TA2鈦合金熔絲鎢極氬弧焊接頭的組織性能

鄭成博，劉愛國，張璐瑤，張 賀

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159)

目前鈦合金焊接方法中鎢極氬弧(Tungsten Inert Gas，TIG)焊電弧能量密度較低、焊縫深寬比小、熔敷速度低、鎢極承載電流能力差，常用于焊接3mm及3mm以下鈦合金板材。等離子弧焊、電子束焊、激光焊等高能束焊與激光-MIG等復合焊設備成本高、操作復雜，難以廣泛應用于生產制造當中[1-5]。MIG焊熱輸入大、焊縫及熱影響區(qū)組織粗大、易產生飛濺、電弧燃燒不穩(wěn)定，無法實現(xiàn)5mm厚板單面焊雙面成形[6-7]。攪拌摩擦焊具有晶粒細小，自動化程度高等優(yōu)點，但對焊接攪拌頭的要求較高[8]。隨著鈦合金在各個領域應用范圍的不斷擴大，開發(fā)出低成本、高質量、高效率、高穩(wěn)定性鈦合金焊接技術有著重要的意義。

熔絲鎢極氬弧焊(Molten Wire Tungsten Inert Gas,MWTIG)是在傳統(tǒng)TIG/MIG 焊的基礎上提出的一種新的焊接方法。熔絲TIG焊系統(tǒng)中TIG 焊槍與MIG焊槍同時存在，焊絲與工件并聯(lián)接在焊接電源的正極，鎢極接在負極。焊接過程主要由TIG槍完成，鎢極與工件之間產生焊接電弧，熔化工件，焊接過程穩(wěn)定，鎢極與焊絲產生熔絲電弧，使焊絲以熔滴形式進入熔池，不需吸收電弧熱，因此可以提高焊接效率。張興品等[9]進行了熔絲TIG焊、MIG、TIG焊三種方法合適工藝對比。結果表明:熔絲 TIG 焊的焊接效率遠高于TIG焊，穩(wěn)定性遠高于MIG焊；熔絲TIG 焊是一種低成本、穩(wěn)定高效高質量的焊接新方法。本文采用熔絲TIG焊技術應用于鈦合金焊接，針對5mm TA2鈦合金，進行焊接接頭組織性能研究。

1 試驗材料及試驗方法

試驗母材規(guī)格為 100mm×100mm×5mm的 TA2鈦合金試板，坡口形式為70°V形。焊絲牌號為 TA1，直徑為 1.2 mm。母材與焊絲成分見表 1。焊接保護氣采用體積分數(shù)為 99.99%的氬氣，正面拖罩和背面保護裝置氣流量同為20L/min。經多次試驗，焊縫成形最好的工藝參數(shù)見表2。焊接示意圖如圖1所示。

圖1 焊接示意圖

表1 試驗材料化學成分 wt.%

表2 TA2鈦合金焊接參數(shù)

焊后對焊接接頭進行金相顯微組織觀察和常規(guī)力學性能測試。使用線切割機床垂直于焊縫的方向上切取試樣，使用HF∶HNO3∶H2O=4∶1∶17的腐蝕劑對截面進行腐蝕，在金相顯微鏡下對接頭進行微觀組織觀察，使用維氏硬度儀器載荷10kg保持7s測定接頭維氏硬度。在萬能實驗機上根據 GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行拉伸試驗，接頭拉伸試樣尺寸如圖2所示。接頭V型缺口沖擊試驗根據GB/T 2650-2008 《焊接接頭沖擊試驗方法》進行，試驗尺寸為55mm×10mm×2.5mm，其中缺口位置分別位于焊縫中心、熱影響區(qū)和母材，缺口面垂直于焊件表面。

圖2 接頭拉伸尺寸

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫形貌

TA2鈦合金熔絲TIG焊縫正背面宏觀形貌如圖3所示。

圖3 接頭宏觀形貌

由圖3可知，焊縫正面焊道筆直均勻，焊縫成形良好，無飛濺、咬邊等缺陷，焊縫正面呈有金屬色澤的銀白色，焊縫背面為略帶淡黃的銀白色，熔合情況良好，無明顯缺陷。試驗表明在合適的熔絲TIG焊接工藝參數(shù)下，接頭氣體保護效果良好，無氧化現(xiàn)象，熔絲TIG焊可實現(xiàn)5mmTA2鈦合金板單面焊雙面成形。

2.2 焊接接頭顯微組織及硬度

接頭不同區(qū)域的微觀組織形貌如圖4所示。

由圖4可以看出，未經處理的TA2母材為細小均勻的等軸α組織。焊縫中心區(qū)域因熱輸入較高，其溫度超過了相變溫度(882℃)而發(fā)生α→β相變；高溫β相在冷卻過程中發(fā)生β-Ti→α-Ti/α′-Ti相變，組織轉變成不規(guī)則鋸齒狀α與少量針狀馬氏體，晶粒比較粗大，為典型的鑄態(tài)組織?？拷覆牡臒嵊绊憛^(qū)，因受到焊接熱循環(huán)的影響，晶粒較母材更為粗大,具有較多的α相?？拷酆暇€的熱影響區(qū)，微觀組織同為不規(guī)則鋸齒狀α，由于受到焊接熱循環(huán)的影響沒有焊縫區(qū)嚴重，其晶粒較焊縫區(qū)相比略為細小。焊接接頭熔合情況良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷。

焊接頭不同位置的硬度值如圖5所示。

由圖5可知，母材硬度值約為125HV，熱影響區(qū)硬度值稍低于母材約為120HV，焊縫中心位置硬度最高為147.2HV。硬度變化曲線于焊縫中心呈對稱分布，焊縫中心的硬度與針狀馬氏體的含量有關。在焊接過程中，焊縫區(qū)受到最高的熱輸入而發(fā)生α→β相變，在快速冷卻的條件下，β相晶粒內部形成針狀馬氏體。熱影響區(qū)受到的熱輸入低于焊縫區(qū)，原有的α相沒有完全轉變?yōu)楦邷卅孪?，在冷卻過程中殘留下來形成α′相，由于熱輸入造成晶粒長大使其硬度稍低于母材。

圖4 接頭不同區(qū)域微觀組織

圖5 接頭不同位置硬度

2.3 焊接接頭拉伸性能

母材及焊接接頭的拉伸性能如圖6所示。

圖6 拉伸試驗結果

由圖6可知，焊接接頭平均的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率分別為363.62MPa、393.21MPa、32.82%、76.98%。焊接接頭的平均屈服強度與抗拉強度分別達到了母材的89.83%和90.1%，斷后伸長率和斷面收縮率分別為母材的61.60%和99.76%。拉伸試樣的主要變形區(qū)域在熱影響區(qū)靠近母材的位置。焊接接頭斷裂在焊接方向右側的熱影響區(qū)，這是由于在焊接過程中，焊絲與鎢極之間的熔絲電弧作用于該側板材，使其具有更高的熱輸入，造成晶粒粗大，導致抗拉強度降低。宏觀上看，焊接接頭斷口附近有明顯的塑性變形區(qū)，斷口呈現(xiàn)杯錐狀。對拉伸斷口中心位置進行微觀形貌分析，掃描結果如圖7所示。

圖7 拉伸斷口中心SEM形貌

由圖7可知，斷口中均存在大量不同尺寸的韌窩，斷裂形式為韌性斷裂。

2.4 沖擊性能

焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材的沖擊吸收功如圖8所示。

圖8 沖擊試驗結果

由圖8可知，母材的沖擊吸收功最高，熱影響區(qū)次之，焊縫區(qū)最低，其均值分別為41.25、35.83、27.08。由于高溫停留時間較長，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)晶粒均發(fā)生明顯粗化，致使其沖吸收擊功下降。

2.5 彎曲性能

根據GB/T 2653-2008 《焊接接頭彎曲試驗方法》，對焊接接頭進行正彎和背彎取樣并進行冷彎測試。試驗結果表明，面彎試件和背彎試件彎曲角度可達到180°，且彎曲后的拉伸面沒有出現(xiàn)裂紋缺陷，說明焊縫及熱影響區(qū)具有較好的塑性和韌性。

3 結論

(1)坡口形式為70°V形、TA2鈦合金熔絲鎢極氬弧焊焊縫成形良好，熔滴過渡穩(wěn)定，焊縫成形美觀，實現(xiàn)單面焊雙面成形。

(2)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)顯微組織主要為粗大鋸齒狀α，焊縫中心硬度最高為147.2HV，熱影響區(qū)和母材硬度變化不明顯。

(3)力學性能檢測結果表明：接頭的平均抗拉強度為母材的90.1%，斷后伸長率的和斷面收縮率分別為母材的61.60%和99.76%。拉伸試樣斷裂在熱影響區(qū)，斷裂方式為韌性斷裂。沖擊韌性降低，焊接接頭抗彎能力良好。