BT22高強(qiáng)鈦合金電子束焊接工藝研究

羅添元，周琦，彭勇，郭順，向陽(yáng)

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

BT22鈦合金是俄羅斯研制的高強(qiáng)鈦合金，中國(guó)的牌號(hào)是TC18。其名義成分為Ti5Al5Mo5V1Cr1Fe，是一種α+β雙相鈦合金，合金相變點(diǎn)在850 ℃～870 ℃。其綜合性能優(yōu)異，特點(diǎn)是強(qiáng)度高、斷裂韌性高并且具有較高的淬透性。BT22鈦合金是目前代表國(guó)際先進(jìn)水平并在飛機(jī)上獲得實(shí)際應(yīng)用的高強(qiáng)鈦合金之一，適于作為大型厚截面航空構(gòu)件,特別適用于制造飛機(jī)機(jī)身及起落架結(jié)構(gòu)的大型鍛件[1]，是飛機(jī)特殊承力部件的優(yōu)選結(jié)構(gòu)材料[2]。真空電子束焊接作為一種高能束焊接技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空材料的焊接,其焊接接頭具有深寬比大、熱影響區(qū)窄、變形小等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。但是電子束焊接同樣是一個(gè)復(fù)雜的熱物理化學(xué)冶金過程，會(huì)造成焊接接頭部位材料組織和力學(xué)組織性能的不均勻性[5]。本文通過對(duì)BT22電子束焊接工藝研究，分析了不同工藝條件下焊縫的宏觀形貌、微觀組織和力學(xué)性能，可以為TB22鈦合金電子束焊接工藝的選擇提供合理的依據(jù)并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

1 試驗(yàn)方法

取2塊70mm×35mm×4mm的BT22焊接試板，并做焊前打磨、酸洗，電子束沿2塊試板對(duì)接的中心線施焊。

實(shí)驗(yàn)采用真空電子束焊機(jī)(ZD60-6A 5001型)。電子束參數(shù)設(shè)定：高壓U=-60 kV，燈絲設(shè)定I燈=650 mA，運(yùn)動(dòng)速度v=3 mm/s,工作距離D=295mm。通過調(diào)節(jié)焊接束流Ib，調(diào)整聚焦電流If，研究工藝參數(shù)對(duì)BT22電子束焊接宏觀形貌的影響，從而確定出合適的工藝參數(shù)值。從焊接試板上線切割切取試樣在真空爐中進(jìn)行焊后退火處理，觀察比較焊態(tài)和退火態(tài)不同條件下焊接接頭的金相組織。

金相試樣制備過程包括線切割、砂紙打磨和拋光，拋光采用W1金剛石研磨膏。腐蝕液為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7，在OLYMPUS GX41倒置光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織并照相。實(shí)驗(yàn)用HVS-1000Z數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)焊接試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。室溫拉伸在SANS CMT 5105萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

根據(jù)鈦合金電子束焊接的線能量可以計(jì)算出所需束流的粗略值，為減少試驗(yàn)次數(shù)，由正交試驗(yàn)結(jié)果可以得到如下的參數(shù)值范圍。

1)束流Ib=24mA，If=678mA

從焊縫正反面宏觀焊縫成形情況可以看出焊件的成形情況較差，焊件焊接時(shí)飛濺較大，焊縫正面存在明顯的咬邊缺陷。由焊件反面可以看出焊縫已被焊漏。

2)束流Ib=23mA,If=681mA

焊接束流稍大，試板焊透，焊縫正面存在輕微咬邊缺陷。

3)束流Ib=22mA，If=680mA

焊縫仍不夠飽滿,但由焊縫反面可以得出焊件焊漏程度良好，可以初步認(rèn)為為剛焊透情況。

4)束流Ib=21mA，If=680mA

由焊縫的正反面可以看出正面焊縫較寬，焊縫的成形較差，飛濺比較明顯，由反面可以看出焊件并未被焊透，電流偏小。

由以上試驗(yàn)可以得到，Ib=22mA，If=680mA為最佳工藝參數(shù)值。

2.2 金相組織

采用Ib=22mA的焊板制作金相試樣進(jìn)行金相觀察。金相試樣制備過程包括砂紙打磨和拋光，拋光采用W1金剛石研磨膏。腐蝕液為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7，在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織，將未經(jīng)熱處理與熱處理狀態(tài)下的顯微組織進(jìn)行對(duì)比。焊后熱處理制度為真空狀態(tài)下450 ℃退火處理。

圖1給出了BT22焊接接頭未經(jīng)熱處理狀態(tài)的顯微組織。焊縫區(qū)域的柱狀晶粗大較為明顯，焊縫附近晶粒粗化嚴(yán)重。焊縫組織為亞穩(wěn)態(tài)β相，由于電子束熱循環(huán)非?？?，焊態(tài)下看不到晶粒析出。母材β晶粒內(nèi)存在著細(xì)小的網(wǎng)籃狀α片，被β晶粒包圍著。晶界α片較粗且有不同程度的斷續(xù)。熱影響區(qū)在焊接過程中的高溫下部分固溶，之前的α片輪廓變粗。

圖1 BT22電子束接頭焊態(tài)組織

圖2給出了BT22焊接接頭退火后的顯微組織。在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒中析出細(xì)小的α片，同一集束的α片的趨向?yàn)楦飨蛲?。具有?qiáng)化和降低β過飽和的作用。母材的晶內(nèi)α片粗大。

圖2 TC18電子束接頭焊后退火組織

2.3 硬度試驗(yàn)

對(duì)BT22對(duì)接束流Ib=22mA的退火處理后的試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)。試樣打點(diǎn)如圖3所示，沿圖3所繪1、2兩條線進(jìn)行打點(diǎn)。實(shí)線1在垂直于焊縫上等間距打點(diǎn)，具體打點(diǎn)是按照點(diǎn)間距1mm，打點(diǎn)19個(gè)。實(shí)線2是在焊縫上等距離打點(diǎn)，點(diǎn)間距是0.5mm，打點(diǎn)7個(gè)。

圖3 打點(diǎn)區(qū)域

實(shí)線1硬度值的總體變化折線圖用origin制圖表示，如圖4所示。

圖4 垂直于焊縫上直線1硬度曲線

實(shí)線2硬度值的總體變化折線圖(從正面到反面，正面距離為正)用origin制圖表示，如圖5所示。

圖5 焊縫上直線2硬度曲線

由圖5可以看出焊縫處硬度值在275 HV1左右，BT22鈦合金母材的硬度值高于焊縫區(qū)域。

2.4 拉伸性能

從參數(shù)Ib=22mA退火后的焊接試板上取2個(gè)拉伸試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。由于BT22鈦合金硬度較高，拉伸試驗(yàn)機(jī)上的普通夾具無(wú)法裝夾，設(shè)計(jì)了一套夾具滿足試驗(yàn)要求。拉伸試樣也與普通的試樣不同,如圖6所示。

圖6 夾具與拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

將2次經(jīng)過熱處理的拉伸試驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度取平均值，得到接頭平均拉伸性能為938.4MPa。

3 結(jié)語(yǔ)

1)由焊縫的宏觀形貌可以獲得最佳的焊接工藝參數(shù)為高壓U=-60 kV，燈絲設(shè)定I燈=650 mA，運(yùn)動(dòng)速度v=3mm/s,工作距離D=295mm，電子束流Ib=22mA，聚焦電流If=680mA。

2)焊后熱處理可以改善焊縫的組織, 在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒中析出細(xì)小的α片，同一集束的α片的趨向?yàn)楦飨蛲?。α片具有?qiáng)化和降低β過飽和的作用。母材的晶內(nèi)α片粗大。

3)焊后熱處理的BT22鈦合金母材的硬度值高于焊縫區(qū)域。接頭平均拉伸性能為938.4 MPa。

[1] 王金雪,袁鴻,余槐,等. 冷卻速度對(duì)TC18鈦合金焊接熱模擬均溫區(qū)組織和性能的影響[J]. 航天制造技術(shù),2008(3):19-21.

[2] 中國(guó)航空信息中心《世界飛機(jī)手冊(cè)》編寫組．世界飛機(jī)手冊(cè)2000[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[3] 戚云蓮,洪權(quán),劉向,等. 鈦及鈦合金焊接技術(shù)[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展,2004,21(6):25-29.

[4] 王亞軍. 電子束焊接技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù),2004(增刊):20-25.

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