TA15鈦合金電子束焊縫形貌及其組織研究*

曠小聰，卜文德，付鵬飛，王西昌，柯黎明

（1.南昌航空大學輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室，南昌 330063；2.中國航空制造技術研究院高能束流加工技術重點實驗室，北京 100024）

隨著我國航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金的使用越來越廣泛，已成為主要的的結構材料之一，鈦合金在飛機以及發(fā)動機的使用量也成為衡量飛機先進性的重要標志之一。TA15作為一種常用的近α型中強鈦合金，具有良好的焊接性和熱穩(wěn)定性，其名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V。由于TA15鈦合金在400～500℃表現出良好的中高溫強度，目前，TA15已經大量用于制造飛機和發(fā)動機的承力結構及一些工作溫度較高、受力復雜的結構件中。

電子束焊接以其極高的能量密度[1-2]，可以一次性焊透材料，極大地改善了焊接中的變形，對于中厚板的焊接具有獨特的優(yōu)勢，并且電子束焊是在真空環(huán)境下進行，對于氣孔敏感性較高的鈦合金焊接具有良好的保護作用，能較好地保證焊接質量。因此，電子束焊接技術成為中厚板鈦合金主要的焊接方法之一。

有關TA15焊縫形貌相關問題已經進行了一系列的研究，并取得一些成果[3-7]。如張慶云等[3-4]比較了“釘形”和“鐘罩形”兩種典型焊縫形貌的組織與性能，結果表明：“釘形”焊縫組織較細小，而“鐘罩形”的接頭性能更為均勻；張建偉等[6]研究了不同工藝參數對焊縫形狀的影響，對焊縫形貌變化趨勢進行了簡單描述；趙明書等[7]研究了獲得不同平行焊縫的調控方法。以上研究均是對接頭橫截面形貌簡單敘述，并未結合焊縫宏觀形貌，且對焊縫形貌的形成機理沒有深入分析，對接頭的組織也沒有進行較為全面的分析。本文系統(tǒng)研究TA15鈦合金電子束焊接接頭橫截面焊縫形貌與工藝參數的關系，結合焊縫宏觀形貌，分析影響機理，對TA15接頭組織進行研究，為今后鈦合金的研究提供理論和數據基礎。

1 試驗及方法

試驗采用20mm厚的TA15板材，狀態(tài)為退火態(tài)，材料的化學成分如表1所示。試驗前，使用肥皂水清洗母材，并放入丙酮中清洗，除去材料表面油污。試驗采用焊接設備為KS15-PN150KM型中壓電子束焊機。焊接試驗中，保持加速電壓為60kV，研究不同焊接工藝參數（電子束流、焊接速度、聚焦電流、掃描幅值）對焊縫成形的影響，試驗主要工藝參數見表2。

表1 TA15鈦合金的化學成分質量分數 %

焊后對焊縫成形形貌進行觀察，并采用電火花線切割出試樣，對試樣進行打磨、拋光、腐蝕，腐蝕液所用配比為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7，腐蝕時間為8s。采用4XB-TV型倒置金相顯微鏡觀察腐蝕后的試樣接頭顯微組織并量取其不同工藝參數下的焊縫形狀參數。圖1為焊縫形狀參數的示意圖，其中a表示焊縫寬度，b為熔深，c為半熔深熔寬。

2 試驗結果及討論

2.1 單一工藝參數對焊縫形貌的影響

（1）電子束流。

試驗保持中壓（60kV）不變，焊接速度600mm/min、聚焦電流520mA條件下，改變電子束流（65～95mA），焊后焊縫形貌如圖2所示。從圖2宏觀形貌中可以看到，當電子束流大于85mA后出現“飛濺”現象，隨著束流增大“飛濺”越多，且焊縫成形較差。這主要是由于束流增大導致線能量增大，熔化金屬汽化迅速，且焊接速度不變，表面張力變小，導致產生“飛濺”。

表2 試驗過程的工藝參數

圖1 焊縫形狀參數示意圖Fig.1 Schematic diagram of weld shape parameters

從圖2焊縫橫截面形貌中可以發(fā)現，改變電子束流可以改變焊縫形狀。當電子束流為65mA時，焊縫形狀為“釘形”，隨著電流增大，焊縫中下部分寬度逐漸增大，當束流大于85mA，焊縫變成“鐘罩形”（焊縫上中下寬度接近）。焊縫的形狀參數見表3，電子束流增大，熔深、半熔深熔寬、焊縫寬度都增大。分析認為：這主要是因為電子束流增大，其他參數不變，線能量增大，增加了金屬的汽化，有利于“小孔效應”作用，因此電子束可以轟擊更深處的金屬，導致熔深增大；束流增大，功率增大，使得半熔深熔寬和焊縫寬度增大。

圖2 不同電子束流下的焊縫形貌Fig.2 Morphology of weld under different electron beams

表3 不同電子束流下的焊縫形狀參數

（2）焊接速度。

在保持加速電壓（60kV），電子束流（65mA）和聚焦電流（520mA）不變，改變焊接速度（480～720mm/min），焊后焊縫形貌如圖3所示。隨著焊接速度的增大，焊縫宏觀形貌中焊縫寬度逐漸變小，余高增大，焊接速度過快會引起“飛濺”現象，如圖3（c）所示。

從圖3焊縫橫截面形貌中可以知道，焊接速度對焊縫形狀影響不大。焊縫的形狀參數如表4所示，增大焊接速度后，熔深、半熔深熔寬及焊縫寬度均減小，深寬比先增大后減小。分析認為：焊接速度增大會減少單位時間內的熱輸入量，因此熔深、半熔深熔寬及焊縫寬度均隨著速度的增加而減小。

（3）聚焦電流。

圖3 不同焊接速度下的焊縫形貌Fig.3 Morphology of weld under different weld speeds

表4 不同焊接速度下的焊縫形狀參數

焊接過程中，聚焦電流也是影響焊縫形貌的一個重要因素。圖4是在加速電壓（60kV）、電子束流（65mA）、焊接速度（600mm/min）不變條件下，改變聚焦電流（500～521mA）的焊縫形貌。隨著聚焦電流增大，焊縫宏觀形貌由“圓滑”的焊縫變成“魚鱗紋”狀，且逐漸產生飛濺現象。

在圖4橫截面形貌中，焊縫均為“釘形”，表5為焊后測得的焊縫形狀參數。由圖4和表5可以明顯看出，隨著聚焦電流的增大，熔深增大比較明顯，而半熔深熔寬變化和焊縫寬度不明顯，這說明聚焦電流對熔深的作用比半熔深熔寬要大。分析認為：這是因為聚焦電流增大，表面聚焦點位置不變，焊接時的工作距離大大減小，從而在相同功率下的電子束流沖擊力增大，使得在熔深方向的作用力增大而造成的。

圖4 不同聚焦電流下的焊縫形貌Fig.4 Morphology of weld under different focusing currents

表5 不同聚焦電流下的焊縫形狀參數

圖5 不同掃描幅值下的焊縫形貌Fig.5 Morphology of the weld under different scanning amplitudes

表6 不同掃描幅值下的焊縫形貌參數

（4）掃描幅值。

試驗中采用圓掃描方式，保持加速電壓（60kV）、電子束流（65mA）、聚焦電流（520mA）和焊接速度（600mm/min）不變，改變掃描幅值（0mm、0.5mm、1mm）焊接后的宏觀形貌圖如5所示。從圖5可以看到，添加掃描后，出現焊縫熔化金屬向焊縫兩側“溢出”現象，并且發(fā)現幅值越大，“溢出”現象越明顯。這是因為添加圓掃描對熔池具有攪拌作用，在焊接速度不變的情況下，熔池產生振蕩并向兩側溢出。

在圖5橫截面形貌中，焊縫形狀由“細長”狀隨幅值的增大變成“短粗”狀。具體的焊縫形狀參數見表6，可以知道半熔深熔寬隨著幅值的增大，增加較為明顯。添加掃描已經成為增大焊縫半熔深熔寬的重要手段之一，在工程中運用比較廣泛。

2.2 接頭組織

試驗所用的TA15母材組織主要由初生等軸狀α相及轉變β相組成，如圖6所示，母材組織中初生α相分布較為密集。

圖6 TA15母材顯微組織Fig.6 Microstructure of TA15 parent mental

熱影響區(qū)的顯微組織如圖7所示，在圖7（a）中焊縫熔合線清晰可見，發(fā)現從母材至焊縫，初生α相逐漸變少，且熔合線附近組織球化程度較高?？拷覆牡臒嵊绊懡M織和母材組織相近，由等軸狀α相及轉變β相組成，并出現針狀（α+β）；距熔合線較近的熱影響區(qū)，組織主要為α相和針狀（α+β）相，且出現α'馬氏體附著在等軸β晶粒上，如圖7（b）所示。分析認為：在電子束焊接過程中，靠近母材的熱影響區(qū)，受熱影響較少，只有部分組織發(fā)生α→β相變，由于β相不穩(wěn)定，在冷卻速度慢的情況下，轉變?yōu)獒樒瑺畹摩?β相[8-9]，因此其組織為大量的初生α相+轉變β相+少量針狀（α+β）；靠近熔合線的熱影響區(qū)溫度出現極熱區(qū)域，發(fā)生大量相變，β受熱長大并形成等軸晶，在快速冷卻的過程中，β發(fā)生無擴散馬氏體相變β→α'，但等軸β相的晶粒外形保留下來，針狀α'附著在其上。

電子焊熔合區(qū)顯微組織如圖8所示，在圖8（a）可見粗大的柱狀晶垂直于熔合線成對生長，并且在焊縫中心處形成單列或者多列等軸晶，與文獻[10]研究結果類似。這主要是因為焊縫凝固過程中，通過聯(lián)生結晶、外延生長形成柱狀晶，晶粒擇優(yōu)生長，保持與散熱最快（即與熔合線垂直方向）的方向一致持續(xù)生長至焊縫中心，由于在焊縫中心溫度最高，過冷度較高，同時向兩側散熱，柱狀晶還未生長到中心，焊縫中心區(qū)域液態(tài)金屬便開始形核并長大，形成單列或多列等軸晶。焊縫組織由針狀α'相組成，在圖8中，可以看到α'馬氏體呈網籃狀密集地分布在焊縫中，圖8（b）為單側向柱狀晶內生長的α'馬氏體，圖8（c）為等軸晶內的網籃狀α'馬氏體。

3 結論

圖7 熱影響區(qū)顯微組織Fig.7 Microstructure of heat affected zone

圖8 接頭顯微組織Fig8 Microstructure of weld joint

（1）隨著電流增大，焊縫形狀由“釘形”逐漸被拉長，當束流大于85mA后焊縫形狀變成“鐘罩形”，熔深、半熔深熔寬、焊縫寬度都增大，電子束流過大時焊縫外觀成形差，同時會產生飛濺。

（2）增大焊接速度，對焊縫形狀影響不大，熔深、半熔深熔寬及焊縫寬度均減小，深寬比先增大后減?。缓缚p表面形貌由“寬胖”逐漸變成“窄高”的焊縫。

（3）聚焦電流的增大對熔深作用較明顯，半熔深熔寬及焊縫寬度變化不大；隨著聚焦電流增大，焊縫表面形貌由“圓滑”的焊縫變成“魚鱗紋”狀。

（4）掃描幅值的增加使焊縫熔深減小，半熔深熔寬增大，出現焊縫熔化金屬向焊縫兩側“溢出”現象，并且發(fā)現幅值越大，“溢出”現象越明顯。

（5）焊接接頭的母材主要由初生等軸狀α相及轉變β相組成；靠近母材的熱影響區(qū)組織與母材組織相近，并出現針狀（α+β），靠近熔合線的組織由α相和針狀（α+β）相構成，并出現α'馬氏體；熔合區(qū)組織為α'，熔合線周圍柱狀晶垂直于焊縫中心生長，并在焊縫中心形成單列或多列的等軸狀晶。

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