TA15鈦合金超高頻氬弧焊工藝試驗(yàn)研究

萬曉慧，趙海濤，金俊龍

（1. 中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024；2.航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

鈦合金是一種重要的金屬結(jié)構(gòu)材料，與其他金屬材料相比，它具有比強(qiáng)度高、中溫強(qiáng)度高和耐蝕性好等特點(diǎn)，是飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料。因此，在國防新型號及在役型號的研制和生產(chǎn)中，為減輕重量和制造成本，大量采用鈦合金焊接結(jié)構(gòu)[1]。

超高頻脈沖氬弧焊接方法是近年來出現(xiàn)的一種新的焊接方法。該方法在新的IGBT逆變技術(shù)基礎(chǔ)上，通過新的電源調(diào)制方式使焊接電源脈沖電流頻率達(dá)到超高頻狀態(tài)（脈沖頻率大于20kHz，最大可達(dá)80kHz）[2]。與同等功率常規(guī)TIG工藝相比，超高頻直流脈沖TIG焊的電弧壓力、所獲得的焊縫熔深、焊接速度均可提高2～3倍。超高頻直流脈沖TIG焊過程中產(chǎn)生的一些特殊效應(yīng)可用于改善鈦合金熔池的凝固結(jié)晶過程，將成為改善鈦合金焊接質(zhì)量的有效途徑之一[3]。

TA15鈦合金屬于高Al當(dāng)量近α型鈦合金，既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有接近于α+β型鈦合金的工藝塑性，是用于制造500℃以下長時間工作飛機(jī)、發(fā)動機(jī)零件和焊接承力零部件的主要材料[4]。

本文主要采用超高頻直流脈沖TIG焊工藝方法對TA15鈦合金進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究，并與常規(guī)TIG焊方法的金相組織和力學(xué)性能進(jìn)行比較。

1 試驗(yàn)及方法

試驗(yàn)采用厚度為2mm的TA15鈦合金板材，其化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)設(shè)備采用焊接機(jī)器人自動焊接設(shè)備，焊接工裝使用帶銅墊板的縱縫焊接夾具。

所有試件待焊端面均經(jīng)機(jī)械加工，之后用金屬清洗劑去除表面油污，隨后將試件放入HF和HNO3混合酸液中，浸蝕3min后取出，用冷水沖洗，在烘箱中烘干，焊前用無水乙醇或丙酮擦拭試件焊接區(qū)表面。清理后的試件在運(yùn)輸和存放過程中有防油污措施，接觸焊件必須戴干凈手套，120h內(nèi)完成焊接。

試驗(yàn)采用常規(guī)氬弧焊和超高頻氬弧焊兩種方法進(jìn)行焊接。由于鈦合金的活潑性很強(qiáng)，為防止鈦合金高溫時氧化，采用噴嘴、正面拖罩、背面3路氬氣對熔池、焊縫及近縫高溫區(qū)進(jìn)行全方面保護(hù)。采用相同的焊接速度進(jìn)行焊接，在保證焊透的情況下，最小能量的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)

參考航空I級焊縫標(biāo)準(zhǔn)對焊縫外觀進(jìn)行檢查，并進(jìn)行100% X射線探傷。焊后將試件放入真空爐進(jìn)行焊后熱處理。沿垂直焊縫方向和焊縫上表面切取制成金相試樣，采用DM6000M金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，用DMH-2顯微硬度計(jì)測試接頭各部位的顯微硬度。將焊接試件按航標(biāo)加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，在ZWICK100KN電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，在Hitachi S-3400N掃描電鏡上觀察斷口形貌，在200kN高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上開展構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接質(zhì)量檢查

圖1為焊接試驗(yàn)件的外觀。通過目視檢驗(yàn)，整條焊縫均勻一致，焊接接頭上無外部裂紋、燒穿、未熔合、焊瘤、表面氣孔和夾渣，試件外觀良好。

經(jīng)X射線照相檢驗(yàn)，焊縫內(nèi)部質(zhì)量符合HB 5376-1987 標(biāo)準(zhǔn)I級要求。

2.2 顯微組織

對兩種焊接方法焊縫處取樣，對焊縫截面和正面制作金相試樣，分別進(jìn)行低倍照相，如圖2和圖3所示。

從圖2中可以看出，超高頻脈沖焊接接頭兩側(cè)熔合區(qū)呈酒杯狀，與常規(guī)氬弧焊明顯不同，其焊縫寬度也大大小于常規(guī)氬弧焊，反映了超高頻脈沖電弧收縮效應(yīng)增強(qiáng)，挺度增大[6]。

圖1 試件外觀Fig.1 Macro photo of welded sample

圖2 接頭截面宏觀金相Fig.2 Cross-section morphology of weld joint

從焊縫正面看（圖3），超高頻脈沖焊焊縫中心區(qū)的晶粒更為細(xì)小。按照GB/T 6394《金屬平均晶粒度測定方法》中截點(diǎn)法對焊縫側(cè)面和正面晶粒尺寸進(jìn)行測定，結(jié)果分別為0.28mm和0.41mm，超高頻晶粒尺寸較常規(guī)焊減小了32%。

圖3 接頭正面宏觀金相Fig.3 Above-section morphology of weld joint

對兩種接頭作進(jìn)一步的分析，接頭區(qū)高倍金相組織如圖4所示。從圖4可以看出，焊縫和過渡區(qū)的組織均是電弧加熱至β轉(zhuǎn)變溫度以上，然后快速冷卻形成片層狀α相。對比兩種工藝的焊縫，可見超高頻焊縫的α相更明顯，其片層要厚得多，且分布更規(guī)律、更有序。對比圖4（a）和（b），可以看出焊縫上部厚的α相比焊縫下部更多些，厚度達(dá)到了幾微米，甚至個別片層厚度達(dá)到了十幾微米。鈦合金焊縫組織的層片粗細(xì)取決于冷卻速率，冷卻速率越低則層片越厚[7-8]。因此，可以看出超高頻焊接時焊縫的冷卻速度要低于常規(guī)焊，且焊縫上部低于下部。

圖4 接頭截面微觀組織Fig.4 Cross-section microstructure of weld joint

2.3 力學(xué)性能

將X射線檢驗(yàn)合格的焊接試片按標(biāo)準(zhǔn)加工成拉伸試樣，并進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果的均值如表3和圖5所示，拉伸后試樣如圖6所示。

從結(jié)果中可以看出，兩種焊接方法的抗拉強(qiáng)度相差不到1%，基本相當(dāng)，均達(dá)到母材的95%以上；而超高頻脈沖焊接的延伸率比常規(guī)直流焊高23%，達(dá)到母材的74%。超高頻脈沖焊接對提高焊縫的塑性有明顯效果[9]。

試件拉伸后斷口形貌如圖7所示，并具有以下特征。首先，超高頻氬弧焊TA15焊接接頭和常規(guī)氬弧焊TA15焊接接頭的斷口均由裂紋起源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)組成，斷口宏觀下呈現(xiàn)韌性斷裂特征。當(dāng)采用超高頻氬弧焊時，裂紋起源區(qū)面積較大，且其內(nèi)含有大量韌窩，因此焊接接頭的塑性水平較高。與之相比，當(dāng)采用常規(guī)氬弧焊時，斷口上含有二次裂紋的斷面較大，因此焊接接頭的塑性水平較低[10]。

表3 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果（均值）

圖5 拉伸性能柱狀圖Fig.5 Histogram of tensile property

圖6 室溫拉伸后試樣圖Fig.6 Tensile specimen at room temperature

圖7 試件拉伸斷口形貌Fig.7 Tensile fracture morphology of specimen

2.4 構(gòu)件疲勞性能

分別采用超高頻焊和常規(guī)焊方法在T型構(gòu)件上開展構(gòu)件的疲勞性能試驗(yàn)，按照國際焊接學(xué)會（IIW）金屬材料循環(huán)加載疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的統(tǒng)計(jì)方法處理試驗(yàn)中的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該統(tǒng)計(jì)方法的前提是首先假設(shè)疲勞試驗(yàn)結(jié)果符合對數(shù)正態(tài)分布，然后用具有斜率m且分別對應(yīng)K倍正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差的兩條標(biāo)稱S-N曲線形成一數(shù)據(jù)分散帶（K為特征值），指定的存活概率為95%，置信度為75%。試件的疲勞S-N曲線如圖8所示。循環(huán)次數(shù)達(dá)到107次而未斷裂的試件數(shù)據(jù)將不列入計(jì)算。

圖8 構(gòu)件S-N曲線Fig.8 S-N curves of welded structure

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，對于常規(guī)焊試件，測試S-N曲線的斜率指數(shù)m值較大，曲線顯得比較平緩，構(gòu)件的疲勞測試數(shù)據(jù)的離散性較大。以測試得出的S-N曲線方程進(jìn)行計(jì)算，得出常規(guī)焊和超高頻焊試件循環(huán)次數(shù)達(dá)到2×106次所對應(yīng)的應(yīng)力水平分別為138MPa和160MPa。與常規(guī)TIG焊接相比，TA15合金典型結(jié)構(gòu)疲勞性能提高15.9%。

3 結(jié)論

（1）超高頻焊時，焊縫寬度明顯比常規(guī)氬弧焊窄，晶粒更細(xì)，晶粒尺寸較常規(guī)焊減小了30%以上。（2）超高頻焊縫的α相片層厚度要厚于常規(guī)焊，且分布更規(guī)律、更有序。（3）超高頻脈沖焊接接頭抗拉強(qiáng)度與常規(guī)氬弧焊基本相當(dāng)，但其焊縫的延伸率明顯提高，超高頻脈沖焊接可提高焊縫的塑性。（4）采用超高頻焊接的T型結(jié)構(gòu)件的疲勞性能高于常規(guī)焊。

參 考 文 獻(xiàn)

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