TC4鈦合金TIG焊接工藝及性能研究

陳今良，劉 敏，張利民

(攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

鈦合金是屬于從搖籃期逐步發(fā)展向成長期邁進(jìn)的世界公認(rèn)的合金[1]。因其具有重量輕、耐腐蝕性、生物相容性好等優(yōu)良性能，被稱作為空間金屬和海洋金屬，是具有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、化工、軍事、船舶等方面得到普遍的應(yīng)用。隨著研究技術(shù)的發(fā)展，鈦合金的用途越加廣泛，國內(nèi)外對鈦合金焊接件的需求越來越大，對應(yīng)用在航空航天和軍事領(lǐng)域的鈦合金焊接要求也越高。而目前在國內(nèi)針對小型件TC4鈦合金焊接技術(shù)的研究相對較少，且難以短時間內(nèi)達(dá)到較高的焊接質(zhì)量要求，重要零部件的裝配還依賴于進(jìn)口，極大程度限制了我國的工業(yè)發(fā)展。非熔化極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)因操作簡便，成本低廉，焊接質(zhì)量較高，具有較大適應(yīng)性，而目前TC4鈦合金采用TIG焊接實驗研究較少。綜上所述，本課題采用TC4鈦合金進(jìn)行TIG焊接，對焊后組織和性能進(jìn)行表征，對TC4鈦合金的焊接提供新的理論指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗?zāi)覆臑門C4鈦合金，規(guī)格為50×20×3 mm，其化學(xué)成分為表1所示。選用非熔化極鎢極氬弧焊對TC4鈦合金進(jìn)行對接熔化焊接，焊前先用不銹鋼絲刷擦拭待焊件的表面，再用細(xì)砂紙擦拭距離焊接邊緣10～20 mm范圍內(nèi)的母材，直至表面呈現(xiàn)金屬光澤，再用丙酮擦拭材料表面，除去表面的水、油污及雜質(zhì)[2]。焊接設(shè)備為晶閘管控制交直流氬弧焊機(jī)，試樣不開坡口，鎢極直徑3 mm，噴嘴直徑13 mm，電弧電壓15 V，焊接參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表1 TC4 鈦合金成分表(wt%)

表2 TC4鈦合金TIG焊接工藝參數(shù)

在焊接接頭上截取金相試樣，經(jīng)過砂紙打磨及拋光后，采用HF、HNO3、H2O配比進(jìn)行腐蝕，再通過數(shù)字顯微鏡進(jìn)行組織觀察。設(shè)計拉伸試樣尺寸如圖1，采用萬能材料試驗機(jī)對接頭進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速度為1 mm/min，使用掃描電鏡觀察斷口形貌。使用顯微維氏硬度計對接頭進(jìn)行硬度測試，設(shè)定硬度測試試驗力為500 gf，加載保持時間為15 s，分區(qū)域依次進(jìn)行多次打點(diǎn)。

圖1 拉伸試樣尺寸圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 接頭形貌

TC4板焊接表面狀態(tài)如圖2所示，根據(jù)《JB/T4745-2002》，可以從宏觀角度觀察試樣表面形貌是否符合要求[3。

80A 90A 100A

焊縫整體良好，大多呈現(xiàn)金黃色，未出現(xiàn)氣孔、裂紋、焊瘤等缺陷。試樣2、3焊縫質(zhì)量最佳，呈金黃色，焊縫表面光滑平整，魚鱗紋明顯。試樣5焊縫顏色幾乎呈藍(lán)色且靠焊縫邊緣的母材區(qū)出現(xiàn)被電弧燒熔的凹槽即咬邊現(xiàn)象，是由于焊接過程中熱輸入過大而引起的。在焊接中，過高的熱輸入會導(dǎo)致焊縫停留在高溫的時間長，使焊縫熔池液態(tài)金屬與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，最后焊縫呈藍(lán)色。

2.2 金相組織

(a)母材 (b)焊接接頭

圖a為TC4母材為雙相組織，為α相和β相的機(jī)械混合物，白色為α相，黑色為β相，β相夾在α相之間，依附在α相周邊均勻分布[4]。圖b為焊接接頭組織形貌，從左到右依次為母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)。

焊縫區(qū)域組織為粗大β相柱狀晶粒。原始α相與β相通過受熱循環(huán)轉(zhuǎn)變形成馬氏體α′相，針狀馬氏體α′形狀細(xì)長，大多平行分布，觀察圖c可看到明顯的網(wǎng)籃組織[2]。圖a、e出現(xiàn)裂紋，可能由于焊接溫度過高或過低，或者在焊接過程中有雜質(zhì)元素的滲入，如碳和氫，從而影響焊接質(zhì)量。

通過對比，圖a即試樣1的晶粒尺寸最小，圖e即試樣4的晶粒尺寸最大，即焊接熱輸入越大，晶粒尺寸就越大，同時晶粒內(nèi)部的馬氏體尺寸越大，分布越稀疏[5]。這是由于焊接熱輸入的不斷增大，冷卻速度逐漸降低，使β中的合金元素有時間開始擴(kuò)散，在高溫停留的時間增加，焊縫柱狀晶的高溫β晶粒尺寸和組織針狀α′相尺寸也隨之增大。

由圖5可知，熱影響區(qū)組織不均勻，組織為α+α′+β。通過對比，圖a針狀馬氏體α′最為細(xì)小，而圖e，針狀馬氏體α′最為粗大。此現(xiàn)象表明隨著焊接熱輸入的增大，熱影響區(qū)β晶粒均有增大的趨勢，馬氏體也有長大傾向，且馬氏體形態(tài)發(fā)生了變化[6,7]。存在明顯的粗晶區(qū)與細(xì)晶區(qū)如圖b，距離焊縫越近的區(qū)域晶粒越粗大，晶粒長大明顯，晶內(nèi)α′馬氏體更多且尺寸更大。

(a)80 A (b)90 A (c)100 A

2.3 拉伸性能

通過試樣拉伸前后對比，試樣長度發(fā)生變化，從接頭斷口可以明顯看出發(fā)生了拉伸變形，在不同熱輸入下，TC4焊接接頭拉伸性能如表3。

表3 不同電流參數(shù)下TC4鈦合金拉伸力學(xué)性能

拉伸試樣斷裂位置在焊縫，該區(qū)域的溫差較大或在焊接過程中產(chǎn)生的熱量過于集中，容易在該區(qū)域發(fā)生斷裂。隨著焊接熱輸入的增大，接頭力學(xué)性能均有提高的趨勢，而試樣5相較于試樣4整體性能較差，可能是焊接電流設(shè)置過大。焊接試樣抗拉強(qiáng)度集中在400～500 MPa，試樣4的抗拉強(qiáng)度最高，為494 MPa，而TC4母材抗拉強(qiáng)度為935 MPa，5組焊接試樣抗拉強(qiáng)度只達(dá)到母材的50 %左右，這是由于在進(jìn)行焊接之后，焊縫區(qū)晶粒長大，使得試樣的塑性降低，也可能是氬氣保護(hù)的焊接區(qū)不慎卷入了空氣，使得焊縫被O、N、H等雜質(zhì)污染。試樣4的屈服強(qiáng)度最高，說明該試樣抵抗變形能力最強(qiáng)。試樣1、試樣3的斷后伸長率較大，表明此參數(shù)下的材料塑性最好，而與母材相比，斷后伸長率最高只有6.0 %，說明焊接接頭的總體塑性較差。綜合來看，試樣4的力學(xué)性能最佳。

2.4 斷口形貌

選取了試樣1、試樣3、試樣4三組拉伸斷口試樣進(jìn)行了掃描電鏡斷口形貌分析，如圖6。

(a)80A試樣宏觀斷口形貌(70x) (c)100A試樣宏觀斷口形貌(70x) (e)110A試樣宏觀斷口形貌(70x)

在放大倍率為70倍下，試樣斷口呈暗灰色，斷面均不平齊；在放大倍率為1000倍下，圖b、d、f均存在大量小而淺的韌窩，韌窩周圍有撕裂棱，綜合表明拉伸試樣斷裂形式為韌性斷裂。以試樣1為例，圖a斷口有明顯的塑性破壞而產(chǎn)生的傾斜面，斷面較粗糙，呈纖維狀，斷口呈現(xiàn)灰暗色。纖維狀是塑性變形過程中微裂紋不斷擴(kuò)展和相互連接造成的。而灰暗色則是纖維斷口表面對光反射能力很弱所致。圖b有大量韌窩，而韌窩是塑性形變產(chǎn)生的，并且該試樣在進(jìn)行拉伸時出現(xiàn)了頸縮，進(jìn)一步判斷為韌性斷裂。

韌窩的出現(xiàn)是由于基體內(nèi)的第二相脫離基體形成許多微孔，隨著微孔不斷長大、聚合直至斷裂而形成的。整體韌窩尺寸較小，深度較淺，且均勻分布，說明焊縫的塑性較差，這些韌窩在斷裂過程中不足以吸收更多的能量，斷裂抗力就低[3]。隨著熱輸入的增加，出現(xiàn)大量韌窩，且韌窩加深明顯，在韌窩處存在明顯的帶狀撕裂棱，在外加載荷作用下，運(yùn)動的撕裂棱聚集在一起被拉長，塑性得到提高[8]。

2.5 接頭顯微硬度

硬度在一定程度上可以反映焊縫性能。此次顯微硬度分別測出試樣不同區(qū)域的硬度，每個區(qū)域取三個點(diǎn)，求其平均值，所得數(shù)據(jù)如圖4。

(a)80 A (b)90 A (c)100 A

表4 各試樣不同區(qū)域維氏硬度值

TC4母材區(qū)域硬度值波動不大，均在354 HV左右。焊縫區(qū)硬度值在365 HV上下浮動，熱影響區(qū)硬度值在345 HV上下浮動，焊縫區(qū)硬度值高于熱影響區(qū)20 HV，焊縫處硬度最大，且焊縫組織中有較多的馬氏體α′，說明焊縫區(qū)域的強(qiáng)度較高，變形阻力較大。

對110 A的試樣進(jìn)行單獨(dú)分析，分析距離焊縫中心線不同位置的硬度值，如圖7所示。

圖7 距焊縫不同距離硬度分布曲線

隨著到焊縫中心距離的不斷增大，硬度先降低，到了接近母材區(qū)后，硬度值有所回升。每個區(qū)域硬度都有所波動，但整體相差不大。在熱影響區(qū)存在粗晶區(qū)與細(xì)晶區(qū)，靠近焊縫的為粗晶區(qū)，粗晶區(qū)受熱影響較大，導(dǎo)致粗晶區(qū)的β晶粒尺寸大于細(xì)晶區(qū)，所以在熱影響區(qū)的維氏硬度值呈現(xiàn)減小的趨勢。

3 結(jié)論

(1)與母材相比，焊接試樣的抗拉強(qiáng)度明顯降低，集中在390 MPa，總體上在焊接電流為110 A時，TC4板的力學(xué)性能最佳。

(2)從斷口形貌來看，試樣的斷面均較平齊，均可看到明顯的撕裂棱，存在許多密集且呈等軸狀的韌窩，整體韌窩尺寸較小，斷裂過程屬于韌性斷裂。

(3)母材區(qū)組織為α+β，焊縫組織為α′，熱影響區(qū)為α′+α+β。焊縫區(qū)多為柱狀晶，馬氏體分散粗大，熱影響區(qū)馬氏體更細(xì)小。相同區(qū)域下電流越大晶粒的尺寸也越大。

(4)在合適范圍內(nèi)，焊接熱輸入越大，焊縫硬度越高。從焊縫中心到熱影響區(qū)硬度降低，熱影響區(qū)到母材硬度升高，且焊縫區(qū)硬度高于母材區(qū)硬度。