鈦合金MIG焊接頭組織性能

劉守義，王有君，耿濤

0 引言

隨著鈦工業的發展，鈦及鈦合金優異的特性越來越顯現出來，而廣泛應用于航空航天、軍工產業、船舶工業等高端制造領域，并且存在持續向其它各個行業延伸發展的趨勢[1- 3].TA5 是一種全α型鈦合金, 含有 4%鋁和0.005%硼，屬于不能熱處理強化的鈦合金.比較適宜用在360℃以下的耐腐蝕介質中的零件，特別有耐海水侵蝕的優良特質.可是，這種鈦合金不但對焊接過程要求很高，而且對于板材下料、坡口加工、焊接保護(不同焊接方法，保護氣體存在有差異)、焊接區域清理、焊接環境因素等要求都非常高.尤其焊接保護措施凸顯關鍵，如果保護不好，容易出現的氫氣孔等缺陷，從而影響接頭的性能[4- 6].本文研究了4mm和6 mm TA5鈦合金MIG焊對接接頭的組織與性能，以確定合理的鈦合金焊接工藝.

1 試驗材料及試驗方法

試驗材料為TA5鈦合金，采用MIG焊2層2道焊接工藝，采用氬氣作為保護氣體，純度為99.99%，焊接材料為Φ1.2 mmTA28焊絲.坡口形式為70°“V”形，為避免焊接接頭遭受到氧化、污染，背面用拖罩跟隨熔池進行保護，焊前提前13～16 s送氣，斷弧及焊縫收尾時，繼續采用氬氣保護，直到焊縫及熱影響區區域金屬冷卻到380℃以下時方可移開焊槍.試驗材料的化學成分及力學性能見表1和表2，焊絲的化學成分及焊接工藝參數見表3和表4.

表1 試驗材料化學成分 %

表2 試驗材料的力學性能

表3 焊絲化學成分 %

表4 焊接工藝參數

焊后對試板按照相關標準分別進行了外觀檢測、滲透檢測及射線檢測等無損檢測和力學性能試驗.拉伸試驗和彎曲試驗均在型號為WDW-300KN微機控制電子萬能試驗機上分別按照ISO4136-2001﹑ GB/T 228-2002標準和ISO5173標準進行，彎曲試驗分為面彎和背彎，各兩個試樣，壓頭直徑分別為30 mm和50 mm；根據GB/T 4342-1991《金屬顯微維氏硬度標準》，測定了鈦合金焊接接頭的維氏硬度分布，利用FM-700型顯微硬度儀(包括母材和熱影響區)，顯微硬度儀的參數設置為：步長200 μm，載荷200 gf(1.96 N)，保持時間15 s，并使用ORIGIN75軟件繪制硬度圖；用Neophot-32數碼金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織及采用JSM-6360LV型掃描電鏡對斷口進行觀察和分析.焊接接頭金相組織分析時采用的腐蝕溶液為HF和HNO3的混合溶液(HF∶HNO3=2∶3).

2 試驗結果及分析

2.1 拉伸試驗

分別對4 mm和6 mm的TA5鈦合金MIG焊焊接接頭進行了拉伸試驗，拉伸試驗結果見表5.從表5可以看出4 mm TA5鈦合金MIG焊接頭抗拉強度的平均值為788.2 MPa，伸長率的平均值為18%，6 mm接頭抗拉強度的平均值為738.5 MPa，伸長率的平均值為8.5%.可見，4 mm及6 mm的TA5鈦合金MIG焊接頭的抗拉強度均遠大于TA5鈦合金母材抗拉強度的最小標準值(685 MPa)，均具有良好的拉伸性能.

表5 拉伸試驗結果

圖1 拉伸斷口形貌

另外，從表5還可以看出：厚度不同接頭的斷裂位置有所不同，4 mm接頭的斷裂位置分別在母材，而6 mm接頭的斷裂位置在焊縫，這可能與試件的寬度和厚度有關.不過不論從母材斷的還是從焊縫斷的，其拉伸斷口形貌相近，拉伸試件斷口全貌均為纖維狀，邊緣與中心均為韌性斷口，有大小不一的淺韌窩.圖1為拉伸斷口形貌.

2.2 彎曲試驗

分別對4 mm、6 mm的TA5鈦合金焊接接頭進行彎曲試驗，試件分為兩組，每組四個試件(兩個面彎試樣和兩個背彎試樣)，焊接接頭的彎曲

試驗結果顯示兩組、四個試件均為合格.試驗中所有試樣均經過180°的面彎和背彎后沒有發生裂紋，可見4 mm及6 mm TA5鈦合金MIG焊接頭均具有良好的彎曲性能.

2.3 硬度試驗

圖2為4 mm和6mmTA5鈦合金焊接接頭的硬度曲線圖.由圖2可以看出，TA5鈦合金MIG焊接頭焊縫硬度分布近似為均值，大約為280 HV，由中心向兩側，硬度值逐漸升高，母材硬度達到最大值，母材比焊縫硬度平均高出40～50 HV，熱影響區硬度平均高出20～30 HV，母材較焊縫硬度高.

圖2 接頭硬度曲線

2.4 金相組織

圖3為4 mm和6 mm的TA5鈦合金焊接接頭的顯微組織.

圖3(a)為TA5鈦合金焊接接頭的母材顯微組織，為等軸的α相，纖維狀晶粒有明顯的擇優取向；圖3(b)為熱影響區顯微組織，為較粗大的針狀α相；圖3(c)為焊縫區顯微組織，主要為針狀α相+板條α相；圖3(d)為熔合區顯微組織，右側為焊縫區，左側為熱影響區.另外，從圖3可以看出，焊接接頭晶粒較為粗大，母材晶粒較為細小，這是由于鈦的熔點高, 導熱性差，而且熱容量大，在焊接時容易形成的熔池較大，并且熔池溫度也更高，這使得焊接接頭較長時間停留在高溫環境下，具有較大的晶粒長大傾向.因此，在焊接時應該嚴格控制熱輸入，采用小電流高速焊接，綜合考慮采用表4的焊接參數.

3 結論

(1)4 mm和6 mm的TA5鈦合金MIG焊接頭均具有良好的拉伸和彎曲性能，焊縫硬度最低，母材硬度最高，說明試驗采用的焊接工藝是合理的；

(2)TA5鈦合金MIG焊接頭母材組織為等軸的α相，熱影響區主要為較粗大的針狀α相，焊縫區主要為針狀α相+板條α相.

參考文獻:

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