焊接熱輸入對(duì)TC4鈦合金TIG焊接頭組織和性能的影響

韓 旭，董俊慧，高曉剛

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

焊接熱輸入對(duì)TC4鈦合金TIG焊接頭組織和性能的影響

韓 旭，董俊慧，高曉剛

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

觀察不同焊接熱輸入條件下TC4鈦合金TIG焊接頭的微觀組織特征，分析接頭力學(xué)性能、顯微硬度及斷口形貌。結(jié)果表明，焊縫主要為針狀α'馬氏體組成的網(wǎng)籃組織，未發(fā)現(xiàn)其他生成相。熱影響區(qū)主要為α+β+α'，且越靠近焊縫的熱影響區(qū)晶粒越粗大，晶內(nèi)馬氏體越多、越密集。針狀α'相尺寸隨焊接熱輸入的增大而增大，馬氏體取向亦更加混亂。接頭抗拉強(qiáng)度隨焊接熱輸入的增大而增大，在1 144 J/mm時(shí)達(dá)到912 MPa。不同焊接熱輸入下的接頭硬度值隨距焊縫中心距離的增大先降低后升高，并在距焊縫中心3～5 mm的粗晶區(qū)存在一軟化區(qū)。隨著焊接熱輸入的增大，接頭平均硬度值增大，且軟化區(qū)向母材方向偏移。TC4鈦合金TIG焊接頭的斷裂方式屬于脆性斷裂。

TC4鈦合金；TIG；顯微組織；顯微硬度

0 前言

TC4（Ti-6Al-4V）是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種中等強(qiáng)度的雙相鈦合金，它具有比強(qiáng)度高、高溫蠕變性能好和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車及化工等領(lǐng)域[1]。目前，TC4鈦合金產(chǎn)量占鈦合金總產(chǎn)量的一半以上，其中飛機(jī)機(jī)尾罩、發(fā)動(dòng)機(jī)防護(hù)裝置，及深潛器耐壓球殼體的觀察窗、密封艙口等均采用了鈦合金焊接結(jié)構(gòu)。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小且高溫下較活潑，在焊接過(guò)程中隨著焊接熱輸入的增大，會(huì)導(dǎo)致接頭組織粗大[2]，從而造成接頭脆化，降低焊接接頭質(zhì)量，限制其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

針對(duì)鈦合金接頭組織粗化問(wèn)題，研究者提出了活性TIG、脈沖TIG及電弧超聲TIG焊等焊接工藝[3-7]，細(xì)化晶粒，從而提高接頭質(zhì)量。本研究采用不同焊接熱輸入對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行TIG焊接，從組織的角度分析討論不同焊接熱輸入對(duì)接頭組織和性能的影響，以便為焊接工藝參數(shù)優(yōu)化提供試驗(yàn)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及工藝參數(shù)

選用200 mm×100 mm×3 mm的TC4鈦合金板材，化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分％

試板不開(kāi)坡口對(duì)接，TIG焊接選用直流正接，噴嘴直徑為15 mm，噴嘴高度2 mm，電極選用直徑2.5 mm的鈰鎢極。焊接速度2 mm/s，保護(hù)氣體為99.9％的純氬氣，氬氣流量25 L/min，填充材料取自母材，焊接參數(shù)如表2所示。

表2 TC4鈦合金TIG焊接參數(shù)

1.2 焊前處理及試樣制備

使用砂紙打磨試板的對(duì)接面及上下表面，去除表面氧化膜，再用丙酮擦拭材料表面，除去表面的水、油污及雜質(zhì)。

利用線切割機(jī)將接頭加工成20 mm×15 mm× 3 mm的試樣，對(duì)試樣進(jìn)行粗磨、精磨、粗拋及精拋處理后，選用腐蝕劑1％HF+1.5％HCl+2.5％HNO3+95％ H2O對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕處理，采用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察分析接頭組織。利用日本理學(xué)D/MAX-2500/PC型X射線衍射儀對(duì)接頭進(jìn)行物相分析，將腐蝕后的金相試樣進(jìn)行再拋光處理，并放置在測(cè)試架上，測(cè)量角度10°～90°。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 TC4鈦合金母材微觀組織

TC4鈦合金室溫狀態(tài)下的組織如圖1所示，由等軸狀的α相（白色）與β相（黑色）混合組成的雙相組織，二者相互交錯(cuò)分布。

圖1 母材微觀組織

2.2 接頭組織微觀形貌

TC4鈦合金TIG焊接頭微觀組織形貌見(jiàn)圖2。

圖2 接頭微觀組織形貌

由圖可知，焊縫與熱影響區(qū)晶粒較母材長(zhǎng)大明顯，且接頭被分為焊縫（WM）、熔合區(qū)（FZ）、熱影響區(qū)（HAZ）及母材（BM）四個(gè)區(qū)域，其中根據(jù)晶粒長(zhǎng)大程度又可將熱影響區(qū)分為粗晶區(qū)（CGR）和細(xì)晶區(qū)（FGR）。焊縫主要由針狀馬氏體組成的網(wǎng)籃組織構(gòu)成，由于電弧能量的不均勻性，焊縫β晶粒及晶內(nèi)馬氏體尺寸較其他區(qū)域更加粗大。熱影響區(qū)組織主要為α＇+β+α，與焊縫相比，熱影響區(qū)馬氏體更少且更細(xì)小。

2.3 不同焊接熱輸入條件下焊接接頭微觀組織演變過(guò)程

不同焊接熱輸入下的接頭微觀組織如圖3～圖5所示?？梢钥闯觯ЯＶ饾u變大，且焊縫和熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大明顯，熱影響區(qū)明顯被分為細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)，在焊縫處能夠清晰看到針狀馬氏體組成的網(wǎng)籃組織以及粗大的β柱狀晶邊界，并且隨著焊接熱輸入的增大，熱影響區(qū)粗晶區(qū)寬度和β晶粒尺寸均有增大趨勢(shì)，焊縫馬氏體也有長(zhǎng)大傾向，且馬氏體形態(tài)發(fā)生了變化[8-9]。由于焊接過(guò)程中電弧周圍能量分布不均勻，從而使接頭處不同區(qū)域的晶粒長(zhǎng)大程度不同，其中熱影響區(qū)與焊縫的晶粒長(zhǎng)大比較明顯，母材中的等軸晶粒消失。圖3為70 A時(shí)的接頭微觀組織，焊縫β晶粒尺寸較其他區(qū)域長(zhǎng)大明顯，焊縫主要由短而寬的馬氏體組成；熱影響區(qū)β晶粒尺寸隨著距焊縫中心距離的增大而減小，主要為α＇+β+ α，由于熱影響區(qū)受電弧影響較焊縫小，因此晶內(nèi)馬氏體尺寸小于焊縫馬氏體。圖4為100A時(shí)的接頭微觀組織，焊接熱輸入的增大使焊縫高溫β晶粒尺寸隨之增大，晶內(nèi)馬氏體尺寸增大且分布更加混亂；熱影響區(qū)寬度較70 A時(shí)有所增大，平均晶粒尺寸大于70 A時(shí)熱影響區(qū)平均晶粒尺寸。圖5為130A時(shí)的接頭微觀組織，隨著焊接熱輸入的繼續(xù)增大，焊縫β晶粒尺寸進(jìn)一步增大，晶內(nèi)主要由尺寸更大的長(zhǎng)板條狀馬氏體組成；熱影響區(qū)寬度繼續(xù)增大，晶內(nèi)馬氏體更多。在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫金屬達(dá)到了相變點(diǎn)（α+β）/β，此時(shí)α+β轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪啵陔S后的冷卻過(guò)程中，高溫β相通過(guò)非擴(kuò)散切變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒В@是由于呈體心立方結(jié)構(gòu)的β與呈密排六方結(jié)構(gòu)的α＇保持著伯格斯關(guān)系，α＇晶胞的（0001）α＇面平行于β晶胞的（011）β面，且α＇晶胞晶向平行于β晶胞的晶向，其中α＇晶胞尺寸為：a=0.293 nm，c=0.467 5 nm[10]。熱影響區(qū)主要為α＇+β+α，這是因?yàn)殡p相鈦合金從β相區(qū)和接近（α+β）/β相變點(diǎn)的高溫淬火均能生成α＇，在焊接過(guò)程中，熱影響區(qū)加熱到α+β雙相區(qū)，部分α轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅?，又由于熱影響區(qū)冷卻速度較焊縫區(qū)低，而且僅有部分α+β轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，因此熱影響區(qū)的α＇比焊縫中的α＇更少、更細(xì)小，且與遠(yuǎn)離焊縫的熱影響區(qū)相比較，靠近焊縫熱影響區(qū)溫度更高，發(fā)生馬氏體相變的β更多，高溫停留的時(shí)間較長(zhǎng)，靠近焊縫的熱影響區(qū)晶粒更加粗大，馬氏體更多、更密集。

圖3 電流為70 A時(shí)的接頭微觀組織

圖4 電流為100 A時(shí)的接頭微觀組織

圖5 電流為130 A時(shí)的接頭微觀組織

隨著焊接熱輸入的增大，熱影響區(qū)受熱源的影響越大，高溫停留的時(shí)間越長(zhǎng)，β長(zhǎng)大越充分。焊接熱輸入大小對(duì)焊縫中針狀馬氏體的尺寸和形態(tài)有影響。這是因?yàn)楫?dāng)焊接熱輸入小時(shí)，在冷卻過(guò)程中，較大的冷卻速度使β中的合金元素來(lái)不及擴(kuò)散，從而切變?yōu)橄嗷テ叫械囊淮桅粒?，隨后形成尺寸更細(xì)小的二次α＇，最終形成典型的網(wǎng)籃組織，這種組織方向性較好。當(dāng)焊接熱輸入增大時(shí)，冷卻速度降低，焊縫金屬在高溫停留的時(shí)間變長(zhǎng)，焊縫柱狀晶中的馬氏體得到了充分長(zhǎng)大；此外，隨著焊接熱輸入的增大，熔池中合金元素?zé)龘p更加嚴(yán)重，從而提高了馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ms，最終使馬氏體更加粗大。隨著焊接熱輸入的增大，電弧對(duì)熔池的攪拌作用容易造成焊縫馬氏體的斷裂、破碎，從而增加更多的形核核心，在一定程度上導(dǎo)致馬氏體的分布更加混亂[11-12]。

2.4 焊縫的X射線衍射物相分析

對(duì)三組試樣的焊縫進(jìn)行物相分析，所得結(jié)果相同。以試樣1為例，圖6為試樣1焊縫的X射線衍射圖譜。由圖6可知，焊縫區(qū)域基本為α＇，且未發(fā)現(xiàn)其他生成相。這是由于在冷卻過(guò)程中過(guò)快的冷卻速度使焊縫中高溫β相以無(wú)擴(kuò)散切變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕浇Y(jié)構(gòu)的α＇。理論上分析，焊縫金屬在快速冷卻條件下還會(huì)生成淬火ω及固溶度更高的α＇＇[13]，但在本試驗(yàn)條件下并未生成這兩種相。

圖6 試樣1焊縫的X射線衍射圖

2.5 不同焊接熱輸入下接頭拉伸力學(xué)性能

不同焊接熱輸入下試件的抗拉強(qiáng)度如表3所示，拉伸試件均斷裂于熱影響區(qū)，抗拉強(qiáng)度隨著焊接熱輸入增大而增大，焊接熱輸入為1144J/mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，但均未超過(guò)母材的930 MPa。這是由于經(jīng)歷過(guò)焊接熱循環(huán)后，焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)粗大的β柱狀晶組織，從而降低了接頭的塑性及韌性。

表3 接頭拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2.6 不同焊接熱輸入下接頭顯微硬度

在不同焊接熱輸入條件下接頭顯微硬度的分布情況如圖7所示。由圖7可知，三組試樣接頭硬度值隨著距焊縫中心距離的增大呈先降低后升高的趨勢(shì)，即從焊縫中心到熱影響區(qū)，硬度值下降，從熱影響區(qū)到母材，硬度值上升，其中焊縫區(qū)域的硬度略大于母材硬度，且在距離焊縫中心3～5mm的粗晶區(qū)存在一個(gè)軟化區(qū)。這是由于在冷卻過(guò)程中焊縫區(qū)形成α＇，且焊縫區(qū)α＇數(shù)量多于熱影響區(qū)，加之電弧周圍能量的不均勻使粗晶區(qū)β晶粒尺寸明顯大于細(xì)晶區(qū)，故接頭硬度值先降低后升高。接頭平均硬度隨著焊接熱輸入的增大而增大，且軟化區(qū)也隨焊接熱輸入的增大而向母材方向偏移。這是因?yàn)楹附訜彷斎胗绊懞附咏宇^晶粒在β相變點(diǎn)以上的高溫停留時(shí)間及冷卻過(guò)程中的冷卻速度。熱輸入小時(shí)，焊接接頭在高溫停留時(shí)間短，冷卻速度快，高溫β相在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)槎潭鴮挼陌鍡lα＇。隨著焊接熱輸入的增加，接頭在高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)，冷卻速度變慢，高溫β相在冷卻過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽绺蟮拈L(zhǎng)板條狀α＇，從而導(dǎo)致接頭平均硬度值隨焊接熱輸入的增大而增大。又因?yàn)殡S著熱輸入的增大，熱影響區(qū)寬度增大，即粗晶區(qū)寬度增大，從而使軟化區(qū)向母材方向移動(dòng)。

2.7 不同焊接熱輸入下接頭斷口形貌分析

不同焊接熱輸入下的斷口形貌照片如圖8所示，從圖中可明顯地觀察到撕裂棱及淺小的韌窩，且斷口在沿晶解理面和解理臺(tái)階，說(shuō)明TC4鈦合金TIG焊接頭的斷裂方式屬于脆性斷裂。

3 結(jié)論

（1）焊縫和熱影響區(qū)的晶粒較母材長(zhǎng)大明顯。焊縫主要為針狀馬氏體組成的網(wǎng)籃組織，熱影響區(qū)主要為α+β+α＇，且靠近焊縫的熱影響區(qū)晶粒更粗大，晶內(nèi)馬氏體更多、更密集。焊縫馬氏體尺寸隨焊接熱輸入的增大而增大，且馬氏體的取向較低焊接熱輸入時(shí)更加混亂。焊縫中基本為α＇，未發(fā)現(xiàn)其他生成相。

圖7 不同熱輸入條件下接頭顯微硬度分布

圖8 試件斷口形貌

（2）拉伸試件均斷裂于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，接頭的抗拉強(qiáng)度隨著焊接熱輸入的增大而增大，在1 144.41 J/mm時(shí)達(dá)到912 MPa。不同焊接熱輸入條件下的接頭硬度值隨著距焊縫中心距離的增大呈先降低后升高的趨勢(shì)，在距離焊縫中心3～5 mm的粗晶區(qū)存在一軟化區(qū)。接頭平均硬度值隨著熱輸入的增大而增大。軟化區(qū)隨著熱輸入的增大而向母材方向偏移。TC4鈦合金TIG焊接頭的斷裂方式屬于脆性斷裂。在保證焊透的情況下，選取較小的熱輸入，可以得到較好的組織狀態(tài)，有效防止接頭性能的降低。

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Effect of welding heat input on microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V joints welded by TIG

HAN Xu，DONG Junhui，GAO Xiaogang
（College of Materials Science and Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）

The microstructure of Ti-6Al-4V joints welded by TIG with different heat input was studied，the tensile properties and the microhardness of joints were investigated.The results revealed that microstructure of the weld consists of martensite like basket shape，there were not any other phases in it.Microstructure of HAZ consists of α+β+α＇，the grain of HAZ near weld were coarser，more martensite were in columnar crystal.Martensite increased with increasing of heat input，the orientation of martensite were more chaotic.The tensile strength of joints increased with increasing of heat input，and the tensile reached to 912 MPa when it is 1 141 J/mm. Microhardness of joints with different heat input increased after decreased with increasing of distance from the weld center line.A soft zone appeared in the CGR located about 3～5 mm from the weld center line.With increasing of heat input，the average microhardness of joints increased，and the soft zone moved in the direction of base metal.The tensile fracture behavior of joints by activating laser beam welding belonged to brittle fracture behavior.

Ti-6Al-4V alloy；TIG；microstructure；microhardness

TG444+.74

A

1001－2303（2016）12－0096-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.21

獻(xiàn)

韓旭，董俊慧，高曉剛.焊接熱輸入對(duì)TC4鈦合金TIG焊接頭組織和性能的影響[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：96-100.

2016-05-04；

2016-08-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51165027）

韓旭（1990—），男，山西人，在讀碩士，主要從事焊接工藝與質(zhì)量的研究工作。