焊接次數對TC18鈦合金中厚板電子束焊接接頭組織及性能的影響

牟建偉,劉艷梅,史吉鵬,高 峰,黃成杰

(沈陽飛機工業(集團)有限公司技術研究院,沈陽 110850)

0 引 言

TC18鈦合金是一種α+β型高強鈦合金,名義成分(質量分數/%)為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe,具有強度高、韌性好、淬透性能優良、焊接性較好等特點,常用于制造飛機框梁類大型鍛件產品[1-3]。焊接技術作為一種材料連接方法,在零件一體化、大型化制造過程中完成最終的零件拼接成形,對零件性能起決定性的作用[4-5]。目前,針對大型結構的焊接,所選用的焊接方法主要有電子束焊接與氬弧焊接2種[6-7]。氬弧焊接主要用于連接一些結構比較復雜、難以實現自動化焊接的構件,焊接過程在真空箱中進行,可有效抑制接頭氧化;但氬弧焊接熱源的能量密度較低,焊接熔深較淺,在應用于大厚度結構件連接時需要先行開制坡口,再進行多層多道填絲焊接,多層多道焊接工藝會導致焊道及周邊母材因多次受熱而發生組織劣化,從而降低接頭的力學性能[8]。電子束焊接常應用于結構簡單、易實現自動化焊接的構件。電子束焊接的能量密度高,接頭熱影響區小,且同樣在真空環境焊接,高溫熔池氧化的風險較小,同時電子束焊接自動化程度高,焊道一致性好。但是,電子束焊接接頭各區域的寬度較窄,在對一些回轉體零件進行環縫焊接時起收弧處會出現重復焊接,使該處的組織發生變化,力學性能受到影響[9-12]。目前,對鈦合金薄板的多次焊接研究較多,對其中厚板的多次焊接工藝研究鮮有報道。

作者采用電子束焊接技術對21 mm厚TC18鈦合金板分別進行1次焊接及2次焊接試驗,研究了焊接次數對接頭組織、拉伸性能和硬度的影響,以期為飛機框梁類結構的研制提供技術支持。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選用鍛造TC18鈦合金板,厚度為21 mm,板幅為150 mm×170 mm,化學成分見表1,顯微組織見圖1。可見鍛造鈦合金組織呈典型的“網籃”狀,主要由α+β與β相組成,α板條的厚度約為2 μm,因經歷鍛造加工,β相晶界出現破碎現象。焊接試驗前48 h內將待焊鈦合金板酸洗去除氧化皮,前2 h內將待焊接頭40 mm范圍內的區域進行機械打磨,并用白布蘸丙酮清除表面油污、灰塵等雜質。在電子束焊接前采用機械方式修配,使對接間隙不大于0.1 mm。采用ZD150-30C CV65M型高壓電子束焊機進行1次焊接與2次焊接(在1次焊接的焊縫處用同樣工藝重復焊接)試驗,接頭為對接形式,對接面不制作坡口,焊接電壓為150 kV,焊接速度為20 mm·s-1,聚焦電流為2.227 A,焊接電流為85 mA。

圖1 TC18鈦合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of TC18 titanium alloy

表1 TC18鈦合金的化學成分Table 1 Chemical composition of TC18 titanium alloy

采用XDX-DR350型X射線檢測儀檢測焊縫內部質量。將接頭徑向截面進行磨拋,采用ZEISS AXIOLAB5型光學顯微鏡觀察低倍形貌。沿接頭橫截面制取截面尺寸為10 mm×30 mm的金相試樣,經打磨拋光,用Keller試劑腐蝕后,采用Sigma-300型掃描電鏡(SEM)觀察焊接接頭的顯微組織。根據GB/T 228.1-2021,采用CAK63285型數控機床沿垂直焊縫方向在母材和接頭處(以焊縫為中心)制取如圖2所示的拉伸試樣,用細砂紙對試樣外表面進行精磨處理,采用WDW200D型萬能拉伸試驗機進行拉伸試驗,各測3個試樣取平均值。采用SEM觀察拉伸斷口形貌。采用HV1000型顯微硬度計進行硬度檢測,于徑向截面中部取點,測試點間距為0.25 mm,載荷為2 N,保載時間為15 s。

圖2 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.2 Shape and size of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 成形質量及顯微組織

由圖3可見,1次焊接與2次焊接接頭表面成形良好,沒有明顯的氣孔與凹陷等缺陷。由圖4可以看出,2種接頭內部均沒有出現氣孔與未熔合等缺陷。由圖5可以看出:2種接頭內部質量良好,上表面熔寬相等,均為7.3 mm;2次焊接接頭的中部與底部熔寬分別為5.0 mm與5.6 mm,分別高于1次焊接接頭的中部(4.8 mm)與底部(4.7 mm)熔寬。

圖3 不同電子束焊接次數接頭的表面形貌Fig.3 Surface morphology of joints with different electron beam welding times:(a) single welding and (b) twice welding

圖4 不同電子束焊接次數接頭的X射線檢測結果Fig.4 X-ray test results of joints with different electron beam welding times:(a) single welding and (b) twice welding

圖5 不同電子束焊接次數接頭的截面形貌Fig.5 Section morphology of joints with different electron beam welding times:(a) single welding and (b) twice welding

由圖6可見:2種焊接接頭熱影響區中部組織均由等軸初生α相、針狀α′相和β相組成,這主要是因為焊接時熱影響區受到的熱循環較小,熔池冷卻速率較快,部分α相沒有發生β轉變被保留下來,而另一部分α相轉變形成的β相在快速冷卻時析出針狀α′相;焊縫區組織主要是對生生長的β柱狀晶粒,這是因為電子束焊接過程中整個熔池的溫度梯度很大,熔池中部的溫度最高,凝固時由中部向周邊散熱,晶粒沿最大的溫度梯度方向生長,最終呈現對生生長形貌;與1次焊接相比,2次焊接接頭熱影響區的晶粒尺寸明顯更大,β晶粒內的針狀α′相的析出量明顯更多,這是因為相較于1次焊接,2次焊接接頭的熱影響區多承受了1次熱循環。

圖6 不同電子束焊接次數接頭的顯微組織Fig.6 Microstructures of joints with different electron beam welding times:(a) single welding, heat affected zone;(b) single welding, weld zone; (c) twice welding, heat affected zone and (d) twice welding, weld zone

2.2 拉伸性能

試驗測得母材、1次與2次焊接接頭的平均抗拉強度分別為1 111,1 123,1 127 MPa,平均斷后伸長率分別為16%,9%,7%。焊接接頭的抗拉強度均高于母材,斷后伸長率明顯低于母材,1次與2次焊接接頭的平均斷后伸長率分別僅為母材的56.3%,43.8%。

由圖7可見:2種焊接接頭拉伸試樣的斷裂位置偏離焊縫,均在母材部位。這是因為1次和2次焊縫組織中均存在硬脆α′相,提高了強度。

圖7 不同電子束焊接次數接頭拉伸試樣的斷后形貌Fig.7 Fracture position of tensile specimens of joints with different electron beam welding times:(a) single welding and (b) twice welding

由圖8可見:母材和2種焊接接頭的拉伸斷口均存在大量韌窩,呈現韌性斷裂的形貌,韌窩交錯分布,邊緣有撕裂脊,底部有微孔。在拉伸過程中斷裂面處會形成大量微孔,微孔隨拉伸測試的進行逐漸長大、聚合,從而在斷口表面形成韌窩。相對于1次焊接接頭,2次焊接接頭斷口上的韌窩尺寸更大。

圖8 母材與1次、2次焊接接頭拉伸斷口的SEM形貌Fig.8 SEM morphology of tensile fracture of base metal (a,d) and single welding (b,e) and twice welding (c,f): (a-c) at low magnification and (d-f) at high magnification

2.3 硬 度

由圖9可見:1次焊接與2次焊接接頭焊縫區(Ⅰ區)的平均顯微硬度分別為380,395 HV,顯著高于母材區(Ⅲ區)的280～340 HV;1次焊接與2次焊接接頭熱影響區(Ⅱ區)的平均顯微硬度分別為360,350 HV。這說明焊接次數越多,焊縫區硬度越高,熱影響區的硬度越低。

圖9 不同電子束焊接次數接頭的截面硬度分布曲線Fig.9 Cross section hardness distribution curves of joints with different electron beam welding times

3 結 論

(1) 21 mm厚TC18鈦合金板1次焊接與2次焊接接頭的表面成形與內部質量均良好,沒有明顯的焊接缺陷;焊接接頭熱影響區組織由等軸初生α相、針狀α′相和β相組成,且2次焊接接頭由于熱循環次數增多,針狀α′相明顯增多,晶粒尺寸也明顯增大;接頭焊縫區組織主要是對生生長的β柱狀晶粒。

(2) 2種焊接接頭的抗拉強度均高于母材,斷后伸長率則明顯低于母材,拉伸斷裂方式均為韌性斷裂;相對于1次焊接接頭,2次焊接接頭拉伸斷口上的韌窩尺寸較大。

(3) 1次焊接與2次焊接接頭焊縫區的平均顯微硬度分別為380,395 HV,顯著高于母材區的280～340 HV,熱影響區的平均顯微硬度分別為360,350 HV。這說明焊接次數越多,焊縫區硬度越高,熱影響區的硬度越低。