TC4鈦合金窄間隙激光填絞股焊絲焊接接頭組織及性能*

杜勇 李峰 夏希瑋 武鵬博 孫徠博 方乃文

摘要： 采用實心絞股焊絲，通過窄間隙激光填絲焊對TC4鈦合金進(jìn)行焊接，分析了激光填絲焊接頭各區(qū)域的微觀組織及形貌，并測試了焊接接頭的顯微硬度、室溫拉伸性能及沖擊性能等力學(xué)性能。結(jié)果表明，焊縫截面整體成形良好，無明顯未熔合和氣孔等缺陷；母材由等軸α+β相組成，熱影響區(qū)晶粒比母材稍大，熱影響區(qū)由針狀α′馬氏體+初生α相組成，焊縫由粗大的原始β柱狀晶和內(nèi)部網(wǎng)籃狀α′馬氏體組成；焊接接頭的抗拉強度平均值達(dá)940 MPa，拉伸斷裂在母材，斷口韌窩較淺，主要表現(xiàn)為韌性斷裂特征；焊縫的顯微硬度平均值為375 HV，高于母材及熱影響區(qū)。

關(guān)鍵詞： 鈦合金； 窄間隙； 激光填絲焊； 絞股焊絲； 組織及性能

中圖分類號： TG 456.7

Microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy welded joint by narrow gap laser welding with filler stranded wire

Du Yong1， Li Feng1， Xia Xiwei1， Wu Pengbo2， Sun Laibo2， Fang Naiwen2

（1.China Classification Society Guangzhou Branch， Guangzhou 510235， Guangdong， China;

2.Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， Heilongjiang， China）

*源文獻(xiàn)：

杜勇， 李峰， 夏?，|，等. TC4鈦合金窄間隙激光填絞股焊絲焊接接頭組織及性能［J］.? 焊接，2022（12）：1-5.

Abstract： Narrow gap laser welding of TC4 titanium alloy was carried out with stranded solid wire， microstructure and morphologies of welded joints were analyzed， and mechanical properties of welded joints， such as microhardness， tensile properties at room temperature and impact strength， were tested. The results showed that weld cross section was well formed without obvious defects such as incomplete fusion and porosity. Base metal was composed of equiaxed α+β phases. Grains of heat-affected zone were larger than those of base metal， heat-affected zone consisted of acicular α′ martensite + primary α phase， and weld was composed of coarse primitive β columnar grains and inner basket α′ martensite. Average tensile strength of welded joints was 940 MPa. Tensile fracture located in base metal， and dimple of fracture was shallow， whose main characteristic was ductile fracture. Average microhardness of weld was 375 HV， which was higher than that of BM and HAZ.

Key words：?? titanium alloy; narrow gap; laser wire welding; stranded wire; microstructure and properties

0 前言

鈦合金具有質(zhì)輕、無磁性、比強度高及耐海洋環(huán)境腐蝕能力優(yōu)良等特點，在海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別適用于輕型海工裝備的制造，是海洋領(lǐng)域的新型關(guān)鍵有色金屬材料［1-5］。隨著中國海洋工程發(fā)展策略逐漸向大尺寸、厚壁化方向轉(zhuǎn)變，對厚板鈦合金的焊接需求越來越迫切。因此，厚板鈦合金高效焊接技術(shù)受到了相關(guān)研究人員的持續(xù)關(guān)注［6-9］。

與傳統(tǒng)激光焊相比，窄間隙激光填絲焊由于具有焊接熱輸入小、熱影響區(qū)窄、應(yīng)力變形小等優(yōu)點而在厚壁材料焊接中極具發(fā)展?jié)摿?。另外，由于焊絲的添加，對于焊接坡口的容忍度大幅提升，同時通過焊絲的有益元素的補充可以彌補焊接過程中的元素?zé)龘p。國內(nèi)外學(xué)者相繼對厚壁窄間隙激光填絲焊開展了一系列研究，內(nèi)容涉及多種材料，包括低碳鋼、不銹鋼、高強鋼、鋁合金、鎳基合金和高溫合金等［10-15］，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)獲得的焊接接頭具有應(yīng)力變形小、焊縫質(zhì)量高等優(yōu)點，這些優(yōu)點對于解決鈦合金焊接過程中存在的導(dǎo)熱性較差、熔點較高和高溫停留時間較長等問題效果顯著。

為了豐富現(xiàn)階段厚板鈦合金窄間隙激光填絲焊接的理論和應(yīng)用研究，采用熔敷效率較高的絞股實心焊絲作為填充金屬，對20 mm厚TC4鈦合金板進(jìn)行了激光填絲焊接，開展了焊接接頭不同區(qū)域的組織分析和性能測試，探究了厚板鈦合金在焊接過程中焊接接頭的組織與性能的分布規(guī)律，為厚板鈦合金結(jié)構(gòu)在深海工程、武器裝備等領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗材料與方法

試驗采用 TC4鈦合金試板尺寸規(guī)格為500 mm×200 mm×20 mm，待焊試板加工成Y形坡口，坡口鈍邊為2 mm，坡口根部間隙為3.2 mm，單邊坡口角度為1.5°。填充金屬采用直徑為1.6 mm 的1×3結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金絞股焊絲，母材及焊絲化學(xué)成分見表1。焊前采用（5%HF+30%HNO3的水溶液，體積分?jǐn)?shù)）對待焊試板進(jìn)行酸洗，酸洗后的試板再通過水洗去除酸洗溶液后烘干備用，焊接工藝參數(shù)見表2，共計填充8道完成整個試板的焊接。

試驗采用YLS-30000-S4光纖激光器及D50W激光頭，由KUKA機器人控制運動軌跡完成焊接過程。焊接過程采用自制拖罩進(jìn)行送氣保護(hù)，保護(hù)氣體為99.99%的高純度Ar，氣體流量為35 L/min，施焊前提前5 s通入Ar，施焊滯后5 s停氣，以保證焊縫在高溫區(qū)域在冷卻過程仍然能得到保護(hù)。

焊接完成后采用線切割設(shè)備從焊接試板上截取試樣并進(jìn)行研磨拋光，用2%HF+4%HNO3（體積分?jǐn)?shù)）的水溶液進(jìn)行腐蝕，然后采用OM，SEM，XRD等檢測方法觀察和分析焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微組織和物相構(gòu)成；對焊接接頭進(jìn)行顯微硬度測試，載荷為4.9 N，保持時間為10 s；按照圖1所示加工室溫拉伸試樣。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 焊接接頭組織形貌

圖2為TC4鈦合金激光填絲焊接接頭宏觀組織形貌。從圖2可以清晰地觀察到，焊縫成形良好，未觀察到側(cè)壁未熔合、氣孔及裂紋等焊接缺陷存在，沿壁厚方向熱影響區(qū)寬度分布較為均勻。

圖3為TC4鈦合金母材的顯微組織。圖3a和圖3b分別是TC4鈦合金母材的低倍和高倍顯微組織，母材由均勻分布的α相和β相構(gòu)成，β相依附在基體α相周邊均勻分布。

圖4為熱影響區(qū)顯微組織。熱影響區(qū)組織中針狀α′馬氏體較多，密集混亂排列，且長寬比較大，熱影響區(qū)主要由針狀α′馬氏體+初生α相組成。焊接過程中熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)的作用，會在β相轉(zhuǎn)變溫度以上停留，在隨后的快速冷卻過程中，β相會切變?yōu)獒槧瞀痢漶R氏體。

圖5為焊縫顯微組織。焊接過程中，焊縫周圍母材及填充焊絲經(jīng)激光束快速熔化后，母材及焊絲中的等軸初生α相和β相全部熔化為液態(tài)金屬。由于激光焊接過程中峰值溫度高、冷卻速度快，因此焊縫在凝固的過程中在焊縫區(qū)形成了具有一定方向性的粗大柱狀原始β晶粒，在粗大柱狀原始β晶粒內(nèi)部存在網(wǎng)籃狀α′馬氏體。

2.2 XRD物相分析

圖6為焊縫XRD圖譜。由圖6可知，TC4鈦合金激光填絞股焊絲焊接接頭的焊縫都是密排六方晶體結(jié)構(gòu)，沒有其它晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，同時結(jié)合上文焊接接頭微觀組織分析可知，主要由α′馬氏體組成，沒有發(fā)現(xiàn)其它析出相。2.3 焊接接頭顯微硬度

圖7是20 mm厚鈦合金焊接接頭蓋面層、填充層、打底層的顯微硬度分布。由圖7可知，蓋面層、填充層、打底層的硬度分布均呈焊縫＞熱影響區(qū)＞母材的規(guī)律。上述結(jié)果可能是因為鈦合金各相的硬度排序為α′>α>β［15］，由于2組焊縫中均含有大量針狀α′馬氏體相互交錯排列，且α′馬氏體有較高的位錯密度和一定數(shù)量的孿晶，從而會產(chǎn)生一定數(shù)量的晶界，使焊縫區(qū)域硬度（375 HV）高于其它區(qū)域，而2組焊接接頭的熱影響區(qū)內(nèi)也有少量α′馬氏體，從而其硬度也同樣略高于母材的α+β相。對比焊縫中心的硬度，填充層和打底層的硬度相差較小，而蓋面層的硬度略微增加。上述結(jié)果可能是因為填充層和打底層焊縫組織在后續(xù)焊接時受到多次焊接熱循環(huán)作用，對前一道焊縫起到去應(yīng)力的作用，而蓋面層未受到熱循環(huán)作用，因此α′馬氏體強化作用更為明顯。

2.4 焊接接頭力學(xué)性能

母材及焊接接頭的抗拉強度見表3。焊接接頭的平均抗拉強度為940 MPa，略高于母材。上述結(jié)果主要是因為焊縫中α′馬氏體強化會提升焊接接頭的強度，但同時也會造成塑性一定程度的降低，使焊接接頭拉伸試樣的斷后伸長率略低于母材。圖8為焊接接頭拉伸試樣斷后的宏觀與微觀形貌，拉伸斷口中存在大量韌窩，但韌窩較淺；隨著拉伸應(yīng)力的持續(xù)增加，接頭開始發(fā)生塑性變形使位錯進(jìn)入微孔，微孔頸縮進(jìn)一步縮斷聚合從而形成微裂紋，隨著拉伸的進(jìn)行裂紋繼續(xù)擴展直至發(fā)生斷裂，形成了微觀上呈韌窩態(tài)的斷口形貌。

3 結(jié)論

（1）焊接接頭中焊縫整體成形良好，無明顯未熔合和氣孔等缺陷。

（2）焊接接頭中熱影響區(qū)比母材晶粒稍大，由針狀α′馬氏體+初生α相組成；焊縫由粗大的原始β柱狀晶和內(nèi)部網(wǎng)籃狀α′馬氏體組成。

（3）焊接接頭的平均抗拉強度為940 MPa，高于母材925 MPa，斷裂位置在母材，拉伸斷口主要特征為韌性斷裂，韌窩較淺；焊縫的顯微硬度高于母材和熱影響區(qū)，平均數(shù)值為375 HV。

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杜勇簡介： 學(xué)士，高級工程師；主要從事焊接工藝開發(fā)及檢測等工作；ydu@ccs.org.cn。

孫徠博簡介： 通信作者，博士，高級工程師；主要從事有色金屬焊接性的研究、電弧增材制造工藝設(shè)計及裝備開發(fā)；slb1984@126.com。