TC4-DT材料高壓電子束焊接框工藝研究*

（中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110850）

電子束焊接是利用高壓加速裝置形成的高功率電子束流，通過磁匯聚得到很小的焦點（其功率密度可達103～104W/cm2），形成“匙孔效應(yīng)”[1-4]，當(dāng)轟擊置于真空中的焊件時，電子的動能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而使金屬熔化，實現(xiàn)焊接過程。該技術(shù)自20世紀就受到國際的廣泛關(guān)注[5-6]，并大量應(yīng)用于工業(yè)制造當(dāng)中[7]，是一種優(yōu)質(zhì)高效的加工方法。真空電子束焊雖已在國際上獲得廣泛應(yīng)用但國內(nèi)還處于初級階段[8]。近年來隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，以及新機型的研發(fā)，許多大型結(jié)構(gòu)件迫切需要一種可靠的、變形量小的、經(jīng)濟的連接技術(shù)進行加工，而電子束焊作為一種先進的焊接技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＬ貏e是飛機后機身大型鈦合金承力框類零件，由于整體外廓尺寸大、端面厚度大、承力載荷要求高，若采用整體鍛件的方式不但給機加帶來加工難度大、周期長、切削率低等問題，而且目前國內(nèi)的鍛造設(shè)備也很難滿足飛機設(shè)計的鍛件尺寸需求，加之造價昂貴、維護及其他費用大大提高了零件原料成本。所以，綜合來看，電子束焊接框工藝是一種相對廉價、可靠的先進連接技術(shù)，可以應(yīng)用到航空制造領(lǐng)域中來。

1 工藝參數(shù)摸索及結(jié)果分析

1.1 TC4-DT鍛件選取

選取42mm和64mm試件分別作為1號、2號，經(jīng)機械加工后制得42mm×75mm×150mm和64mm×75mm×150mm各兩對作為焊接鑒定試件。

1號和2號試件母材性能如表1所示。

1.2 焊接工藝參數(shù)的確定

焊接工藝參數(shù)試驗分別選取64mm和42mm厚試驗料，分別用于確定64mm和42mm厚接頭工藝參數(shù)，確保焊縫釘尖嵌入工藝墊板，保證焊縫接頭質(zhì)量。

（1）焊槍距試驗件表面距離：選取400mm為工作距離。

（2）聚焦電流：根據(jù)確定的表面焦點，調(diào)整并確定合適的焦點位置，此時的焦點電流為試件的聚焦電流。最終確定64mm和42mm的聚焦電流為2184mA；

表1 TC4-DT鍛件力學(xué)性能

（3）電子束流：根據(jù)多次試驗，經(jīng)過系統(tǒng)分析、修正參數(shù)，最終確定64mm和42mm試件的焊接電流分別為165mA和110mA；

（4）焊接速度：選用確定的聚焦電流和電子束流，調(diào)整焊接速度，確定64mm和42mm試件的焊接速度為5mm/s。

64mm和42mm厚TC4-DT試件的高壓電子束焊接參數(shù)見表2。

表2 TC4-DT鈦合金高壓電子束焊接工藝參數(shù)

1.3 組織形貌

按照確定的工藝參數(shù)對試件進行焊接，焊接過程中熔池成形穩(wěn)定，無明顯飛濺，焊接工藝性優(yōu)良，焊后零件如圖1所示。焊后機械加工去掉引入板、引出板及焊接墊板。對試件進行編號，64mm鑒定試件編號為64-1、64-2，42mm鑒定試件編號為42-1、42-2。經(jīng)外觀檢查，試件焊縫全部焊透，焊縫成形良好，外觀檢查符合要求。焊后對零件進行X光檢查均符合一級接頭要求，同時對加工后的試件進行X光檢驗，均滿足要求。

圖1 64mm和42mm焊后零件Fig.1 64mm and 42mm parts after welding

對試件進行低倍腐蝕可見，焊縫呈平行型，在試塊區(qū)間焊縫平行，形態(tài)良好。平行型焊縫其特征在于焊縫兩側(cè)熔合線幾乎平行分布，焊縫在頂部和底部寬度接近。這種類型焊縫幾何尺寸規(guī)則，因此性能分布也較均勻，是焊接過程中較理想的焊縫形狀，如圖2所示。

圖2 焊后試塊低倍形貌Fig.2 Low times morphology of specimens after welding

2 試樣微觀形貌及分析

圖3為焊接接頭金相顯微組織，TC4-DT電子束焊縫基體為α片層組織，在750℃保溫1.5h去應(yīng)力退火時，α片層和α晶界有所長大（見圖3（a），α＇相馬氏體與α相晶體的結(jié)構(gòu)極其相近，同方向的成團地聚在一起，與不同方向的馬氏體交叉；在結(jié)晶溫度以上，原始β晶粒再結(jié)晶析出針狀α′組織。由于溫度達到β相變溫度以上，α相開始完全β化或不完全β化，β得到了進一步細化，α相與β相的晶界進一步模糊。熱影響區(qū)為原始α組織，原始β組織和細小的α′馬氏體組織組成，由于熱影響區(qū)的溫度較焊接接頭溫度低，α相不能完全轉(zhuǎn)變，少量已轉(zhuǎn)變的α相由于經(jīng)歷的高溫時間較短，形成少量細小的針狀α′馬氏體（見圖3（b））；TC4-DT焊縫在電子束流高溫作用下，快速冷卻形成大量的長針狀α′馬氏體，針狀馬氏體交錯排列，由圖中我們可以看出α-β相鈦合金標志性的網(wǎng)籃組織結(jié)構(gòu)，焊縫組織不見明顯晶界（見圖3（c））。

圖3 750℃，1.5h條件下42mm焊接接頭顯微組織Fig.3 42mm weld microstructure with 750℃,1.5 hours

3 力學(xué)性能檢測

去應(yīng)力退火后送理化測試中心進行性能檢測，64mm鑒定試塊分上、中、下選取3件拉伸試件，3件沖擊試件。42mm鑒定試塊分上、下選取兩件拉伸試件，兩件沖擊試件。

拉伸試驗依據(jù)文件GB/T 228，試驗采用直徑為φ5的M12螺紋試棒，沖擊試驗依據(jù)文件GB/T 2650，試樣采用標準U型缺口試樣，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm。64mm試塊選取兩個斷裂韌度試件，斷裂韌度試驗依據(jù)試驗方法GB/T 4161，試樣采用標準CT試樣，試樣厚度B取50mm，試驗環(huán)境溫度為室溫，取樣尺寸50mm×125mm×120mm,開口位于試樣焊縫中心。

試驗在納克N1150沖擊試驗機和日本島津AG-X拉伸試驗機進行，斷裂韌性試驗在中科院金屬所INSTRON 8850疲勞試驗機上進行。

試驗發(fā)現(xiàn)，64mm和42mm電子束焊接接頭的拉伸試件斷裂均斷裂在母材處，斷口呈鋸齒狀（42mm有一件拉伸試驗斷后呈近45°斜面斷裂）。試件的檢測結(jié)果均大于標準要求的數(shù)值，且斷在母材處，由表1可以看出TC4-DT材料母材的抗拉強度，屈服強度分別在892～920 MPa、833～869 MPa之間，而焊縫的抗拉強度，屈服強度如表3所示，分別在 848～902 MPa、830～862 MPa之間，說明焊接接頭的抗拉強度，屈服強度基本相當(dāng)?shù)陀谀覆?，即電子束焊縫強度與母材相當(dāng)，塑性卻低于母材。電子束焊縫屬于焊縫強度高組配[9]于母材，但我們可以從表1、3中看到母材的延展性多集中在10%～12%，而焊縫則在7%～9%。電子束焊縫拉伸試樣斷裂位置出現(xiàn)在遠離焊縫的母材位置上，如圖4所示。這一結(jié)果與數(shù)據(jù)所表現(xiàn)相一致。由圖2我們已經(jīng)可以看出電子束焊縫由于其高速焊接，快速冷卻焊縫位置形成了柱狀晶，長大析出細小針狀馬氏體成網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)，強化了焊縫強度。由于電子束焊縫的熱影響區(qū)形成得既快又窄，同時又出現(xiàn)了鈦馬體這種脆硬相結(jié)構(gòu)[10]，這大大加大了熱影響區(qū)的強度，但降低其塑性。這就是焊縫表現(xiàn)高強度低塑性的力學(xué)性能，從組織上看母材的片層結(jié)構(gòu)成為輕度最弱的位置，這也與電子束焊縫拉伸試樣斷裂位置出現(xiàn)在遠離焊縫的母材位置上相吻合，所以總體上電子束焊縫抗拉性能上表現(xiàn)為強于母材。

表3 TC4-DT鈦合金電子束焊接拉伸性能

圖4 拉伸試樣斷裂形貌Fig.4 Fracture morphology of tensile specimens

64mm和42mm電子束焊接接頭的沖擊性能檢測發(fā)現(xiàn)，64mm和42mm試件的測試結(jié)果均大于標準中要求的數(shù)值。具體數(shù)值如表4所示。

表4 TC4-DT鈦合金電子束焊接沖擊性能

沖擊韌性試件如圖5所示，從圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)，沖擊斷口有明顯的晶狀區(qū)和纖維區(qū)。從圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)，是典型的韌性斷裂。

圖5 沖擊試樣斷裂形貌Fig.5 Fracture morphology of impact specimen

圖6 焊接接頭沖擊斷口形貌Fig.6 Impact fracture morphology of welded joints

4 結(jié)論

圖7 斷裂韌度試件Fig.7 Fracture toughness specimen

圖7沖擊斷裂出現(xiàn)的位置，該區(qū)域在焊縫區(qū)與熱影響區(qū)之間，熱影響區(qū)的長大的等軸晶與焊縫區(qū)的柱狀晶聯(lián)生，保證焊縫與母材的緊密連接。我們對64mm焊接試件進行斷裂韌度試驗，斷裂韌度值分別為試件1：KIC=80.53MPa·m1/2，試件 2：KIC=81.61MPa·m1/2，滿足標準中要求KIC≥80MPa·m1/2的要求值，焊接接頭的最大力Pmax在130kN左右。盡管沒有做斷口SEM圖，但斷口形貌照片可以觀察發(fā)現(xiàn)，試件1斷口起伏較大，而試件2的斷口較為平整。因此，TC4-DT材料在斷裂韌度上有一定波動，呈現(xiàn)不同的斷口形貌，但焊接接頭的KIC試驗數(shù)值均滿足標準中規(guī)定的要求。

通過本次試驗對TC4-DT鈦合金材料的高壓電子束焊縫的工藝、性能、微觀組織進行研究，為鈦合金大厚度電子束焊接技術(shù)在航空領(lǐng)域的進一步應(yīng)用積累了經(jīng)驗，并得出以下結(jié)論：

（1）TC4-DT焊縫在電子束流高溫作用下，快速冷卻形成大量的長針狀α′馬氏體，針狀馬氏體交錯排列，焊縫接頭呈α-β相鈦合金標志性的網(wǎng)籃組織結(jié)構(gòu)，焊縫組織不見明顯晶界，保證焊縫組織連續(xù)，且晶粒交錯細化，快速成型晶粒長大，但相對其他傳統(tǒng)焊接方式較小。

（2）TC4-DT焊縫電子束所形成的焊縫較為平整，成型較窄，拉伸、沖擊強度都較高，抗拉強度、屈服強度數(shù)據(jù)與母材相當(dāng)，但抗拉性能表現(xiàn)高于母材，沖擊韌性有所下降，且對設(shè)備和試樣的選取要求較高。

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