Ti6Al4V厚板低匹配TIG窄間隙焊接頭力學性能

鄧志剛，趙 勇

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 昆山 215300；2.江蘇科技大學 先進焊接技術省級重點實驗室，江蘇 鎮江 212000）

鈦及鈦合金具有比強度高、無磁、耐腐蝕等優異特性，在航空航天、造船、能源、石油化工等領域得到了廣泛的應用[1]。手工TIG窄間隙焊接技術采用的坡口間隙較傳統坡口間隙大幅減小，帶來了諸多技術和經濟的優越性[2]。該技術在俄羅斯的載人潛水器等厚壁鈦合金焊接結構中已廣泛應用。本文針對工程結構中常用的TI6AL4合金，選用低強度等級的2B焊絲，自制深入式噴嘴TIG窄間隙焊接，通過對焊接接頭的拉伸試驗和金相組織觀察來分析該工藝對焊接接頭性能的影響。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試板為TI6AL4，σ45mm的，焊絲為2B、Φ2mm。TI6AL4和2B成分見表1和表2，TI6AL4和2B焊絲熔敷金屬的力學性能見表3。

表1 TI6AL4的化學成分

表2 2B焊絲的化學成分

表3 TI6AL4和2B熔敷金屬的力學性能

1.2 試驗方法

1.2.1 焊接試驗

X坡口形式，坡口傾斜3°～5°。坡口中間機加工兩凸臺，組裝至間隙2mm～3mm，試件表面間隙11mm±2mm。采用TIG自制噴嘴深入縫隙焊接。

1.2.2 焊接接頭的拉伸試驗

焊接后將焊接接頭按照GB 2649加工成棒狀拉伸試樣[3]。試驗采用CMT5205微機控制電子萬能（拉力）試驗機，試驗按照GB2651實施。

1.2.3 金相試驗

對腐蝕好的試樣在顯微鏡下觀察，觀察焊接接頭不同區域的形態，并對典型形貌進行拍照。

1.2.4 SEM成分分析

將制備好的試樣在掃描電鏡下觀察，并從焊縫中心至一側母材每隔1mm做一次成分分析，觀察Al和V的變化。

2 試驗結果及分析

2.1 拉伸試驗結果及分析

焊接接頭的拉伸試驗數據見表4：

表4 焊接接頭拉伸試驗結果

由表4可以看出，當選用2B焊絲，焊接接頭雖斷在了焊縫中心，但其抗拉強度已經達到了865MPa，這比2B焊絲熔敷金屬的抗拉強度有了大幅度的提高，已接近于TI6AL4母材的抗拉強度。

選用2B焊絲焊接TI6AL4合金，得到的是低匹配的焊接接頭，相當于兩層硬的金屬中間包夾了一層“軟層”金屬，當焊接接頭承受靜拉伸載荷的時候，低強度焊縫首先進入到塑性狀態，高強母材仍處于彈性狀態，母材對焊縫的塑性變形具有拘束作用，隨著坡口間隙的減小，拉伸試棒接頭部位的徑向應力就越大，焊縫金屬塑性變形就更加困難，從而使接頭強度上升。窄間隙焊接時，低強度焊縫的塑性變形受到高強母材的約束，使焊縫金屬應力處于三向受拉伸而強化。

綜合以上因素，在保證接頭強度不降低的條件下，選用低強度等級的2B焊絲進行焊接，接頭的塑性得到了改善，焊接接頭的綜合性能得到了提高。

2.2 金相試驗結果及分析

一般而言，焊接接頭各區域的化學成分及相成分，焊縫金屬在焊接熱循環時發生的相變及組織轉變對接頭的性能有很大的影響。

圖1和圖2分別為接頭熔合區和焊縫中心的組織形貌，由圖可見，母材是細小的等軸晶α相和其晶界網狀分布的?相的機械混合物。而焊縫的晶粒組織比母材的組織粗大，熔合區的范圍較窄，焊縫中心可見一定量的針狀的α′組織，在α′晶界分布的少量過冷的亞穩定?相在應力的作用下能轉變為應力誘發馬氏體，這種馬氏體具有低的屈服強度、高應變硬化速率及均勻伸長率和較高的塑性[4]，在窄間隙焊接時，由于焊接熱輸入相對較少，冷卻速度較快，使得這種誘發馬氏體的比例增加，從而也有效的提高了接頭的力學性能。

圖1 接頭熔合區的組織形貌

圖2 焊縫中心的組織形貌

2.3 SEM試驗結果及分析

圖3是從焊縫中心至一側母材Al和V元素含量的變化趨勢。

結合表1和表2可以發現，母材中的合金元素Al和V均向焊縫中心方向擴散。對于鈦合金而言，元素鋁對強度有很大的影響。

鋁含量每增加1%就使鈦的強度極限提高5公斤/毫米2，同樣有效的強化β固溶體。焊接接頭熔合區的合金比例提高了，該區域的強度也會隨之提高。

由于擴散作用，母材中的合金向熔合區擴散，強化了接頭的熔合區，提高了焊接接頭的力學性能。

根據菲克第一和第二定律知濃度和擴散的距離對擴散合金的量有很大的影響。同時，焊縫間隙很小，在短距離的條件下，更有利于合金元素向焊縫中心區域擴散，所以強化效果更加明顯。

圖3 SEM成分趨勢圖

3 結論

（1）選取低于母材強度級別的2B焊絲，并采用TIG窄間隙方法對45mm的TI6AL4合金進行焊接，焊后接頭的抗拉強度為865MPa，比2B焊絲熔敷金屬的抗拉強度有了大幅度的提高，已接近于TI6AL4母材的抗拉強度；

（2）采用窄間隙的方法焊接時，焊接接頭焊絲的填充量比常規X形坡口時的填充量減少了30%左右，焊接熱影響區變窄，焊縫中心生成針狀的α′組織，亞穩定?相在應力的作用下轉變為應力誘發馬氏體的增加均使接頭的性能提高；

（3）在焊接可達的范圍內，焊接坡口的間隙越小，合金元素向焊縫擴散的越多，熔合區合金化程度越高，強化焊接接頭，提高了接頭力學性能。