熱連軋高強鈦合金厚壁管道的TIG工藝及組織和性能

馮靖， 呂雪巖， 周曉鋒， 武少杰， 程方杰，2

(1.天津大學，天津 300072；2.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

0 前言

鈦及鈦合金作為20世紀中葉發(fā)展起來的一種重要金屬材料，在性能上具有低溫性能好、比強度高、抗沖擊性能與耐腐蝕性能強等優(yōu)點，滿足了許多海洋工程材料的特殊要求，因此鈦合金享有“海洋金屬”、“智能金屬”等美譽[1-2]。另外，在某些特定腐蝕環(huán)境下，鈦合金管也成為代替不銹鋼管、銅合金管及鎳基合金管的理想材料，在顯著提高管道壽命的同時，還可達到減重的目的[3]。在國外，鈦合金管道已經(jīng)被成功用于了高溫油井管、醫(yī)療設備介入導管、飛機艦船的燃料和冷卻管道系統(tǒng)[4]；國內(nèi)對于鈦合金管道焊接性的研究尚未形成成熟的體系，特別是在批量化生產(chǎn)高強度高耐蝕性的厚壁無縫管及其配套焊接工藝方面明顯落后工業(yè)發(fā)達國家，這極大限制了國內(nèi)鈦合金管道的推廣應用。

鈦合金由于熔點高、導熱性差、在焊接等熱加工過程中易吸收H，O，N等元素使得接頭產(chǎn)生脆化等，嚴重地降低了焊接接頭的綜合力 學性能[5-6]。理論上，常用的焊接工藝包括等離子弧焊、電子束焊、激光焊、MIG、電渣焊及TIG等都可以用于鈦合金的焊接[7-13]。但經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在諸多的鈦合金焊接方法中，真正在工程上應用最成熟和最廣泛的還是TIG，TIG工藝雖然效率較低，但是它具有操作靈活、適用范圍廣、成本低及接頭綜合性能高等優(yōu)點[14]。

該研究選用了自動送絲和手動填絲2種典型的TIG進行工藝開發(fā)。文中的焊接對象是采用熱連軋工藝制造的一種厚壁高強高耐蝕的鈦合金無縫管，熱連軋作為一種簡便高效的鈦合金管材生產(chǎn)技術(shù)，可實現(xiàn)厚壁鈦合金無縫管的連續(xù)化生產(chǎn)，但熱連軋工藝具有厚度公差大、生產(chǎn)管胚短的缺點，通常需要配合相應的焊接成形工序。文中采用TIG手工填絲和自動送絲2種焊接方式進行工藝試驗，對比分析了2種TIG焊接方法下焊縫的成形、組織及力學性能差異，對于該系厚壁高強高耐蝕的鈦合金無縫管的焊接生產(chǎn)具有一定的參考價值。

1 試驗材料、設備及方法

TIG自動送絲選用了福尼斯TransTig型焊機，TIG手工填絲選用了米勒350型多功能焊機。試驗材料選用了198 mm×89 mm×7.8 mm的Ti-Al-Nb-Zr-Mo系近α型無縫高強鈦管。自動送絲選用了直徑1.6 mm、鈦含量大于99.9%、標稱抗拉強度為295～470 MPa的HTA0-1M純鈦型焊絲，手工填絲工藝使用同材質(zhì)直徑3.0 mm的焊料棒。管與管之間采用V形坡口對接，坡口角度為60°±5°，鈍邊尺寸為1 mm，坡口間隙量為1.5 mm，焊道排布及坡口形貌尺寸如圖1所示。保護氣采用純度為99.99%的高純氬氣，保護氣流量為15 L/min，焊接過程中采用拖罩通氬氣對高溫焊縫進行保護，尾罩保護氣流量為20 L/min。TIG自動送絲與手工填絲的焊接電參數(shù)和運動參數(shù)見表1。

圖1 TIG過程焊道排布及坡口尺寸形貌圖

表1 2種TIG方式下焊接工藝參數(shù)

由于TIG自動送絲與手工填絲選用的試驗材料、尺寸一致，因此采用相同的取樣標準進行力學綜合性能評判。采用線切割的方法分別在鈦管上截取2個全厚度尺寸的拉伸標準試樣和9個沖擊標準試樣，沖擊試樣的缺口分別開在母材、熱影響區(qū)處和焊縫處，取樣標準參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》。

硬度測試選用了HVA-10A型小負荷的顯微維氏硬度儀，測量載荷為1 kg，負載時間10 s，測量位置為焊縫上沿距離表面4 mm位置處。從焊縫中心線到母材方向，每隔0.5 mm進行一次硬度測試；拉伸試驗在MTS的電子萬能拉伸機上進行，試驗前用水砂紙打磨線切割加工面，以保證試驗的準確性；沖擊試驗采用擺錘式?jīng)_擊試驗機在-10 ℃條件下保溫15 min后，分別對母材、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)域進行試驗，測試結(jié)果取平均值。

2 焊縫成形及組織分析

圖2為2種焊接方法下接頭的宏觀形貌，可以看出，TIG自動送絲的接頭宏觀成形要優(yōu)于TIG手工填絲，這取決于小尺寸管道自動焊下具有更高的精準度與穩(wěn)定性。TIG手工填絲接頭表面成形不均勻，形成了明顯的余高，約為1.5 mm。TIG自動送絲的接頭表面光滑平整，無明顯余高，焊縫表面有亮銀色魚鱗紋產(chǎn)生。2種TIG方法下的熔寬均在10 mm左右，且表面均無明顯氧化、未熔合和氣孔等缺陷產(chǎn)生；圖3為2種焊接方法下接頭的截面形貌，由圖可知，焊縫背部均存在一定的余高。此外，TIG手工填絲由于熱輸入更大、焊接過程中的熱作用更加隨機復雜，截面形貌表現(xiàn)更粗大的晶粒尺寸及更復雜的組織變化特征。

圖2 2種TIG焊接方法下的鈦管表面形貌

圖3 2種TIG焊接方式下鈦管截面形貌

由圖4可知，母材主要由白亮色初生等軸α相、魏氏組織及少量β相成。魏氏組織為原β晶粒上析出的平行片層狀α相。鈦合金中魏氏組織的形成機理是當加熱到β相區(qū)溫度下緩慢冷卻，α片層充分生長而形成，其組織特點表現(xiàn)為斷裂韌性高，延伸率差，母材中魏氏組織的出現(xiàn)是熱連軋過程中變形量不足與冷卻速度慢導致的。

圖4 母材微觀組織

2種焊接方法下焊縫及熱影響區(qū)組織形貌如圖5所示，圖5a和圖5e截取了2種焊接方法下接頭的典型區(qū)域。其中，TIG手工填絲的熱輸入要遠大于自動送絲，導致2種方法下的焊縫及熱影響區(qū)處組織特征有一定的區(qū)別。圖5b與圖5f為過渡區(qū)組織，在高于β相變點的焊接熱循環(huán)作用下，該區(qū)域中原始等軸初生α相和β相發(fā)生了明顯粗化，原始等軸α晶粒上析出了大量的不均勻β相，導致過渡區(qū)中原始等軸α組織的晶界特征變得模糊，并伴隨有少量細針狀α’馬氏體生成，2種焊接方法下過渡區(qū)組織無明顯差異；圖5c與圖5g為熱影響區(qū)組織，該區(qū)域所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)峰值溫度升高，晶粒尺寸變大。其中，TIG手工填絲下β晶界輪廓明顯，并沿β晶界首先析出連續(xù)的晶界α相，β晶界內(nèi)部生成了大量的細針狀α’馬氏體。TIG自動送絲下原始β晶界難以發(fā)現(xiàn)，生成粗大的α’馬氏體組織。相比而言，手工填絲下接頭的粗晶區(qū)形成的細針狀α’馬氏體比例更高，尺寸更加均勻細長；圖5d與圖5h為焊縫區(qū)組織，TIG手工填絲焊縫處的組織為沿β晶界形成的高長徑比大板條狀α，以及少量塊狀α和細針狀α’馬氏體組織，β晶界不再清晰；TIG自動送絲焊縫處組織主要為沿β晶界生長出大塊狀α組織和少量細針狀α’馬氏體組織。

圖5 2種TIG下的熱影響區(qū)組織與焊縫微觀組織

3 力學性能分析

3.1 顯微硬度

圖6為2種焊接方法下的硬度變化規(guī)律，數(shù)據(jù)得出，TIG自動送絲和手工填絲下接頭的硬度變化規(guī)律近似，總體硬度趨勢均為熱影響區(qū)>母材>焊縫。熱影響區(qū)處由于冷卻速度超過了臨界冷卻溫度而形成了大量硬、脆的α’馬氏體，導致硬度值相比于母材顯著提升。而焊縫由于填充材料為純鈦，合金元素含量低，凝固過程中僅形成的α’馬氏體比例大大減少，接頭處硬度發(fā)生了明顯的軟化。此外，TIG手工填絲在焊縫及熱影響區(qū)處整體硬度值要高于自動送絲，這與手工填絲熱輸入高，導致β晶粒尺寸更大，Ms點上升，生成馬氏體含量更多導致的。

圖6 顯微硬度分布圖

3.2 拉伸性能

由表2可知，TIG自動送絲下接頭的平均抗拉強度為603.8 MPa，手工填絲下接頭的平均抗拉強度為571.7 MPa，自動送絲下接頭的抗拉強度略高于手工填絲。由圖7可知，2種焊接方法下的拉伸試樣均斷裂在焊縫的位置處，焊縫處抗拉強度低于母材。

表2 TIG自動送絲與手工填絲拉伸性能

圖7 拉伸試樣斷裂位置

圖8為2種焊接方法下的斷口形貌，TIG自動送絲和手工填絲下拉伸接頭斷口形貌表現(xiàn)為大量網(wǎng)狀等軸韌窩，同時混合了一定比例的光滑解理面。相比之下，TIG自動送絲斷口處的韌窩更加致密，尺寸小而深，抗拉強度更高。2種焊接方法下的拉伸試樣斷裂形式均為韌性斷裂+少量的解理斷裂形式。

圖8 試樣斷口形貌

3.3 沖擊試驗結(jié)果

圖9給出了2種焊接方法下的沖擊試驗結(jié)果。TIG自動送絲的試樣沖擊韌性無明顯差異，TIG手工填絲下熱影響區(qū)的沖擊韌性要優(yōu)于母材。對于焊縫及熱影響區(qū)，TIG手工填絲的沖擊功高于TIG自動送絲。觀察沖擊試樣發(fā)現(xiàn)，TIG自動送絲下，缺口開在不同位置處的試樣全部斷裂，而TIG手工填絲下，缺口開在熱影響處的試樣仍保證了部分連接。

圖9 TIG自動送絲與手工填絲沖擊結(jié)果圖

4 討論

該次試驗選取了TA0級的純鈦焊材，該焊材的標稱抗拉強度僅為295～470 MPa。拉伸試驗結(jié)果得出，盡管焊縫抗拉強度仍低于母材，但是TIG手工填絲抗拉強度可達571.7 MPa，TIG自動送絲更是達到了603.8 MPa，抗拉強度遠高于焊材標稱抗拉強度。這是因為鈦合金TIG焊過程中，焊縫及熱影響區(qū)處冷卻速度超過生成馬氏體的臨界速度，析出了一定量的馬氏體組織，提高了焊縫的抗拉強度，這為鈦合金焊材選取提供了參考。焊接過程中要充分考慮焊縫冷卻速度、焊材合金元素對焊縫組織轉(zhuǎn)變過程的影響，可以通過低合金化的材料作為填充金屬，利用快速冷卻形成一定量的馬氏體相提升接頭強度和硬度，獲得綜合性能優(yōu)異的焊接接頭，不宜簡單遵循鋼材焊接時選擇成分近似填充金屬的原則。

文中試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)TIG手工填絲下熱影響區(qū)表現(xiàn)出了優(yōu)異的沖擊韌性(78.5 J)，甚至明顯高于母材(57.7 J)?？梢酝茰y，該熱輸入下的手工多層多道焊復雜的熱過程可能也是一種不錯的熱處理過程，使熱影響區(qū)處原交織分布的針狀馬氏體組織發(fā)生相變，沿晶界形成了白塊狀α組織，進而提升接頭韌性。出現(xiàn)該現(xiàn)象的具體原因尚不清楚，還需要后續(xù)進一步的研究分析。

5 結(jié)論

(1)采用自動送絲或手動填絲的TIG焊工藝都可以成功的實現(xiàn)厚壁鈦合金管的環(huán)縫焊接，焊道成形良好，顏色銀白而且無氣孔、未熔合和夾渣等缺陷。

(2)2種TIG焊接方法下熱影響區(qū)組織差異不大，都是由沿粗大的β晶粒邊界析出的連續(xù)晶界α相和晶內(nèi)大量交錯分布的細針狀α’組織構(gòu)成；焊縫區(qū)組織主要是沿β晶粒生成的板條狀α、大塊狀α及少量α’馬氏體組織構(gòu)成。

(3)TIG自動送絲焊接接頭的平均抗拉強度為603.8 MPa，TIG手工填絲下接頭的平均抗拉強度略低，為571.7 MPa。斷裂發(fā)生在焊縫金屬上。

(4)TIG自動送絲和手工填絲接頭處均表現(xiàn)了良好的沖擊韌性，前者熱影響區(qū)的沖擊吸收能量甚至超過了母材。