TC4真空電子束焊后熱處理對接頭組織性能影響

■ 李常青　陳友富

TC4真空電子束焊后熱處理對接頭組織性能影響

■ 李常青陳友富

采用真空電子束焊接不等厚TC4鈦環(huán)，焊后對接頭進行整體退火、電子束局部退火、不退火方式獲得3個接頭。采用X射線測殘余應(yīng)力、通過拉伸、彎曲試驗以及光學(xué)顯微鏡對焊接接頭組織和性能進行研究。結(jié)果表明：焊后局部退火與整體退火能降低接頭殘余應(yīng)力且使接頭區(qū)域殘余應(yīng)力變化穩(wěn)定，其作用效果相當；真空電子束局部退火能細化焊縫針狀組織，改善熱影響區(qū)組織。三種狀態(tài)下接頭都具有較高的抗拉強度并表現(xiàn)出良好的彎曲性能。在無法進行整體退火熱處理的情況下，真空電子束局部退火可以替代整體退火。

TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金，屬于α+β雙相鈦合金，由于其具有較好的綜合力學(xué)性能，并可熱處理強化，在航空航天、化工、汽車制造和精密加工工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。真空電子束焊接非常適用于TC4鈦合金的焊接，因為其具有加熱功率密度大，焊接速度快，焊接冶金質(zhì)量好、焊縫窄、焊縫角變形小、焊縫及熱影響區(qū)晶粒細小，焊縫和熱影響區(qū)不會被空氣污染等優(yōu)點。

電子束局部熱處理是電子束以線或面的形式，對焊縫及其附近局部區(qū)域進行散焦掃描加熱處理。在真空電子束焊后立即進行電子束局部熱處理，能在不影響構(gòu)件整體性能的同時提高效率、節(jié)省能源。對于鈦合金，大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，電子束局部熱處理是一種較為理想的焊后熱處理方法。

圖1　鈦環(huán)對接結(jié)構(gòu)

圖2　鎖底對接接頭

本文通過對TC4鈦環(huán)進行真空電子束焊及焊后真空電子束局部退火的工藝研究，分析了真空電子束局部熱處理對TC4鈦環(huán)焊接接頭組織和性能的影響。旨在為鈦合金真空電子束焊后局部退火提供具有實際應(yīng)用價值的數(shù)據(jù)。

1.試驗材料和方法

試驗所用TC4鈦環(huán)結(jié)構(gòu)及接頭形式如圖1、圖2所示。3對鈦環(huán)，分別打上編號1#、2#、3#。母材化學(xué)成分見表1，組織見圖3，組織為等軸（α+β）組織。試驗用LARA52真空電子束焊機，通過自制工裝將試圈裝配到電子束焊機工作平臺，表2為焊接工藝參數(shù)。1#試圈焊后進行600℃～650℃、保溫2h的整體退火；2#試圈焊后進行電子束局部退火，工藝參數(shù)如表3。

表1　TC4鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表2　真空電子束焊接工藝參數(shù)

表3　真空電子束局部退火工藝參數(shù)

通過X射線法測試焊接接頭的殘余應(yīng)力。試驗設(shè)備為iXRD便攜式殘余應(yīng)力測試儀。參照國家標準GB2649-89對焊接接頭取樣，并按照GB 2651-89進行拉伸試驗、按照GB/T 2653-2008進行彎曲試驗。制備接頭金相試樣，試樣經(jīng)過砂紙研磨、拋光后，用HF:HNO3:H2O=1:4:45的溶液腐蝕。利用AX10型ZESSI正立式顯微鏡觀察分析焊接接頭顯微組織。利用THSY-1-800M-AXY自動顯微硬度測量儀測定接頭顯微維氏硬度的變化。

2.X射線殘余應(yīng)力結(jié)果分析

焊接殘余應(yīng)力在溫度及工作介質(zhì)等外部條件作用下，會影響到接頭的抗脆斷和疲勞強度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生二次變形。為檢測真空電子束焊后不同狀態(tài)下接頭殘余應(yīng)力大小及分布，按照GB 7704-87 X射線殘余應(yīng)力測定方法對接頭進行殘余應(yīng)力測試。圖4為測試點的布置示意圖。試樣鈦環(huán)接頭厚度為4mm、11mm的不等厚對接，厚度相對于直徑較小，厚度方向上的殘余應(yīng)力小，殘余應(yīng)力基本上是雙軸的，為平面應(yīng)力狀態(tài)，試驗僅研究平行于焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力σx和垂直于焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力σy的分布規(guī)律。

圖4　X射線法測試點布置示意圖

（a）縱向殘余應(yīng)力

（b）橫向殘余應(yīng)力圖5 鈦環(huán)接頭A列殘余應(yīng)力分布

圖6 鈦環(huán)接頭B列焊接殘余應(yīng)力分布

圖5給出了A列各點殘余應(yīng)力測試結(jié)果。由圖5可知，真空電子束焊后不同的熱處理方式使鈦環(huán)表面的縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力分布趨勢發(fā)生變化。從圖5a可知，三種狀態(tài)縱向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，3#接頭中最高殘余拉應(yīng)力為289MPa。相對于3#接頭，1#、2#接頭各點縱向殘余拉應(yīng)力有所下降，其中焊縫中心處殘余拉應(yīng)力分別降低21.2% 和22.5%；距焊縫中心5mm的熱影響區(qū)處分別降低41%、53%；距焊縫中心15mm的母材處分別降低83%、 80%。從圖5b可知，三種狀態(tài)橫向殘余應(yīng)力均在距焊縫中心5～15mm之間出現(xiàn)較高拉應(yīng)力峰值。從殘余拉應(yīng)力峰值的降低效果，以及殘余應(yīng)力的變化平穩(wěn)性來看，1#焊后整體退火略優(yōu)于2#焊后局部退火，兩者都比3#焊態(tài)有明顯改善。因此在工藝要求不滿足整體退火的條件下，可采用電子束局部退火來降低接頭焊接殘余應(yīng)力并改善其分布。圖6給出2#焊后電子束局部退火鈦環(huán)接頭B列各點的測試結(jié)果。由圖可知，電子束局部退火后，熱影響區(qū)殘余應(yīng)力分布平穩(wěn)，B列各點橫向殘余應(yīng)力、縱向殘余應(yīng)力的平均值分別為167MPa、118.6MPa。

（a）熱影響區(qū)組織

3.焊接接頭顯微組織

圖7、8、9分別給出了1#、2#、3#接頭金相熱影響區(qū)和焊縫的顯微組織。

熱影響區(qū)在焊接過程中受高溫影響，溫度超過β相轉(zhuǎn)變溫度（980℃）時，原始α轉(zhuǎn)變?yōu)棣?，在真空室冷卻時β相中晶內(nèi)針狀α沿晶界定向生長，轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢?，α′為馬氏體相變產(chǎn)物，呈針狀（有的交替成束）、片狀或條狀。3種狀態(tài)下，熱影響區(qū)組織主要為α′和初始α。隨著距熔合線距離的增加組織組成體積百分含量存在變化。在熔合線附近處存在大量的針狀α′和少量α，細小的針狀α′在初始α周圍密集排列。隨著距熔合線距離的增加，組織組成中初始α的體積百分含量增加，針狀α′的體積百分含量減小。由圖7a、圖8a、圖9a對比可知，焊后整體退火熱影響區(qū)少部分β相轉(zhuǎn)變成α′，且晶粒細小，電子束局部退火熱影響區(qū)組織為細小針狀α′和原始α，均勻緩慢過度，焊后不退火為α′和初始α相組織，且組織分布明顯，距熔合線近的地方α′明顯多于α相組織。

（b）焊縫組織圖7 1#鈦環(huán)接頭顯微組織

（a）熱影響區(qū)組織

（b）焊縫組織圖8 2#鈦環(huán)接頭顯微組織

焊接過程中，在電子束高溫熱作用下，接頭處形成熔池，原始等軸（α+β）相組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪嘟M織，熔池在真空環(huán)境中快速冷卻后形成焊縫，焊縫組織由β相組織轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱Kα′相組織和少量α、β。由圖7b可知，焊縫組織為針狀α′和在β相晶界處析出的少量島狀α相。由圖8b可知，焊后電子束局部退火后焊縫組織為α′和少量島狀α相、與圖7b對比可知，焊后電子束局部退火后焊縫針狀α′組織更加細密。圖9b可知，焊態(tài)焊縫組織為針狀α′，相對于焊后整體退火和電子束局部退火焊縫針狀α′，其針狀組織更大、排列相對稀疏。

4.焊接接頭力學(xué)性能

分別對3種不同焊后熱處理的鈦環(huán)焊接接頭進行顯微維氏硬度測試。測試點位置為上表面下2mm處，即薄邊中心。從母材到熱影響區(qū)、焊縫連續(xù)打點測試，每點間隔0.2mm，載荷300g。硬度測試結(jié)果如圖所示。

（a）熱影響區(qū)組織

（b）焊縫組織圖9 3#鈦環(huán)接頭顯微組織

由圖10可知，3種狀態(tài)下焊縫硬度高于熱影響區(qū)（HAZ）硬度，母材硬度最低。1#焊縫顯微硬度平均值高于2#、3#焊縫分別15HV、25HV；1#熱影響區(qū)顯微硬度平均值高于2#、3#熱影響區(qū)硬度分別6HV、32HV；從3種狀態(tài)下熱影響區(qū)顯微硬度變化平穩(wěn)性來看，1#、2#略優(yōu)于3#。由結(jié)果分析可知：接頭各區(qū)域最終組織決定硬度分布。3種狀態(tài)下真空電子束焊接工藝一樣，焊縫組織經(jīng)過熔池高溫后在真空環(huán)境中快速冷卻，由原始等軸（α+β）組織轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧罨蚱瑺瞀痢浣M織，其中主要的α′為馬氏體相變產(chǎn)物，硬度較高。熱影響區(qū)受熱溫度高部分組織轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢?，硬度高于組織為等軸（α+β）母材。焊后熱處理的溫度低于β轉(zhuǎn)變溫度，其不改變接頭組織類型，主要起組織穩(wěn)定、殘余應(yīng)力消除的作用。因此，1#、2#熱影響區(qū)顯微硬度變化較3#平穩(wěn)。從接頭金相顯微組織可知，焊后整體退火和電子束局部退火后焊縫針狀組織更加細密，所以其硬度比焊后不退火高。

同時熱處理能有效降低焊接殘余應(yīng)力，一般殘余拉應(yīng)力越大，顯微硬度值越低，因此，從圖10中顯微硬度的分布也可以得出焊后整體退火和電子束局部退火能改善接頭殘余應(yīng)力分布，且效果相當。

表4給出了鈦環(huán)真空電子束焊后三種狀態(tài)下接頭的拉伸、彎曲試驗結(jié)果。由表可知，三種狀態(tài)下接頭斷裂位置均為母材，可知焊縫強度均高于母材。1#、2#、3#接頭抗拉強度分別為母材退火態(tài)抗拉強度的94.7%、91.5%、92.5%，均表現(xiàn)出較好的接頭強度。由表中彎曲試驗結(jié)果可知，三種狀態(tài)彎曲角度相差不大，焊后局部退火后彎曲試樣的正彎、背彎彎曲角最穩(wěn)定均為45°。

表4　給出了三種狀態(tài)下焊接接頭的拉伸、彎曲試驗結(jié)果

5.結(jié)論

1）與真空電子束焊后接頭進行整體退火和焊后不處理相比，電子束局部退火接頭金相組織形態(tài)基本相同，熱影響區(qū)為β轉(zhuǎn)變α′和初始α，焊縫組織為α′相組織和少量α、β。電子束局部熱處理可以細化焊縫針狀組織，使熱影響區(qū)組織均勻變化。

2） 相對焊后不退火，焊后整體退火和電子束局部退火均能有效降低接頭殘余應(yīng)力，改善接頭應(yīng)力分布。在工藝要求不滿足整體退火的條件下，可采用焊后電子束局部退火工藝來代替。

3）3種狀態(tài)下接頭都具有較高的強度，也表現(xiàn)出較好的彎曲性能。焊后整體退火、電子束局部退火后接頭顯微維氏硬度大小、分布變化相當，比焊態(tài)下顯微硬度高，硬度變化也更平穩(wěn)。use of titanium in the aerospace industry[J].Mater Sci Eng A 2009,213(1-2):103-14.

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（作者單位：空軍駐西南地區(qū)軍事代表室）