳熱特性以及中厚板較大的厚度導(dǎo)致焊縫金屬高溫停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，引起鋸齒α晶粒有過(guò)熱傾向。針狀α的形成則是因其形成所需冷速與鋸齒狀α不同[4]。焊縫由上至下，柱狀α與鋸齒α晶粒尺寸逐漸變小，則是由于電子束焊的能量傳遞特點(diǎn)決定了熔池上部金屬要凝固滯后于中部及下部，高溫停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大明顯。而中部及下部熔池金屬的冷卻速度相對(duì)較快，晶粒長(zhǎng)大程度相對(duì)較低，因而柱狀α晶界逐漸變得不明顯。

2.2.3 接頭HAZ微觀組織

接頭中層區(qū)域HAZ組織如圖5所示。由圖5a可知，母材（Base metal）、HAZ及熔合區(qū)（FZ）因組成相α的形態(tài)差異而分界明顯。與母材相比，HAZ及熔合區(qū)組織均出現(xiàn)了晶粒粗化現(xiàn)象，且朝焊縫中心方向粗化程度進(jìn)一步增加。HAZ組織由鋸齒α構(gòu)成，晶粒尺寸整體上介于母材與熔合區(qū)之間。由于焊接時(shí)HAZ溫度可達(dá)到接近TA1熔點(diǎn)的高溫，故該區(qū)域組織相當(dāng)于受到了熱處理，在β→α相變重結(jié)晶生成鋸齒α的同時(shí)，晶粒受熱粗化，形成粗大的鋸齒α。但因焊接過(guò)程中HAZ的冷速明顯低于熔合區(qū)，故未能在該區(qū)域觀察到針狀α生成。由圖5b可知，HAZ完全由鋸齒α構(gòu)成，部分鋸齒α晶界交錯(cuò)重疊。

圖4 焊縫上層、中層及下層區(qū)域微觀組織Fig.4 Microstructure of the weld seam

2.3 焊接接頭力學(xué)性能

母材與焊接試樣的拉伸數(shù)據(jù)如表3所示。對(duì)于母材及焊接試樣，各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間并未因取樣位置的不同而表現(xiàn)出較大差異，表明TA1母材及焊接試樣的材料組織均勻性較好。對(duì)比焊接試樣和母材試樣拉伸數(shù)據(jù)可知，焊接試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷面收縮率在數(shù)值上整體略高于母材，但斷后伸長(zhǎng)率的平均值（46.7%）卻略低于母材（47.3%）。同時(shí)，所有焊接試樣的拉伸斷口均位于母材。

表3 TA1母材及焊接接頭的室溫拉伸性能Table 3 Tensile properties of base metal and welded joint of TA1 at room temperature

拉伸斷裂后的焊接試樣如圖6所示，具有明顯的韌性斷裂特征。在拉伸斷口及焊縫周圍母材區(qū)域均出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，表明接頭焊縫及HAZ強(qiáng)度明顯高于母材。焊接部位得到強(qiáng)化與焊縫及HAZ內(nèi)分布的形態(tài)不同的α相有關(guān)。對(duì)于工業(yè)純鈦的焊接，焊縫及HAZ內(nèi)形成的大量鋸齒α晶粒內(nèi)部所含的亞結(jié)構(gòu)對(duì)接頭有強(qiáng)化作用[10]。另外，焊縫微觀組織中所含的少量針狀α因具有高于母材的強(qiáng)度及硬度[11]，也會(huì)對(duì)接頭起到部分強(qiáng)化作用。當(dāng)焊接試樣承受拉伸載荷時(shí)，由于焊縫及HAZ組織強(qiáng)度高于母材，使得在強(qiáng)度相對(duì)較低的母材區(qū)域優(yōu)先發(fā)生塑性變形。隨著試驗(yàn)載荷的不斷增大，母材的塑性變形總量將大于焊接區(qū)域，出現(xiàn)頸縮。最終，出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形的母材因難以承受較高的拉伸載荷而發(fā)生斷裂。焊接試樣的斷后伸長(zhǎng)率平均值低于母材，則是因拉伸過(guò)程中接頭不同區(qū)域的塑性變形程度不均勻所致，這也表明該焊接工藝下獲得的接頭塑性略低于母材。

2.4 接頭橫截面維氏硬度分布

焊接試樣上層、中層及下層區(qū)域的硬度分布如圖7所示。上述3個(gè)區(qū)域的硬度分布趨勢(shì)大致相同：熔合區(qū)及HAZ硬度高于母材，在焊縫中心及其臨近區(qū)域的試樣硬度值最高。熔合區(qū)及HAZ硬度高于母材，原因是這些區(qū)域內(nèi)聚集的大量鋸齒α晶界對(duì)硬度有提升作用[12]。焊縫中心區(qū)硬度略高于HAZ，則是由于焊縫微觀組織中除鋸齒α外，還含有少量硬度較高的針狀α。母材組織為等軸α，因而硬度最低。對(duì)比上述3個(gè)區(qū)域的硬度曲線，可看出熔合區(qū)及HAZ的硬度分布較為離散，母材硬度分布相對(duì)均勻。這是因?yàn)榫哂忻芘帕浇Y(jié)構(gòu)的工業(yè)純鈦其硬度分布特點(diǎn)與硬度測(cè)量過(guò)程中α相晶粒的晶體學(xué)取向密切相關(guān)[13]：當(dāng)硬度計(jì)壓頭壓入的是晶體取向的基平面時(shí)，材料硬度較高；而當(dāng)壓頭壓入的是晶體取向的棱柱面時(shí)，硬度相對(duì)較低。同時(shí)，由于熔合區(qū)及HAZ晶粒取向分布與母材相比更為隨機(jī)[14]，這也就導(dǎo)致了焊接區(qū)域的硬度分布比母材更為離散。在這些因素的共同作用下，焊接試樣硬度的整體變化趨勢(shì)為焊縫中心區(qū)硬度最高，熱影響區(qū)其次，母材最低。

圖6 TA1焊接拉伸試樣（斷后）Fig.6 Tensile sample of the joint(after fracture)

圖7 接頭橫向硬度分布Fig.7 Hardness distribution on cross section of the joint

3 結(jié)論

（1）30 mm厚TA1中厚板焊接性能良好，采用真空電子束焊在適當(dāng)工藝規(guī)范下可獲得優(yōu)質(zhì)接頭。

（2）焊縫微觀組織由柱狀α、鋸齒α和少量針狀α組成。HAZ微觀組織由鋸齒α構(gòu)成。焊縫由上至下，微觀組織中柱狀α和鋸齒α的晶粒尺寸遞減，柱狀α晶界逐漸變模糊。

（3）拉伸數(shù)據(jù)表明，電子束焊使TA1接頭焊接區(qū)域的強(qiáng)度增加，塑性下降。拉伸試驗(yàn)中，焊接試樣出現(xiàn)頸縮，并斷裂于母材。對(duì)于取自不同位置的母材及焊接試樣，拉伸性能差異不大，但焊接試樣的強(qiáng)度略高于母材。

（4）硬度數(shù)據(jù)表明，電子束焊使接頭熔合區(qū)及熱影響區(qū)的硬度提升。焊接試樣橫向硬度分布趨勢(shì)為焊縫中心區(qū)最高，熱影響區(qū)其次，母材最低。焊接試樣不同熔深部位硬度分布趨勢(shì)大致相同。與母材相比，熔合區(qū)及熱影響區(qū)的硬度分布相對(duì)離散。

[1]張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：45.

[2]席少靜，李慧，孫清潔，等.鈦合金窄間隙TIG焊接技術(shù)及質(zhì)量控制評(píng)述[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，35（3）：241-245.

[3]高福洋，廖志謙，李文亞.鈦及鈦合金焊接方法與研究現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù)，2012（23）：86-90.

[4]張秉剛，吳林，馮吉才.國(guó)內(nèi)外電子束焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].焊接，2004（2）：5-8.

[5]李曉延，鞏水利，關(guān)橋，等.大厚度鈦合金結(jié)構(gòu)電子束焊接制造基礎(chǔ)研究[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（2）：107-112.

[6]秦占領(lǐng)，胡春海，王衛(wèi)玲.TA1純鈦潛弧焊接頭組織與性能研究[J].航天制造技術(shù)，2014（5）：19-21.

[7]Qi Yunlian，Deng Ju，Hong Quan，et al.Electron beam welding，laser beam welding and gas tungsten arc welding of titanium sheet[J].Materials Science and Engineering A，2000（280）：177-181.

[8]石銘霄，張秉剛，馬紀(jì)龍，等.鈦合金電子束深熔焊釘尖缺陷形成的影響因素[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33（12）：53-56.

[9]王文翰.焊接技術(shù)手冊(cè)[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2001：293.

[10]Liu H，Nakata K，Yamamoto N，et al.Mechanical properties and strengthening mechanisms in laser beam welds of pure titanium[J].Science and Technology of Welding and Joining，2011，16（7）：581-585.

[11]廖志謙，王忠平.鈦合金厚板的等離子焊接[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2005，20（4）：27-28，37.

[12]倪聰，石巖，陳俊科，等.工業(yè)純鈦板激光焊接工藝研究[J].應(yīng)用激光，2015，35（2）：212-215.

[13]Merson E，Brydson R，Brown A.The effect of crystallographic orientation on the mechanical properties of titanium [J].J.Phys.Conf.Ser.，2008（126）：1-4.

[14]Murakami T，Nakata K，Yamamoto N，et al.Formation of one pass fully-penetrated weld bead of titanium plate by fiber laser and MIG arc hybrid welding[J].Materials Transactions，2012，53（5）：1017-1021.

Microstructures and mechanical properties of electron beam welded joint of TA1 medium plate

BAI Wei1，LI Dadong1，LI Jun1，WANG Ying1，ZHANG Yupeng2，LI Xiaohui3
（1.State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Resources Utilization，Pangang Group Research Institute Co.，Ltd.，Panzhihua 617000，China；2.Guangdong Welding Institute（China-Ukraine E.O.Paton Institute of Welding），Guangzhou 510650，China；3.Guangdong Institute of Materials and Processing，Guangzhou 510650，China）

Electron beam welding experiments were carried out on 30 mm thick TA1 medium plates.The testing methods，such as optical microscope，Vickers hardness test and stretch tester were used for investigating the effect of electron beam welding on microstructures and mechanical properties of TA1 medium plate.The results show that high quality joints could be obtained by applying vacuum electron beam welding under appropriate technical parameters.Significant differences of the microstructure appear in different areas of the joint.The base metal consists of equiaxed alpha phase.The weld seam consists of a mixed microstructure，which containing alpha columnar crystal,serrated alpha and a few acicular alphas.The microstructure of heat affected zone consists of serrated alpha phase.The grain sizes of alpha columnar crystal and serrated alpha in the weld seam are gradually decreased with the increase of weld penetration.At the same time,the grain boundaries of columnar crystals gradually become blurred.During the tensile tests，an apparent necking phenomenon appears on the welded specimens，and all of the fracture faces are located in base metal.As for specimenssampled from different positions of base metal and welded joint，the tensile properties appears no significant difference.However，the strength of welded specimens is slightly higher than that of specimens sampled from base metal.The weld center region possesses the highest hardness，heat affected zone secondly，and base metal lowest.Compared with base metal，a series of performance behavior of the joint is related to rapid cooling during welding，heat transfer characteristics of TA1 material itself，and the strengthening effect of serrated alpha and acicular alpha in the welding area of the joint.

TA1 medium plate；electron beam welding；microstructure；mechanical properties

TG456.3

A

1001－2303（2017）02－0031-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.06

2016-12-15

白 威（1989—），男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事金屬材料焊接的研究工作。

獻(xiàn)

白威，李大東，李軍，等.TA1中厚板電子束焊接頭組織及力學(xué)性能[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：31-35，64.