TIG焊接TC4工藝參數(shù)對熔合區(qū)顯微組織特征影響研究

陳茂軍

(西安航空職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710089)

TC4鈦合金是20世紀40年代初期研制成功的一種中等強度α+β型鈦合金，具有優(yōu)良的綜合性能[1]。鈦作為一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料具有高的比強度、比剛度、良好的加工性、極強的抗腐蝕性能，成功的應用于航空航天、化工、艦船、海洋工程、兵器、能源、交通運輸?shù)阮I域[2]。TC4鈦合金可以采用不同的方法進行焊接，TIG焊接鈦合金是一種較好的焊接方法之一。

文中利用TIG焊接鈦合金，材料厚度為1.2mm，單面焊雙面成形，正反面用惰性氣體Ar氣進行保護，分別用幾組不同的焊接工藝參數(shù)進行焊接試驗，得到的焊接試樣進行橫向切割制成金相，觀察焊縫熔合區(qū)組織在不同焊接工藝參數(shù)條件下的形貌特征，從而對焊接工藝參數(shù)進行比較和合理的評價，并且對每組試樣熔合區(qū)組織不同位置成分進行分析。

1 試樣制備與焊接工藝

1.1 試驗材料及設備

試驗的母材選用TC4鈦合金板，厚度為1.2mm，供貨狀態(tài)為退火狀態(tài)，化學成分為：Al5.5～6.8%，V3.5～4.5%，F(xiàn)e0.3%，C0.08%，N0.05%，H0.015%，O0.20%，Ti余量，其他0.4%。試片的規(guī)格為150mm×150mm；試驗的焊絲選用TC1鈦合金，規(guī)格為Φ1.6mm，化學成分: Al1.0～2.5%, Mn1.0～2.5%, Fe0.3%, C0.08%, N0.05%, H0.012%, O0.15%, Ti余量,其他0.4%，焊接設備為WSE-315鎢極氬弧焊設備。

1.2 焊接工藝參數(shù)

焊前用4%HF+10%HNO3 的水溶液酸洗試片,并要求從酸洗到焊接的間隔時間不能過長, 焊前用丙酮清理待焊處,焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

1.3 試樣制備

為了更好地研究焊接工藝參數(shù)對焊接組織特征的影響，對焊縫進行橫向線切割加工，試樣大小為10mm×15mm，并鑲嵌制成金相試樣，采用200目、400目、600目、800目、1000目、1200目、1500目和2000目粒度的金相砂紙進行磨制，用拋光機拋光磨成金相，利用HF：HNO3：H2O為1:4:45的腐蝕液進行腐蝕10秒鐘，然后用無水酒精溶液進行沖洗，用吹風機進行吹干。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 組織分析

利用JSM-6390A掃描電鏡進行觀察分析熔合區(qū)的組織特征。A、B、C和D熔合區(qū)顯微組織特征如圖1所示。

據(jù)有關文獻表明，TC4母材的顯微組織是由等軸的晶粒和晶間分布的β兩相組織組成，白色為α相，黑色為β相，兩相呈層狀分布[3]。焊后其組織均發(fā)生了明顯的變化,形成了無規(guī)則分布的交叉片狀或針狀組織[4]。

圖1B的金相組織為α相和β相均勻相間的柱狀晶，對A、C和D的金相組織發(fā)生了明顯的變化，形成了無規(guī)則的交叉或針狀組織，并且在C和D的樹枝狀組織內(nèi)，晶內(nèi)交錯的是馬氏體αˊ和針狀α組織，這主要由于焊接工藝參數(shù)對焊縫熔合區(qū)的組織產(chǎn)生了重要的影響[5]。

圖1 熔合區(qū)的顯微組織特征

圖1A焊接電流為65A, 組織的樹枝狀變化不很明顯，C和D焊接電流分別為50A和55A,它們的金相組織與母材的組織相比較，發(fā)生了明顯的變化，這主要由于它們的焊接電流過小，對熔合區(qū)域的組織產(chǎn)生了的影響。

2.2 成分分析

不同的焊接工藝參數(shù)對焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的元素的百分含量有影響，鈦合金中的合金元素在高溫條件下出現(xiàn)燒損，現(xiàn)根據(jù)不同焊接工藝參數(shù)條件下熔合區(qū)合金元素的燒損情況進行對比。試樣A的熔合區(qū)的顯微組織及成分分析如圖2所示。

圖2 試樣A的熔合區(qū)1點和2點能譜分析結(jié)果

對A區(qū)域的1點和2點進行分析得知，在1點位置，Al和Ti合金元素的百分含量為： Al 7.17%， Ti90.83%， 其它2.00%；在2點位置， Al 7.16%， Ti90.82%， 其它2.02%。試樣B、C和D熔合區(qū)的顯微組織如圖3所示。

圖3 試樣B、C和D的熔合區(qū)的能譜區(qū)域分析

把試樣B、C和D的熔合區(qū)顯微組織放大3000倍，并且對它們不同區(qū)域分別取2不同的點，應用掃描電鏡(SEM)分析Ti和Al元素的百分含量，試樣結(jié)果數(shù)值經(jīng)過處理后羅列如下表2所示。

表2 元素成分分析

從以上數(shù)據(jù)得知，在焊接過程中，由于TC4材料的厚度為1.2mm，部分合金元素發(fā)生燒損，從試樣A的熔合區(qū)1點和2點能譜分析結(jié)果來看，在圖中只出現(xiàn)Ti和Al元素兩個大的峰值，其他的合金元素如C、V、Fe、N等元素燒損嚴重，焊接以后總的百分含量為2.01%，而母材中這些元素百分總含量為4%。

3 結(jié)論

不同的焊接工藝參數(shù)對焊縫熔合區(qū)的組織產(chǎn)生重要影響，焊接電流為60A，焊接速度為153mm/min的B試樣焊縫組織為等軸柱狀晶粒，跟母材相接近，而對于A、C和D試樣，由于焊接電流分別為50A和55A， 形成了無規(guī)則的交叉或針狀組織，并且在C和D的樹枝狀組織內(nèi)，晶體內(nèi)交錯的是馬氏體αˊ和針狀α組織，并且在焊接過程中，由于電弧的溫度較高，對合金元素C、V、Al、Ti等合金元素出現(xiàn)燒損，對材料的組織也產(chǎn)生一定的影響。

[1] 陳國財，單學鋒，陳蘇,等.在超低溫下使用的TC4 ELI鈦合金鍛棒的研制[J].鈦工業(yè)進展，2012，29(5).

[2] 鄭喜剛，趙勇，蔣成禹. 鈦合金窄間隙TIG焊技術(shù)研究[J]. 鈦工業(yè)進展，2006，23(5).

[3] 侯繼軍，董俊慧.TC4鈦合金TIG焊接性研究[J],內(nèi)蒙古科技大學學報，2010,29(2).

[4] 趙宇,吉日嘎蘭圖,陳莉. TC4 鈦合金的TIG焊接工藝及缺陷分析[J].焊接,2005,(12).

[5] 周志鋼，熊亮同，王慧賢，等.TAI5鈦合金工藝試驗研究[J].航空制造技術(shù)，2007,(6).