鈦合金T-型結構單面焊背面雙側成形焊接接頭組織與性能

王 敏， 楊 磊， 于 瑛， 吳 林

(1.中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016;2.沈陽飛機工業集團有限公司，沈陽 110034;3.沈陽航空大學，沈陽 110136;4.哈爾濱工業大學現代焊接生產技術國家重點實驗室，哈爾濱 150001)

鈦合金以其良好的性能，已被廣泛用于航空、航天等重要領域。在許多情況下，經常會遇到鈦合金T-型結構的連接問題。目前，鉚接為該類結構的主要連接方式。以焊代鉚可以使結構成為一個整體，從而減輕結構重量、降低制造成本等［1］。由于特殊的使用要求，鈦合金T-型焊接結構的性能成為關注的熱點。

目前，已有許多研究人員開展了鈦合金焊接工藝及接頭組織性能方面的研究工作［2～7］，以及鈦合金T-型結構電子束焊及電子束-釬焊復合焊接結構件綜合力學性能的研究［8］。本研究針對T-型結構TIG焊、激光-TIG復合熱源焊接頭的組織性能開展了對比研究。

1 焊接試驗

焊接試驗平臺由三坐標工作臺、鎢極氬弧焊電源、送絲系統、控制系統及焊接保護裝置等部分組成。熔焊電源為松下YC-300WX4型鎢極氬弧焊機，激光發生器為TK-2000SM軸流式CO2激光器。

試驗材料為TA15，材料厚度1.2mm。填充焊絲材料為TA15－0，直徑1.2mm。TA15鈦合金化學成分見表1。

表1 TA15鈦合金化學成分(質量分數/%)Table1 Chemical composition of TA15(mass fraction/%)

對于鈦合金的焊接，焊接接頭高溫區域的氣體保護和試件的焊前清理是保證焊接質量和焊接接頭性能的關鍵環節。為此，本試驗采用了嚴格的焊前清理程序及焊縫正面、背面氣體保護措施。激光-TIG復合熱源焊接時，噴嘴采用氦氣保護，保護拖罩、背面保護夾具采用氬氣保護。TIG焊均采用氬氣保護。鈦合金T-型接頭TIG焊、激光-TIG電弧復合焊試驗焊接工藝參數如表2所示。

T-型結構試件焊接后，將面板一側焊縫余高打磨至與母材平齊。將焊接試件進行真空熱處理，以消除應力。真空熱處理規范如下:真空度6.66×10－2Pa～6.66 ×10－3Pa;加熱溫度 630℃，保溫 2h;隨爐冷卻至200℃左右出爐空冷。

表2 鈦合金T-型結構焊接參數Titanium alloy T-structure welding parameters

2 顯微組織

TA15材料屬于近α鈦合金，母材組織為等軸α組織(圖1)。這種合金的焊縫組織大致有以下三種組織:魏氏組織、棒狀(或針狀)α組織和等軸組織。采用熔化焊方法焊接鈦合金時，將會不可避免地產生一些粗大的魏氏組織。一般情況下，焊接過程中產生的晶界偏析比晶內偏析更為嚴重。在焊縫中心區晶粒生長時相互碰撞，將會在晶界上堆積富溶質原子的液體。當以中等以上的焊接速度進行焊接時，焊縫金屬組織將生成對生的柱狀晶，這是由于鈦合金本身的組織特點所決定的。

采用激光-TIG電弧復合焊時，由于焊接過程中激光對焊接熔池的攪拌作用，使得焊縫的金屬組織及其晶粒度與常規TIG焊焊縫組織有所不同。一方面，焊接熱輸入的能量促使晶核提前形成;另一方面，激光對焊接熔池的攪拌作用使得成長中的枝晶破碎，使晶核數目增加，從而使晶粒得到細化(圖2、圖3)。

從接頭組織對比來看，TIG焊熱影響區明顯比復合焊接頭熱影響晶粒長大傾向嚴重，粗晶區更為明顯(圖4)。

圖3 焊縫中心組織對比 (a)激光-TIG復合焊;(b)TIG焊Fig.3 Microstructure comparison of welding seam center (a)Laser-TIG hybrid welding;(b)TIG welding

3 性能試驗

3.1 拉伸試驗

拉伸試驗主要考核構件承受靜載荷的能力。將熱處理完畢的試件按圖5所示的拉伸試樣尺寸進行加工。

正面焊縫加工至于母材平齊，表面粗糙度Ra不小于3.2μm，反面焊腳和其余上、下表面保留原表面。加載方式如圖6。

圖6 拉伸試驗加載方式Fig.6 Tensile test loading

拉伸試驗試樣斷裂位置如圖7所示。

兩種工藝拉伸試驗試樣結果見表3。

兩種焊接工藝拉伸性能差別不大，斷面收縮率激光-TIG電弧復合焊接工藝明顯要高于激光焊以及鎢極氬弧焊。

運用掃描電鏡(SEM)對焊接試樣室溫拉伸試樣進行斷口分析，見圖8。TIG焊、激光-TIG電弧復合焊兩種工藝斷口高倍微觀形貌均為等軸韌窩特征，兩者差別不大。拉伸斷口表面粗糙，明顯可見沿原始晶界斷裂的特征。

圖7 拉伸試驗試樣斷裂位置 (a)T-型結構激光-TIG復合L;(b)T-型結構TIG焊接Fig.7 Fracture location of tensile test specimen (a)Laser-TIG hybrid welding;(b)TIG welding

表3 兩種工藝拉伸試驗結果Table3 Result of tensile strength of the two welding processes

圖8 拉伸試驗斷口分析 (a)TIG焊;(b)激光-TIG電弧復合焊Fig.8 Tensile test fractography (a)Laser-TIG hybrid welding;(b)TIG welding

3.2 彎曲試驗

由于T-型結構的結構特殊性，分析飛機受力情況后，擬訂根據國標GB/T 14452—1993《金屬彎曲力學性能試驗方法》采用三點彎曲試驗對三種工藝試件的抗彎曲性能進行比較。彎曲試驗機型:RG3030微機控制電子萬能試驗機(最大載荷50kN)。

試樣形狀和尺寸:試樣材料厚度1.2mm，立板高度h=10mm，寬度:b=15mm，長度L:300mm。試樣上正面焊道打磨平齊，光潔度Ra不大于6.3μm反面焊腳和其余上下表面保留原表面;試樣側邊加工至表面光潔度Ra不大于6.3μm。

實驗條件:跨距 Ls:90mm，刀口半徑 R:0.1～0.15mm。預彎曲應力:300N，預彎曲應力 Fo:σpb0.01(或σrb0.01)的10%以下。彎曲應力增加速率:3～30MPa/s;加載速率:2mm/min。

試驗過程:將試樣對稱的安放于彎曲試驗裝置上，對試樣連續施加彎曲力，直至試樣斷裂。從試驗機測力度盤上或從記錄的彎曲力-撓度曲線上讀取最大彎曲力Fbb，按式(1)計算抗彎強度σbb，W為試樣結構參數:

式中:b ——試樣寬度;h——試樣高度;Ls——跨距;Fbb——最大彎曲力。

彎曲試驗結果見表4。

由實驗結果可見，激光-TIG電弧復合焊T-型結構抗彎曲強度σbb明顯高于TIG焊接頭。這是由于激光的加入以及焊接速度的提高，焊縫組織得到細化，熱影響區晶粒長大傾向減小，有效改善了激光-TIG電弧復合焊縫的接頭及熱影響區組織性能。

表4 彎曲試驗結果Table4 Result of bending test

3.3 疲勞試驗

作為承受交變載荷的結構材料，其疲勞性能是人們極為關注的，為此研究者們對各種類型鈦合金的疲勞性能進行了大量研究工作［9］。然而，焊接是一個復雜的熱物理化學冶金過程，造成了焊接接頭部位材料組織和性能的不均勻性，而使焊接結構的抗疲勞性能不佳，70% ～80%的焊接結構失效源于焊接接頭的疲勞斷裂。因此，研究焊接接頭的性能及其影響因素，對指導某些焊接構件的制備和防疲勞斷裂，具有十分重要的理論意義和工程價值。

將熱處理完畢的激光-TIG電弧復合焊對接試件按圖9所示的疲勞試樣尺寸進行加工。去掉焊縫余高，加工至于母材平齊，表面粗糙度Ra不小于6.3μm，反面焊腳和其余上、下表面保留原表面。

疲勞機型號:EHF-EG100kN-20LH型電液伺服疲勞試驗機。加載方式:軸向加載，應力比:R=0.1;疲勞試驗最大載荷:σmax=700MPa;試驗波形:正弦波;試驗頻率:f=9Hz;試驗環境:室溫、空氣中;疲勞試驗加載方式見圖10。T-型接疲勞性能對比試驗結果見表5所示。

由疲勞壽命試驗結果可見，T-型結構激光-TIG電弧復合焊接疲勞壽命比TIG焊接頭平均高出50%以上。

根據T-型結構結構特點，焊縫區由于有反面焊腳的加強作用，強度較大。熔合區是疲勞性能薄弱區域。一方面由于該區結構尺寸的變化，另外，還與焊接接頭在此區域的顯微組織變化、熔合線氣孔等因素有關。鈦合金焊接接頭在熔合線區域的殘余拉應力較高，這也是造成此區域疲勞性能相對薄弱的原因之一。

在近α型鈦合金焊縫中，金屬組織對疲勞壽命影響以α相晶粒尺寸最為重要。由于鈦合金疲勞壽命大部分耗費在裂紋萌生，即疲勞裂紋擴展的第一階段，減小焊縫晶粒尺寸將是提高鈦合金焊接接頭疲勞壽命的有效手段。本文采用激光-TIG電弧復合熱源與TIG焊相比，有效提高了焊接速度，近縫區及熱影響區晶粒長大傾向明顯小于TIG焊接頭;焊縫背面約束成型工裝的使用提高了焊接區散熱，對減小焊接區晶粒長大傾向十分有利。

圖9 疲勞試樣尺寸Fig.9 Dimensions of fatigue specimen

圖10 疲勞試驗加載方式Fig.10 Fatigue Loading

表5 T-型接疲勞性能對比試驗結果Table 4 Fatigue test results comparing on T-structure

4 結論

(1)顯微組織對比表明，采用激光-TIG電弧復合焊比TIG焊鈦合金T-型結構焊縫及熱影響區組織明顯細化。

(2)針對激光-TIG電弧復合焊、TIG焊T-型結構拉伸性能進行對比，結果表明，拉伸性能差別不大，斷面收縮率激光-TIG電弧復合焊接工藝明顯要高于激光焊以及鎢極氬弧焊。

(3)針對激光-TIG電弧復合焊、TIG焊T-型結構彎曲性能進行對比，實驗結果可見，激光-TIG電弧復合焊T-型結構抗彎曲強度明顯高于TIG焊接頭。

(4)疲勞壽命試驗結果可見，激光-TIG電弧復合焊接接頭疲勞壽命均高于TIG焊接頭50%以上。

［1］FREEMAN Richard.Welding and Joining Developments in the Aerospace Industry［J］.Welding and Cutting，2008，7(5):274－275.

［2］劉昌奎，劉華.TA15鈦合金焊接接頭性能與斷裂行為研究［J］.失效分析與預防.2006，1(2):45－48.

［3］ZAMKOV V N，PRILUTSKY V P，TOPOLSKY V F.Consumables and methods for welding titanium for aerospace engineering applications［J］.Journal of Advanced Materials，2000，32(3):57 －61.

［4］CHOI B H，CHOI B K.The effect of welding conditions according to mechanical properties of pure titanium［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，201(1 －3):526－530.

［5］KORSUNSKY，ALEXANDER M，DINI Daniele，et al.Fatigue crack growth velocity analysis in a titanium alloy［J］.Key Engineering Materials.2008，(385 －387):5 －8，

［6］LIU L，HAO X，DU X.Microstructure characteristics and mechanical properties of laser-TIG hybrid welding joint of TA15 titanium alloy［J］.Materials Research Innovations.2008，12(3):114 －118

［7］HAN Chuan-xi，QU Heng-lei.Investigations on welding characteristics of a novel high temperature titanium alloy［C］//Proc 1 Int Symp Metall Technol Pract Titanium Alloys，SAMPE，Japan 1994，231－237.

［8］張振海.鈦合金T-型結構力學性能研究［D］.北京:北京工業大學，2008.5:1－74

［9］LEE Sunghak，LEE Eui W，High-cycle fatigue properties of investment cast Ti-6Al-4V alloy welds［J］.Journal of Materials Science Letters，2001，20(24):2183 －2187