薄板TC4 鈦合金TIG 電弧和激光焊接接頭晶粒尺寸與微觀組織

李軍兆，孫清潔,，于航，張鵬程，劉一搏，曾憲山

(1.湖南湘投金天新材料有限公司 益陽(yáng) 413000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 威海 264209)

0 序言

鈦合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、化工及壓力容器等領(lǐng)域[1].隨著我國(guó)先進(jìn)飛行器的發(fā)展，將鈦合金應(yīng)用于管路系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的不銹鋼或鋁合金管材，鈦合金管不僅能夠承擔(dān)更大的工作壓力，還能夠滿足航空航天領(lǐng)域?qū)煽啃约俺志眯缘囊骩2-3].

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，鈦合金管材、板材或型材均會(huì)受到空間位置及裝配精度局限，勢(shì)必要采用合適的焊接方法對(duì)其進(jìn)行連接.目前，薄板鈦合金常用的焊接方法為鎢極氬弧焊接(TIG)，吳巍等人[4]研究發(fā)現(xiàn)鈦合金常規(guī)TIG 焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)晶粒嚴(yán)重粗化，在熱影響區(qū)粗晶區(qū)部位存在硬度的軟化區(qū)，隨著焊接熱輸入增加，硬度值逐漸減小.吳健文等人[5]采用快頻脈沖TIG 技術(shù)攪拌熔池內(nèi)部液態(tài)金屬，進(jìn)而減小TC4 鈦合金焊縫晶粒和熱影響區(qū)粗化，焊縫區(qū)組織為網(wǎng)籃狀馬氏體α'相.

隨著激光焊接的普遍應(yīng)用，TC4 鈦合金激光焊接技術(shù)也得到大量研究[6-8].南京航空航天大學(xué)黃煒等人[9]研究發(fā)現(xiàn)TC4 鈦合金激光焊接接頭主要分為細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)，熔合區(qū)組織主要為網(wǎng)籃狀針狀α'馬氏體和未轉(zhuǎn)變的β相，熱影響區(qū)主要為初生α 相和針狀α'馬氏體.日本大阪大學(xué)Liu 等人[10]認(rèn)為隨著激光焊接速度的增加，熔合區(qū)的針狀α'馬氏體變得更加細(xì)小，使得熔合區(qū)硬度值維持在較高的水平.西安交通大學(xué)Xu 等人[11]研究發(fā)現(xiàn)TC4 激光焊接接頭硬度值分布與微觀組織密切相關(guān)，焊縫熔合線位置具有最大硬度值，而隨距焊縫中心距離增加，顯微硬度值逐漸減小.

TC4 鈦合金焊接接頭宏觀形貌、微觀組織及顯微硬度與TIG 和激光焊接方法及工藝參數(shù)密切相關(guān)，因此主要對(duì)TIG 和激光焊接方法下的工藝、組織、性能的相互關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究.

1 試驗(yàn)方法

研究所采用的試驗(yàn)材料為TC4 鈦合金，試樣長(zhǎng)為100 mm、寬為100 mm、厚2.0 mm，化學(xué)成分如表1 所示.采用TIG 和激光表面自熔焊接方法，焊接方向垂直于板材軋制方向，焊接示意圖如圖1 所示.施焊前，采用砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，并采用NaOH 和HCl 溶液對(duì)試樣進(jìn)行處理，以去除表面的氧化膜，最后用酒精對(duì)試樣進(jìn)行沖洗并烘干.

表1 TC4 鈦合金主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of TC4 alloy

圖1 TC4 鈦合金TIG 和激光焊接示意圖Fig.1 The TIG and laser welding diagram for TC4 titanium alloy.(a) TIG welding;(b) laser welding

TIG 電弧焊接試驗(yàn)過(guò)程中主要研究焊接電流和焊接速度對(duì)焊接接頭橫截面形貌和微觀組織的影響規(guī)律；激光焊接主要研究激光輸出功率對(duì)接頭微觀組織的影響.TIG 和激光焊接過(guò)程中均采用純氬氣對(duì)高溫焊接熔池區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，其中鎢極保護(hù)噴嘴氣體流量為8 L/min，焊接拖罩氣體流量為10 L/min.

焊后采用線切割在焊縫相同位置上截取金相試樣，經(jīng)過(guò)磨拋后采用Kroll 試劑對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭的組織狀態(tài)進(jìn)行分析，并采用顯微硬度計(jì)測(cè)量接頭的顯微硬度分布，焊接接頭測(cè)量點(diǎn)間距均為0.2 mm，加載載荷1 kg，持續(xù)15 s.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接接頭宏觀形貌及晶粒尺寸

圖2 為不同焊接參數(shù)下的TC4 鈦合金TIG 焊接接頭焊縫橫截面形貌，具體數(shù)據(jù)如表2 所示.可以看出TC4 鈦合金TIG 焊接接頭主要分為母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū).并且隨著焊接電流增加或焊接速度減小，TC4 鈦合金焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度逐漸增加，且焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒尺寸也逐漸增加.

圖2 不同TIG 焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形貌Fig.2 The cross sections of TIG welded joint with various parameters.(a) 180 A,0.8 m/min;(b) 200 A,0.8 m/min;(c) 220 A,0.8 m/min;(d) 220 A,1.0 m/min;(e) 220 A,1.2 m/min

表2 不同TIG 焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形狀參數(shù)Table 2 The shape parameters of TIG weld cross sections with various parameters

TC4 鈦合金焊接接頭的組織轉(zhuǎn)變比較復(fù)雜，焊縫區(qū)域的晶粒組織形態(tài)和尺寸主要取決于最高加熱溫度、高溫停留時(shí)間及冷卻速率.鈦合金熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性能差，焊接過(guò)程中接頭在高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，并且焊后冷卻過(guò)程迅速，使得焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織發(fā)生顯著變化.根據(jù)晶粒尺寸特征TC4 鈦合金TIG 焊接接頭可以細(xì)分為焊縫柱狀晶區(qū)、焊縫粗晶區(qū)、熱影響區(qū)粗晶區(qū)、熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)和母材.其中焊縫柱狀晶區(qū)晶粒呈45°夾角從兩側(cè)對(duì)稱向焊縫中心位置生長(zhǎng)，晶粒具有較大的長(zhǎng)寬比，而焊縫粗晶區(qū)和熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶?；境尸F(xiàn)等軸狀態(tài).當(dāng)焊接電流為220 A、焊接速度為0.8 m/min時(shí)，此時(shí)具有最大的焊接熱輸入，焊縫區(qū)表面寬度為7.04 mm，單側(cè)熱影響區(qū)寬度為1.80 mm，焊縫中心區(qū)域呈現(xiàn)鑄態(tài)組織特征，晶粒顯著粗化，為粗大的柱狀晶組織.

圖3 為不同參數(shù)下的焊縫晶粒尺寸分布特征，可以發(fā)現(xiàn)從焊縫中心向兩側(cè)，晶粒尺寸逐漸減小，呈現(xiàn)非線性梯度變化特征，在柱狀晶/焊縫粗晶區(qū)、焊縫粗晶區(qū)/熱影響區(qū)粗晶區(qū)具有最大的晶粒梯度.隨著焊接電流增加或焊接速度降低，焊縫中心柱狀晶區(qū)的寬度逐漸減小，并向粗晶區(qū)轉(zhuǎn)變，焊縫區(qū)晶粒尺寸變化趨勢(shì)逐漸趨于平緩.特別是當(dāng)焊接速度增加至1.2 m/min時(shí)，焊縫中心區(qū)域的晶粒尺寸基本一致，粗大柱狀晶區(qū)域減小，晶粒長(zhǎng)寬比降低，與粗晶區(qū)基本具有相似的晶粒尺寸.

圖3 不同參數(shù)下的焊縫晶粒尺寸分布特征Fig.3 The grain distribution characteristics of welded joint with various parameters.(a) effect of welding current on grain size;(b) effect of welding speed on grain size

圖4 為不同激光焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形貌，如表3 所示.可以看到不同激光焊接功率下的TC4 鈦合金焊縫橫截面形貌基本相似，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度變化不明顯，不同激光功率參數(shù)下的接頭焊縫區(qū)寬度為2.50 mm，約為TIG 焊縫區(qū)寬度的40%；單側(cè)熱影響區(qū)寬度為0.50 mm，約為TIG焊熱影響區(qū)寬度的30%.接頭焊縫區(qū)主要為柱狀晶組織，具有聯(lián)生結(jié)晶生長(zhǎng)的特征，相比于TIG 焊接柱狀晶尺寸顯著降低.這是由于激光焊接具有較快的加熱和冷卻速率，熔池液態(tài)金屬主要依附于母材半熔化晶粒形核長(zhǎng)大，熔池高溫停留時(shí)間相對(duì)較短，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大變凝固.在熱影響區(qū)主要分為近縫區(qū)的完全轉(zhuǎn)變熱影響區(qū)，組織為粗大等軸晶；以及近母材區(qū)的未完全轉(zhuǎn)變熱影響區(qū)，組織為的細(xì)小等軸晶和板條組織，主要與最高加熱溫度有關(guān).

表3 不同激光焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形狀參數(shù)Table 3 The shape parameters of laser weld cross sections with various parameters

圖4 不同激光焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形貌Fig.4 The cross sections of laser welded joint with various parameters.(a) 3.4 kW,3.0 m/min;(b) 3.8 kW,3.0 m/min;(c) 4.2 kW,3.0 m/min;(d) 4.6 kW,3.0 m/min

2.2 焊縫微觀組織與顯微硬度

圖5 和圖6 分別為TIG 焊接(220 A，1.2 m/min)和激光焊接(4.2 kW，3.0 m/min)接頭的微觀組織特征，雖然兩者焊接熱源形式有所差異，但是TC4 鈦合金焊接接頭不同區(qū)域微觀組織特征基本相似.在TC4 鈦合金加熱過(guò)程中，當(dāng)溫度超過(guò)α/β 轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，TC4 母材中的α 相向β 向轉(zhuǎn)變，由于合金元素在β 相中的擴(kuò)散系數(shù)較大，β 晶粒將快速長(zhǎng)大.在隨后的焊縫快速冷卻過(guò)程中，焊接熔池將會(huì)保存原來(lái)粗大的β 晶粒至固相.因此焊縫組織中為由粗大的β 柱狀晶轉(zhuǎn)變而來(lái)的針狀馬氏體α'相，高溫β 晶粒的晶界清晰.此時(shí)針狀馬氏體α'相具有一定的晶體學(xué)相位關(guān)系，主要是從β晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng).然而，對(duì)比TIG 焊焊接接頭和激光焊接接頭組織特征，可以發(fā)現(xiàn)，由于激光焊接熱輸入小、熔池高溫停留時(shí)間短暫、加熱及冷卻過(guò)程快速，使得TC4 鈦合金焊縫組織的針狀α'馬氏體更加細(xì)小.

圖5 TC4 鈦合金TIG 焊接接頭微觀組織Fig.5 The microstructure of TIG welded joint.(a) fusion line area;(b) heat affected zone 1;(c) heat affected zone 2;(d) heat affected zone 3;(e) weld zone 1;(f) weld zone 2

在近縫區(qū)熱影響區(qū)的加熱溫度超過(guò)α/β 轉(zhuǎn)變溫度，α 相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵捎诖颂幍募訜釡囟鹊陀诤缚p區(qū)域，且冷卻速度相比于焊縫較快，因此形成β 等軸晶粒，晶粒尺寸相比于焊縫較小.在隨后的冷卻過(guò)程中，β 相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相.由于此時(shí)熔池的冷卻速度相對(duì)較大，使得針狀馬氏體α'相既能夠在β 晶界形核，又能夠在β 晶內(nèi)形核，生成網(wǎng)籃組織.隨著距焊縫中心位置的增加，熱影響區(qū)的加熱溫度僅能使部分α 相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，高溫為?β 雙相，由于此時(shí)的加熱溫度較低且冷卻速度較快，β 晶粒來(lái)不及快速長(zhǎng)大，晶粒尺寸較小；與隨后的快速冷卻使得未轉(zhuǎn)變的α 保留下來(lái)，生成原生α+針狀馬氏體α'雙相組織.

圖7 為TC4 鈦合金TIG 和激光焊接接頭不同區(qū)域的顯微硬度分布，由圖可以發(fā)現(xiàn)，激光焊接接頭焊縫區(qū)顯微硬度基本保持在370 HV，在熔合線位置硬度值達(dá)到最高值為393 HV，在熱影響區(qū)顯微硬度值迅速降低.激光焊接接頭的冷卻速度較快，導(dǎo)致生成較多的針狀α'相，使得焊縫顯微硬度值相比于母材整體偏高.

圖7 TC4 合金TIG 和激光焊接接頭顯微硬度分布特征Fig.7 The microhardness distribution of TIG and laser welded joints.(a) TIG welding;(b) laser welding

此外，TIG 焊接接頭的顯微硬度值要明顯低于激光焊接接頭，焊縫區(qū)顯微硬度值為350 HV，在近縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)存在軟化區(qū)，顯微硬度值達(dá)到最低值300 HV，隨后在熱影響細(xì)晶區(qū)有所增加，并逐漸降低至母材320 HV 左右.這是因?yàn)殁伜辖饘?dǎo)熱性差，熱影響區(qū)近縫區(qū)長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)熱狀態(tài)，β 晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，在隨后的冷卻過(guò)程中，較快的冷卻速度使得未轉(zhuǎn)變的α 相保留下來(lái)，形成α+α'雙相組織，在硬度方面體現(xiàn)為熔合線附近粗晶區(qū)的顯微硬度值降低.

3 結(jié)論

(1)在實(shí)現(xiàn)2.0 mm 厚度TC4 鈦合金全熔透條件下，激光焊接具有較小的熱輸入和較高的焊接速度，激光焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度分別為TIG 焊接接頭的40 %和30 %.

(2)TC4 鈦合金TIG 和激光焊接接頭晶粒尺寸隨距焊縫中心位置的增加逐漸減小.相比于TIG 焊接，激光焊接接頭焊縫區(qū)柱狀晶和熱影響區(qū)等軸晶的晶粒尺寸均顯著減小.且隨著焊接熱輸入增加，TC4 鈦合金TIG 焊接接頭的晶粒尺寸逐漸增大，而激光焊接接頭晶粒尺寸對(duì)熱輸入的敏感性較低.

(3)相比于TIG 焊接，TC4 鈦合金激光焊接具有快速加熱和冷卻的特征，焊縫區(qū)呈現(xiàn)魏氏組織特征，針狀α'馬氏體相互交錯(cuò)，且馬氏體更加細(xì)小，接頭的顯微硬度值相對(duì)較高.而TC4 鈦合金TIG 焊接接頭在近縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)存在軟化現(xiàn)象，顯微硬度值低于母材.