TC4钛合金热丝钨极氩弧焊接头组织性能研究

作者:孙建刚;高福洋;高奇;金向东; 刊名:材料开发与应用 上传者:陆群

【摘要】对TC4钛合金热丝钨极氩弧焊(hot-wire-TIG)焊接接头组织与性能进行研究,采用金相显微镜观察焊接接头各区域的微观组织特点,并对接头显微硬度和力学性能进行了测定。结果表明,钛合金热丝TIG焊接接头内部无焊接缺陷,焊缝性能优良;焊缝为典型的铸造组织,由粗大的柱状晶和少量等轴晶组成,晶粒内部可以看到细长的针状α′相;热影响区形成粗大的等轴晶粒,其组织主要有细针状α相和残余β相构成;焊接接头的抗拉强度均值为924 MPa,与母材相当;热丝TIG焊缝冲击功较母材提升明显,基本达到母材的1.5倍以上,最大达到66 J;焊缝冷弯角度达到指标要求。

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传统的TIG焊接方法焊接虽然成形好、工艺适应性好[1—4],但是焊接效率低,焊接总热输入量大,焊后变形较大。采用热丝钨极氩弧焊(热丝TIG)焊接可以提高焊接效率,有效的焊接热输入控制可以减少焊接变形,有利于保证焊后零部件的尺寸精度[5—7]。但是对于钛合金焊接,现有热丝TIG焊接工艺尚不成熟,焊接热丝工艺和焊接工艺的不匹配容易产生焊接缺陷[8—9]。 本研究针对TC4 钛合金,开展钛合金热丝钨极氩弧焊接头组织性能研究,焊后采用光学显微镜进行显微组织接头分析,并利用拉伸、冲击、弯曲试验检测接头的力学性能。 1 试验 试验采用20 mm厚的TC4板材,表1为母材化学成分,试验所用TC4合金板材实测室温力学性能如表2所示。母材组织如图1所示,合金的室温组织为初生α+转变β。 焊接前沿垂直于板轧制方向将试验板材切成200 mm×200 mm的试板。焊前对TC4 钛合金进行酸洗以去除表面氧化膜和油污,酸洗液为38%HNO3+11%HF+H2O,酸洗后用清水冲洗,并保证其干燥以备后续使用。 试验采用热丝TIG焊机进行焊接,焊丝采用TC3焊丝,焊接参数如表3所示。 焊后对接头进行金相显微组织和常规力学性能测试。根据GB/T 5168—2008《金属显微组织检验方法》沿垂直于焊缝的方向进行线切割取样,经Keller试剂腐蚀横截面后,在OLYMPUS GX71金相显微镜下对接头进行微观组织观察和分析。在电子万能实验机上根据GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》开展焊接接头拉伸试验,接头拉伸试样尺寸如图2所示。接头V型缺口冲击试验根据GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》进行,其中缺口位置位于焊缝中心,缺口面垂直于焊件表面。根据GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》,在弯曲试验机上进行焊接接头弯曲试验,弯曲指标按照CB/T 4363—2013《船用钛及钛合金焊接工艺评定》执行。 2 结果与分析 2.1 焊缝组织 2.1.1 接头宏观形貌 由图3可见,在严格的氩气保护条件下,焊缝呈光亮的银白色,焊接鱼鳞纹平滑、均匀、细腻。焊缝正面未见夹杂、裂纹和孔洞等缺陷,焊缝正面熔宽18 mm左右,背面熔宽18 mm左右。按照无损检测标准NB 47013进行渗透和X射线检测,未发现缺陷,达到I级合格。 图4为焊接接头宏观组织形貌,焊接接头冶金结合良好,没有明显的气孔、裂纹、夹杂等缺陷。焊缝为典型的铸造组织,由粗大的柱状晶和少量等轴晶组成。熔池凝固过程中,柱状晶在熔合线处与母材未熔化的晶粒联生结晶,在温度梯度的作用下,沿着焊接方向向焊缝中心生长。接头分为焊缝和热影响区。 由图5(a)可以发现焊缝晶粒尺寸粗大,呈现为粗大的柱状晶结构,在晶粒内部可以看到少量的长条状的α相和具有极大长颈比的针状α′相。对细长的α′相进行深入观测如图5(b)所示,可以看到其长径比极其大,而且相邻的α′相取向相同,形成明显的平行排列的束域,其两侧存在不同取向的交错α′束域,多种束域相互交织。 热影响区靠近焊缝区域的温度处于凝固温度到相变温度之间,在相变点以上β迅速长大,又由于该区高温停留时间短,β晶粒长大较小,而各个方向散热条件相当,形成粗大的等轴晶粒,如图6(a)所示。由于该区域冷却速度较慢,产生的过冷度较小,因此α相首先在晶界形成,之后在冷却过程中由于取向不同的α相的相互交错,从而形成主要由细针状α相和残余β相构成的网篮状组织,如图6(b)所示。热影响区靠近母材区域由于离热源较远,温度较低,相变进行的并不彻

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