Ti6Al4V厚板低匹配TIG窄間隙焊接頭力學(xué)性能

鄧志剛，趙 勇

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 昆山 215300；2.江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、無磁、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、造船、能源、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。手工TIG窄間隙焊接技術(shù)采用的坡口間隙較傳統(tǒng)坡口間隙大幅減小，帶來了諸多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)越性[2]。該技術(shù)在俄羅斯的載人潛水器等厚壁鈦合金焊接結(jié)構(gòu)中已廣泛應(yīng)用。本文針對工程結(jié)構(gòu)中常用的TI6AL4合金，選用低強(qiáng)度等級的2B焊絲，自制深入式噴嘴TIG窄間隙焊接，通過對焊接接頭的拉伸試驗(yàn)和金相組織觀察來分析該工藝對焊接接頭性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試板為TI6AL4，σ45mm的，焊絲為2B、Φ2mm。TI6AL4和2B成分見表1和表2，TI6AL4和2B焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能見表3。

表1 TI6AL4的化學(xué)成分

表2 2B焊絲的化學(xué)成分

表3 TI6AL4和2B熔敷金屬的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 焊接試驗(yàn)

X坡口形式，坡口傾斜3°～5°。坡口中間機(jī)加工兩凸臺，組裝至間隙2mm～3mm，試件表面間隙11mm±2mm。采用TIG自制噴嘴深入縫隙焊接。

1.2.2 焊接接頭的拉伸試驗(yàn)

焊接后將焊接接頭按照GB 2649加工成棒狀拉伸試樣[3]。試驗(yàn)采用CMT5205微機(jī)控制電子萬能（拉力）試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)按照GB2651實(shí)施。

1.2.3 金相試驗(yàn)

對腐蝕好的試樣在顯微鏡下觀察，觀察焊接接頭不同區(qū)域的形態(tài)，并對典型形貌進(jìn)行拍照。

1.2.4 SEM成分分析

將制備好的試樣在掃描電鏡下觀察，并從焊縫中心至一側(cè)母材每隔1mm做一次成分分析，觀察Al和V的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

焊接接頭的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4：

表4 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出，當(dāng)選用2B焊絲，焊接接頭雖斷在了焊縫中心，但其抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了865MPa，這比2B焊絲熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度有了大幅度的提高，已接近于TI6AL4母材的抗拉強(qiáng)度。

選用2B焊絲焊接TI6AL4合金，得到的是低匹配的焊接接頭，相當(dāng)于兩層硬的金屬中間包夾了一層“軟層”金屬，當(dāng)焊接接頭承受靜拉伸載荷的時候，低強(qiáng)度焊縫首先進(jìn)入到塑性狀態(tài)，高強(qiáng)母材仍處于彈性狀態(tài)，母材對焊縫的塑性變形具有拘束作用，隨著坡口間隙的減小，拉伸試棒接頭部位的徑向應(yīng)力就越大，焊縫金屬塑性變形就更加困難，從而使接頭強(qiáng)度上升。窄間隙焊接時，低強(qiáng)度焊縫的塑性變形受到高強(qiáng)母材的約束，使焊縫金屬應(yīng)力處于三向受拉伸而強(qiáng)化。

綜合以上因素，在保證接頭強(qiáng)度不降低的條件下，選用低強(qiáng)度等級的2B焊絲進(jìn)行焊接，接頭的塑性得到了改善，焊接接頭的綜合性能得到了提高。

2.2 金相試驗(yàn)結(jié)果及分析

一般而言，焊接接頭各區(qū)域的化學(xué)成分及相成分，焊縫金屬在焊接熱循環(huán)時發(fā)生的相變及組織轉(zhuǎn)變對接頭的性能有很大的影響。

圖1和圖2分別為接頭熔合區(qū)和焊縫中心的組織形貌，由圖可見，母材是細(xì)小的等軸晶α相和其晶界網(wǎng)狀分布的?相的機(jī)械混合物。而焊縫的晶粒組織比母材的組織粗大，熔合區(qū)的范圍較窄，焊縫中心可見一定量的針狀的α′組織，在α′晶界分布的少量過冷的亞穩(wěn)定?相在應(yīng)力的作用下能轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力誘發(fā)馬氏體，這種馬氏體具有低的屈服強(qiáng)度、高應(yīng)變硬化速率及均勻伸長率和較高的塑性[4]，在窄間隙焊接時，由于焊接熱輸入相對較少，冷卻速度較快，使得這種誘發(fā)馬氏體的比例增加，從而也有效的提高了接頭的力學(xué)性能。

圖1 接頭熔合區(qū)的組織形貌

圖2 焊縫中心的組織形貌

2.3 SEM試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3是從焊縫中心至一側(cè)母材Al和V元素含量的變化趨勢。

結(jié)合表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，母材中的合金元素Al和V均向焊縫中心方向擴(kuò)散。對于鈦合金而言，元素鋁對強(qiáng)度有很大的影響。

鋁含量每增加1%就使鈦的強(qiáng)度極限提高5公斤/毫米2，同樣有效的強(qiáng)化β固溶體。焊接接頭熔合區(qū)的合金比例提高了，該區(qū)域的強(qiáng)度也會隨之提高。

由于擴(kuò)散作用，母材中的合金向熔合區(qū)擴(kuò)散，強(qiáng)化了接頭的熔合區(qū)，提高了焊接接頭的力學(xué)性能。

根據(jù)菲克第一和第二定律知濃度和擴(kuò)散的距離對擴(kuò)散合金的量有很大的影響。同時，焊縫間隙很小，在短距離的條件下，更有利于合金元素向焊縫中心區(qū)域擴(kuò)散，所以強(qiáng)化效果更加明顯。

圖3 SEM成分趨勢圖

3 結(jié)論

（1）選取低于母材強(qiáng)度級別的2B焊絲，并采用TIG窄間隙方法對45mm的TI6AL4合金進(jìn)行焊接，焊后接頭的抗拉強(qiáng)度為865MPa，比2B焊絲熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度有了大幅度的提高，已接近于TI6AL4母材的抗拉強(qiáng)度；

（2）采用窄間隙的方法焊接時，焊接接頭焊絲的填充量比常規(guī)X形坡口時的填充量減少了30%左右，焊接熱影響區(qū)變窄，焊縫中心生成針狀的α′組織，亞穩(wěn)定?相在應(yīng)力的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力誘發(fā)馬氏體的增加均使接頭的性能提高；

（3）在焊接可達(dá)的范圍內(nèi)，焊接坡口的間隙越小，合金元素向焊縫擴(kuò)散的越多，熔合區(qū)合金化程度越高，強(qiáng)化焊接接頭，提高了接頭力學(xué)性能。