TIG焊接Ti－6Al－4V鈦合金薄板工藝與組織分析

陳茂軍，靳全勝，苗高蕾

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安 710089）

TIG焊接Ti－6Al－4V鈦合金薄板工藝與組織分析

陳茂軍，靳全勝，苗高蕾

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安 710089）

為探索更合理的焊接工藝方法，作者采用TTG焊接1．2mm的鈦合金薄板，分別采用焊接電流為65A、60A、50A和55A焊接四組試樣，并對焊件進行外觀分析、無損檢測、拉伸性能測試、金相掃描等檢測，通過對比，采用焊接電流為65A，焊接速度為173mm/min，正反面Ar氣的流量為10L/min，鎢極直徑為φ1．6mm，焊絲直徑φ1．6mm的工藝參數(shù)來焊接1．2mm的TC4鈦合金較為合理。

TIG焊;工藝參數(shù);組織;拉伸試驗

鈦合金的比強度、比剛度高，抗腐蝕性能、高溫力學性能、抗疲勞和蠕變性能都很好，具有優(yōu)良的綜合性能，是一種新型的、很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料［1］。鈦合金TIG焊接結(jié)構(gòu)在航空、航天、航海、石油，化工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，鈦合金焊接接頭質(zhì)量是影響焊接結(jié)構(gòu)壽命的重要因素之一［2］。在本文中，采用TTG焊接1．2mm的鈦合金薄板，為探索更合理的工藝方法，采用幾組不同的工藝參數(shù)進行試驗，利用X射線檢驗焊縫的內(nèi)部缺陷，用萬能拉伸試驗機進行拉伸試驗，并對斷口的組織形貌進行分析，切取試樣磨制成金相，用掃描電鏡（SEM）觀察分析其焊縫組織，通過綜合分析，從而對焊接工藝參數(shù)進行合理評價。

1 試驗方法

焊接所用TC4鈦合金板，厚度為1．2mm，規(guī)格為300 mm×75 mm×1．2 mm，化學成分為：Al 5．5～6．8%，V 3．5～4．5%，F(xiàn)e 0．3%，C 0．08%，N 0．05%，H 0．015%，O 0．20%，Ti為余量，其他0．4%;焊絲材料為TC1鈦合金，規(guī)格為φ1．6mm，化學成分：Al 1．0～2．5%，Mn 1．0～2．5%，F(xiàn)e 0．3%，C 0．08%，N 0．05%，H 0．012%，O 0．15%，Ti為余量，其他0．4%。

焊接之前要進行酸洗，然后采用鋼絲刷去除待焊區(qū)氧化膜，并用丙酮擦拭干凈。試驗在WSE－ 315焊接手工鎢極氬弧焊機上進行，焊接工藝參數(shù)［3］如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與討論

2．1 X射線探傷

按照HB5386－87對Ti－6Al－4V鈦合金焊接接頭進行X射線探傷檢測，結(jié)果表明，嚴格按照航空工業(yè)標準HB/Z120－87鈦及鈦合金鎢極氬弧焊接工藝，焊前對試件及接頭進行清理和準備，Ti－6Al－4V常規(guī)TIG焊接接頭質(zhì)量都符合航空一級標準［4］，鈦合金TC4母材及焊縫如圖1所示。

圖1 鈦合金TC4母材及焊縫

從圖1焊縫照片得知，A、B、C和D試件焊縫正面成形良好，外形尺寸符合要求，但是從它們的反面可以看出，A試件的反面成形較好，B、C和D試件反面成形較差，A、B、C和D試件的焊接電流分別為65A，60A、50A和55A，說明焊接電流對焊縫的反面成形有影響。對它們進行X射線無損檢測，探傷檢驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 X射線探傷結(jié)果

從圖2無損探傷的結(jié)果得知，焊縫中沒有出現(xiàn)嚴重的缺陷，只在B和C試件中出現(xiàn)少量的小氣孔，在圖3的金相組織分析的圖片中清晰可見。

圖3 焊縫中不同區(qū)域的顯微組織特征

2．2 接頭組織觀察

利用JSM－6390A掃描電鏡進行觀察分析焊縫的組織特征。圖3為A、B、C、D焊縫區(qū)和熱影響區(qū)顯微組織特征。TC4母材的顯微組織是由等軸的晶粒和晶間分布的β兩相組織組成，白色為α相，黑色為β相，兩相呈層狀分布，焊后其組織均發(fā)生了明顯的變化，形成了無規(guī)則分布的交叉片狀或針狀組織［3］。A的金相組織中形成了無規(guī)則的交叉或針狀組織，B的金相組織中出現(xiàn)條狀晶枝，并且出現(xiàn)較多的小孔，C和D的焊縫中出現(xiàn)板塊狀晶粒，這是由于焊接電流的減小，使得焊縫中的金屬熔合的不充分所致。

從圖3得知，對于試件A的焊縫，焊接電流為65A，焊縫區(qū)域與熱影響區(qū)的晶粒細小均勻;對于試件B的焊縫，焊接電流為60A，焊縫區(qū)域的晶粒粗大，并且晶粒之間出現(xiàn)明顯的邊界，在熱影響區(qū)中出現(xiàn)較多孔洞;對于試件C的焊縫，焊接電流為50A，它的焊縫中出現(xiàn)交叉無規(guī)則的晶體組織，并且出現(xiàn)一些空洞;對于試件D的焊縫，焊接電流為55A，晶粒交叉且不規(guī)則，晶粒粗大并且出現(xiàn)明顯的晶界。通過對A、B、C和D的焊縫組織結(jié)構(gòu)進行比較，當采用焊接電流為65A，焊接速度為173mm/ min，正反面氣體流量為10L/min，鎢極直徑為1．6 mm，焊絲直徑為1．6mm的焊接參數(shù)進行焊接1．2 mmTC4鈦合金薄板時焊縫顯微組織結(jié)構(gòu)最好。

2．3 接頭力學性能測試

表2為不同焊接工藝條件下的焊接接頭的室溫拉伸性能，A、B、C、D和母材M的抗拉強度分別為1023Mpa，1021Mpa，982Mpa，980Mpa和1012Mpa，而A、B、C和D的焊接電流分別為65A，60A，50A和55A。試件A和B焊縫的抗拉強度高于母材M。分析它們的延伸率，母材M的延伸率最好，A和B的延伸率低于母材而高于C和D試件的延伸率。對于A、B、C、D和母材M的斷面收縮率分別為12．19%，10．24%，3．51%，14．84%和11．21%，D試樣的斷面收縮率最大為14．84%，C最小為3．51%，A試樣的斷面收縮率為12．19%與母材M的斷面收縮率11．21%相接近。從而得知焊接電流為65A的A試件和焊接電流為60A的B試件的綜合力學性能比C和D試件優(yōu)良，與母材M相比基本相近。

表2 拉伸試驗結(jié)果

2．4 接頭斷口分析

圖4是不同工藝參數(shù)鈦合金接頭拉伸斷口晶界處韌窩的SEM照片。其中韌窩的大小、深淺不一，與采用不同的焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)。焊接工藝參數(shù)不同，TC4鈦合金熔池液態(tài)金屬凝固時，β相晶粒尺寸以及β相相變產(chǎn)生的α相與針狀α'相的大小都會有所差異［5－7］，從而影響沿晶斷裂處的韌窩形貌。圖4A所示，由于焊接電流較大，斷口表面出現(xiàn)大量的塑性變形產(chǎn)生的撕裂棱，撕裂棱上布滿了大小不等的圓形或者橢圓形韌窩，這一特征與母材拉伸試樣斷口撕裂棱基本一致，對于4B、4C和4D所示，拉伸試樣斷口表面出現(xiàn)的塑性變形撕裂棱較少，斷口的均勻性和韌性比4A差，脆性組織增加，對于圖4M所示，在斷口組織表面出現(xiàn)撕裂棱，而撕裂棱上所布滿的圓形或橢圓形韌性窩比較均勻，與4A的斷口組織形貌圖相比基本接近，對于4B、4C和4D的斷口組織形貌圖出現(xiàn)的結(jié)果，主要由于較小的焊接電流，在焊接過程中熔池的溫度較低，存在的時間較短，結(jié)晶的速度較快，焊縫的脆性增加所致。

圖4 拉伸試樣斷口組織形貌

3 結(jié)論

采用TIG焊接1．2mm鈦合金時，分成四組不同的工藝參數(shù)制成四組拉伸試樣，對試樣進行拉伸試驗，通過分析比較，焊接電流為65A的焊件A和焊接電流為60A的焊件B的抗拉強度、斷面收縮率和延伸率與母材M相接近;截取焊縫金相試樣鑲嵌磨制成金相，利用掃描電鏡進行觀察分析焊縫的組織特征，焊接試件A焊縫顯微組織晶粒組織細小均勻，形成無規(guī)則的針狀組織，組織結(jié)構(gòu)良好，無空洞;對于拉伸試樣斷口形貌的分析，在A試樣的拉伸斷口表面出現(xiàn)大量的塑性變形產(chǎn)生的撕裂棱，撕裂棱上布滿了大小不等的圓形或者橢圓形韌窩，這一特征與母材M拉伸試樣斷口撕裂棱基本一致。因此，采用焊接電流為65A焊接速度為173mm/min，正反面Ar氣的流量為10L/min，鎢極直徑為φ1．6mm，焊絲直徑φ1．6mm的工藝參數(shù)來焊接1．2mm的TC4鈦合金較為合理。

［1］田錦．活性氬弧焊對鈦合金焊縫成形的影響［J］．熱加工工藝，2010，（5）．

［2］周水亮，趙海濤，齊鉑金．Ti－6Al－4V鈦合金超音頻脈沖TIG焊［J］．焊接學報，2010，（10）．

［3］陳茂軍．TIG焊接TC4工藝參數(shù)對熔合區(qū)顯微組織特征影響研究［J］．長沙航空職業(yè)技術(shù)學院學報，2013，（3）．

［4］周榮林，郭德倫，李從卿，等．TC4鈦合金電弧超聲TIG焊［J］．焊接學報，2004，（6）．

［5］Elmer JW，Palmer TA．Phase transformation dynamics during welding of Ti－6Al－4V［J］．Journal of applied physics，2004，（12）．

［6］（德）C．萊茵斯，M．皮特爾斯編，陳振華等譯．鈦與鈦合金［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2005．

［7］Ahmed T，Rack H J．Phase transformation during cooling inα+βtitanium alloys［J］．Materials Science＆Engineering（A），1998，（3）．

［編校：楊琴］

Analysis of Ti－6Al－4V Titanium Alloy Thin PlateWelding Process and Microstructure of TIG

CHEN Maojun，JIN Quansheng＆MIAO Gaolei
（xi＇an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi＇an Shanxi 710089）

In order to exploremore reasonablemethod of the welding process，Titanium alloy sheet based on TTG 1．2mm welding are adopted，by having appearance analysis，nondestructive test，tensile test and metallographic scanning of four groups of specimens with the welding current of 65A，50A of 60A and 55A．By contrast，it ismore reasonable that1．2 mm TC4 titanium alloy iswelded by adopting such process parameters，that is，thewelding current is65A，welding speed 173mm/min，frontback Ar gas flow rate 10L/min，tungsten electrode phidiameter1．6mm，and wieldingwire＇s diameter 1．6mm．

TIG welding;technology parameters;microstructure;tensile tests

TG442

A

1671－9654（2014）01－062－06

2014－02－15

陳茂軍（1978－），男，湖南邵陽人，講師，工學碩士，研究方向為焊接技術(shù)。

本文為西安航空職業(yè)技術(shù)學院院級課題“薄板鈦合金TIG焊接工藝、性能及焊縫顯微組織研究”（編號：12XK－ZL001）階段性研究成果。

book=1,ebook=403