TC4鈦合金激光焊接接頭組織及力學(xué)性能研究

李 鎮(zhèn),趙 偉,張 輝

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,濟(jì)南 250353

鈦及其合金在航空航天、汽車、醫(yī)療器械、軍事工業(yè)等領(lǐng)域表現(xiàn)出極其突出的優(yōu)越性[1-3]。鈦合金大致可分為工業(yè)純鈦、α鈦合金、α-β鈦合金和β鈦合金。TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金屬于α-β鈦合金,可以通過改變高溫下β相冷卻時(shí)的條件,獲得較好的力學(xué)性能。低冷卻速率導(dǎo)致擴(kuò)散控制的α相薄片和殘余的具有高度重合的α/β界面的β薄片的形成；而較高的冷卻速率導(dǎo)致α′馬氏體片層和無擴(kuò)散的殘余β片層形成[3]。激光焊接(LBW)是一種高效的、先進(jìn)的新型連接技術(shù),用其對鈦合金進(jìn)行焊接,會(huì)獲得較窄的熱影響區(qū)和更優(yōu)的力學(xué)性能。

Casalino等[4]采用光纖激光器對2 mm厚Ti6Al4V板進(jìn)行對接全熔透焊接,在焊縫觀察到了完全馬氏體組織,在熱影響區(qū)觀察到了初生相α、塊狀α、以及馬氏體α′。Squillace 等[5]研究了焊接速度和激光功率對1.6 mm厚Ti-6Al-4V薄板焊接質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)在焊接過程中會(huì)有較大的溫度梯度,因此會(huì)形成不均勻的微觀組織,焊縫和熱影響區(qū)的晶粒尺寸取決于焊接熱輸入。Kashaev等[6]通過對TC4板材進(jìn)行了釹釔鋁石榴石單面激光束焊接,研究了焊接接頭的宏觀形貌和顯微組織,發(fā)現(xiàn)隨著焊接熱輸入的增大,焊縫寬度隨之增大,熱影響區(qū)寬度增大至極值后保持不變,熱影響區(qū)晶粒尺寸也隨著焊接熱輸入的增大而增大。

目前,對4 mm、8 mm的TC4鈦合金板材激光焊接接頭的研究較少。對厚板的焊接相對薄板來說需要的焊接熱輸入更大,組織和性能變化也會(huì)更加明顯。本文分別研究了4 mm、8 mm的TC4板材激光焊接后,焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能變化。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所需的母材為兩種規(guī)格不同的TC4鈦合金,分別是100 mm×50 mm×4 mm和100 mm×50 mm×8 mm。母材化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)開始前,先打磨試樣表面,再用HF(5%)+HNO3(30%)+H2O(65%)溶液對試樣表面進(jìn)行清洗、處理,除去表面氧化膜。表面處理后的試樣放入烘干爐進(jìn)行烘干,除去內(nèi)部結(jié)晶水和表面的水分。

經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化,激光頭傾斜5°,以防聚焦透鏡被激光束的背反射損壞。對4 mm和8 mm的TC4鈦合金激光功率分別確定為1.7 kW和4.5 kW,焊接速度統(tǒng)一定為0.9 m/min,接頭形式為對接。

1.3 顯微組織觀察及力學(xué)性能測試

對經(jīng)過焊接處理后的兩塊板進(jìn)行線切割,取出金相試樣,將其打磨拋光后,用CROLL腐蝕液HF(3%)+HNO3(6%)+H2O(91%)進(jìn)行腐蝕。采用三維顯微鏡(KEYENCE XHX-5000)觀察顯微組織形貌；用顯微硬度計(jì)(HXD-1000TMC)測試焊接接頭的硬度分布,采用200 g載荷,記載時(shí)間為15 s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 母材組織

如圖1所示,TC4母材顯微組織為等軸的α相+β相。β相均勻分布在α相晶界,部分α相沿著變形方向被拉長。

圖1 母材顯微組織

2.2 焊接接頭宏觀形貌

焊接接頭宏觀形貌如圖2所示。從圖2 a中可以觀察到,4 mmTC4鈦合金接頭成形較好,但焊縫中存在一些氣孔。形成氣孔的原因可能是在焊接過程中氣體進(jìn)入熔池,由于熔池凝固速度快,氣體沒能及時(shí)逸出；也可能是在焊接時(shí),熔池中產(chǎn)生了金屬蒸汽的氣團(tuán),由于焊接過程中的溫度梯度特別大,冷卻速度特別快,使得蒸汽團(tuán)沒有來得及逸出熔池表面,熔池凝固后形成氣孔。從圖2 b中觀察到8 mm厚板同樣也存在氣孔,并且存在未焊透的現(xiàn)象,焊縫成形不佳,但氣孔數(shù)量和尺寸較小,氣孔主要集中在焊縫表面和焊縫中心。

注:a)4 mm-1.7 kW；b)8 mm-4.5 kW。

2.3 焊接接頭微觀組織

2.3.1 4 mm-1.7 kW焊接接頭

在激光焊接過程中,從焊接熔池到母材金屬,中間由于溫度梯度和時(shí)間差異等因素,會(huì)產(chǎn)生不均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)。焊接接頭微觀組織的研究主要是研究焊縫中心、熔合區(qū)、熱影響區(qū)的微觀組織。

如圖3 a所示,焊縫中心可以看到明顯的柱狀晶。柱狀晶內(nèi)有著縱橫交錯(cuò)的針狀馬氏體結(jié)構(gòu)。晶粒內(nèi)部是片狀α、片狀α+β和α相集束交錯(cuò)排列呈典型的“網(wǎng)籃”狀分布,晶胞內(nèi)存在著大量細(xì)小的針狀馬氏體結(jié)構(gòu),這些針狀馬氏體的存在大大增加了焊縫中心的顯微硬度。

熔合區(qū)是焊縫向熱影響區(qū)過度的區(qū)域。焊接熔合區(qū)的光學(xué)顯微組織顯示出大量的針狀馬氏體特征。如圖3 b所示,熔合線清晰可見。在熔合區(qū)形成α′馬氏體是由于β相無擴(kuò)散地轉(zhuǎn)變成α′馬氏體相(α′針狀),當(dāng)熔合區(qū)從較高溫度冷卻下來時(shí),大量的β相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體α′、塊狀α和塊狀αm相,這取決于冷卻速率。

焊接熱影響區(qū)是未熔化的區(qū)域,但因受到熱的作用其顯微組織發(fā)生了變化。熱影響區(qū)的寬度及組織取決于熱輸入的大小。從熔合線附近到母材,熱影響區(qū)的不同位置經(jīng)歷不同的溫度,可根據(jù)受熱不同將其分為靠近熔合區(qū)區(qū)域的熱影響區(qū)(粗晶區(qū))及靠近母材的熱影響區(qū)(細(xì)晶區(qū))。如圖3 c及圖3 d所示,粗晶區(qū)是針狀α′(即馬氏體相)和少量塊狀α(即由先前的β晶粒轉(zhuǎn)變而來的α)相的混合物。在靠近熔合區(qū)的熱影響區(qū)沒有觀察到最初的α相和β相。因此,該區(qū)域被稱為熱影響區(qū)的完全轉(zhuǎn)化區(qū)域。遠(yuǎn)離熔合區(qū)的熱影響區(qū)由塊狀α相、初級(jí)α相和初級(jí)β相以及少量α′相組成。Ahmed等[7]報(bào)告了類似的微觀結(jié)構(gòu),母材附近的顯微組織特征與熔合區(qū)附近和熱影響區(qū)中部完全不同。

注:a)焊縫中心；b)熔合線；c)粗晶區(qū)；d)細(xì)晶區(qū)。

2.3.2 8 mm-4.5 kW焊接接頭

在TC4鈦合金的激光焊接過程中,由于激光束的高功率密度,焊縫金屬完全熔化,當(dāng)加熱時(shí),α相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?。在隨后的冷卻過程中,由于冷卻速度快,針狀馬氏體α′相由凝固的β相通過剪切變形形成。比較圖3 a和4 a中α′馬氏體相的形態(tài)隨著熱輸入的增加而從針狀變?yōu)榘鍫?。馬氏體形態(tài)的不同主要受馬氏體形核影響,激光功率越高,熔池金屬蒸發(fā)和等離子體噴射作用加強(qiáng),焊接熔池受其攪拌作用同時(shí)加強(qiáng),造成更多的形核核心,馬氏體一旦形核立即快速生長,從而生長成更加散亂交錯(cuò)的組織。

如圖4 b所示,熔合線也同樣很清晰。從圖中觀察到縱橫交錯(cuò)的針狀馬氏體結(jié)構(gòu),對比圖3 b和圖4 b可以看出,焊接功率的增加,針狀馬氏體晶粒尺寸更加粗大。α′片晶的長度和厚度都隨著熱輸入的增加而增加。

熱影響區(qū)晶粒尺寸同樣是隨著焊接功率的增加而增大。如圖4 c所示,粗晶區(qū)存在著更密集的針狀馬氏體結(jié)構(gòu),也是跟焊接功率的增大從而形成更多的形核核心有關(guān)。細(xì)晶區(qū)組織如圖4 d所示,有著更多得塊狀α和β相。這是由于細(xì)晶區(qū)的溫度屬于雙相區(qū),低于馬氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域,β相難以通過切變形成馬氏體,但隨著焊接功率的增加,在相對高溫條件下,有部分α相轉(zhuǎn)化為β相,導(dǎo)致β相增加。

注:a)焊縫中心；b)熔合線；c)粗晶區(qū)；d)細(xì)晶區(qū)。

2.4 焊接接頭顯微硬度分布

兩種焊接接頭的顯微硬度分布如圖5所示。可見從母材(BM)到焊縫(FZ)的顯微硬度呈增加趨勢,這是由于在焊縫區(qū)全部發(fā)生馬氏體相變,在熱影響區(qū)(HAZ)發(fā)生部分馬氏體相變,而且離焊縫越近,馬氏體越多,馬氏體相內(nèi)部有大量位錯(cuò),起了位錯(cuò)強(qiáng)化作用,α′馬氏體的數(shù)量從熔合區(qū)的幾乎100%減少到接近母材的接近零。因此,如圖5所示,在熔合區(qū)硬度達(dá)到最高值,隨著距離焊縫中心的距離增大,硬度也從熔合區(qū)的最大值降低到母材的最小值。Akman 等[8]在TC4鈦合金的激光束焊接試樣中也研究出類似的現(xiàn)象。

此外,對比圖5 a和5 b兩圖,可以發(fā)現(xiàn),焊接熱輸入大的,顯微硬度偏低。這是因?yàn)檩^大的焊接熱輸入會(huì)產(chǎn)生大的熔寬,會(huì)產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。

注:a)4 mm-1.7 kw顯微硬度；b)8 mm-4.5 kw顯微硬度。

3 結(jié) 論

本研究中,采用激光成功對4 mm和8 mm的TC4試板分別進(jìn)行對接,通過觀察焊接接頭顯微組織和顯微硬度,得到如下結(jié)論:

1)采用1.7 kW、0.9 m/min對4 mmTC4鈦合金對接焊接實(shí)驗(yàn)得到宏觀良好的焊接接頭,用4.5 kW、0.9 m/min對8 mmTC4鈦合金的對接焊接實(shí)驗(yàn)得到的接頭存在一定的未焊透現(xiàn)象。兩組實(shí)驗(yàn)得到的接頭均存在氣孔。

2)焊縫組織為晶界明顯的粗大原始β柱狀晶,晶內(nèi)為大量針狀馬氏體。近焊縫側(cè)的熱影響區(qū)組織為殘余α相+針狀馬氏體,近母材側(cè)的熱影響區(qū)組織為α+β,只發(fā)生α相向β相轉(zhuǎn)變。隨著焊接功率的增大,針狀馬氏體更加密集,熱影響區(qū)晶粒尺寸更加粗大,粗晶區(qū)存在更多的針狀馬氏體組織。

3)焊縫中的馬氏體強(qiáng)化作用,導(dǎo)致TC4鈦合金焊接接頭硬度從母材到焊縫呈現(xiàn)增加趨勢,至焊縫處達(dá)到最大。