高頻感應焊TA2鈦管焊后退火組織與性能研究

［摘 要］ 采用高頻感應焊接技術焊接壁厚0.5 mm鈦管，研究焊后退火對鈦焊管微觀組織與力學性能的影響。結果表明，經過800℃退火處理后，鈦焊管外觀顏色無變化，焊接接頭顯微組織由鋸齒狀與針狀組織轉變為等軸組織，晶粒內部取向一致，晶粒明顯長大，焊接接頭各區域硬度值顯著下降且分布更加平均；退火前焊接接頭抗拉強度為480.9 MPa，伸長率4%，退火后抗拉強度為439.2 MPa，為退火前91.6%，伸長率18%，為退火前4.5倍，斷口具有明顯韌性斷裂特征，綜合力學性能有明顯提升。

［關鍵詞］ 薄壁鈦焊管； 退火； 微觀組織； 力學性能

［中圖分類號］ TG456.9 ［文獻標識碼］ A

鈦具有優良的力學性能和耐腐蝕性等特點[1-2]，成為石油化工、航空航天等領域不可或缺的重要材料[3-4]，而鈦合金管廣泛應用于石油、化工、能源、艦船設備和海水淡化設備[5-6]。鈦合金管分為無縫管和焊接管。無縫鈦管制造的設備成本高、加工工序多、生產周期長、效率低，限制了鈦管的大規模應用；鈦焊接管的設備投資小、成型率高、焊縫力學性能較好等優點受到廣泛重視，其應用范圍不斷擴大，并在未來將代替部分價格昂貴的無縫管[6-7]。

目前鈦管的焊接方法有鎢極氬弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊、釬焊等[8-9]，但其生產效率低、焊接速度慢等因素難以滿足市場需求，因此需要尋求一種高效的生產方式。運用高頻感應焊接技術可在短時間內將管坯的焊接邊緣加熱到焊接溫度，隨后在擠壓力的作用下完成焊接，具有加熱速度快、接頭影響區窄、生產效率高（焊接速度可達100 m/min）等優點[10-11]，成為焊接鈦合金管極具前景的連接方式。前期試驗研究表明，由于鈦導熱性差，在高頻感應焊接過程中易出現焊接接頭晶粒粗化、焊接接頭脆化、焊接變形大等缺陷，導致鈦管發生應力腐蝕開裂、后續加工困難等問題，因此完成焊接的鈦管需要進一步處理來獲得更佳的組織與力學性能。何逸凡等[12]研究了熱處理對TC4鈦合金MIG焊接接頭組織的影響，發現熱處理能調控鈦合金焊頭顯微組織，改善接頭綜合力學性能。廖晨雅等[13]對TiAl合金電子束焊接接頭進行了熱處理，發現焊接接頭局部熱處理與整體熱處理均能降低焊縫區顯微硬度。鈦管高頻焊接技術作為一種新的焊接技術，其成型原理與熔化焊類似，焊縫同樣經歷液相的凝固過程，因此可以借鑒熔化焊對焊縫熱處理的方式，對高頻感應焊接后的鈦管進行熱處理，以期達到調控焊接接頭顯微組織、優化綜合力學性能的目的。本實驗在氣氛保護下對高頻感應焊鈦管進行熱處理，研究了熱處理對鈦焊管顯微組織與力學性能的影響，為鈦合金高頻感應焊接的大規模生產和應用提供依據。

1 試驗材料與方法

本實驗采用湘投金天鈦業股份有限公司生產的0.5 mm厚、32 mm寬工業純鈦TA2鈦帶，其主要化學成分見表1。使用武漢市博鈦新材料科技有限公司自主研發的高頻感應焊接自動化生產線進行焊接，其主要流程為：鈦帶開卷、矯直、彎曲成型、高頻焊接。鈦管外徑為10 mm，焊接如圖1所示。試驗前將開口角和電流頻率設置并保持在6°和400 kHz。其他主要焊接參數：焊接速度，50 m/min；焊接功率，14.0 kW；擠壓量，0.17 mm。將高頻焊后的鈦管放入氬氣保護氣氛爐中進行退火熱處理，加熱速度10 ℃/min?？紤]到鈦中雜質會引起α→β相變點顯著下降[14]，將鈦管加熱至相變點附近保溫一段時間后緩慢冷卻，因此設定退火溫度為800℃，保溫時間30 min，然后隨爐冷卻至200℃后取出。

采用GX-51型奧林巴斯光學金相顯微鏡與TESCAN MIRA3型掃描電子顯微鏡對焊縫微觀組織進行觀察。沿垂直于焊縫方向截取金相試樣，進行冷鑲嵌，使用砂紙預磨，然后進行機械拋光、化學腐蝕。采用蔡司GEMINI450電鏡與EDAX公司velocity系統進行EBSD試驗，以分析焊接接頭及母材晶粒取向、晶粒大小。EBSD試樣采用標樂vibromet 2型振動拋光機進行振動拋光，拋光劑是粒度為0.05 μm的OPS硅膠，拋光時間為6 h。采用CTM9200型萬能材料試驗機對接頭進行拉伸試驗，根據GB/T 2651-2008 焊接接頭拉伸試驗方法與GB/T 228-2010金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法進行試驗。試樣長25 mm，寬9 mm，從焊接接頭垂直于焊縫軸線方向截取。使用切割機沿焊縫對面位置剖開后展開成矩形試樣進行拉伸樣。使用THVS-IMDX-AXY維氏顯微硬度計測量焊接接頭硬度，垂直焊縫進行測試，載荷為0.1 kg，保持時間為10 s。為減小誤差，每個位置打3點取其硬度值平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 退火處理對焊管宏觀形貌與微觀組織的影響

圖2為退火熱處理前后焊管外觀照片。圖2a為退火前焊管照片，圖2b為經過800 ℃退火后焊管照片。經過退火處理后，焊管沒有發生明顯顏色與形狀變化，表面仍呈銀色，有金屬光澤，沒有出現由于氧化產生的藍色與紫色，焊管外觀良好，未出現變形，也沒有受到退火的影響而產生宏觀裂紋，這表明退火熱處理未使鈦管焊縫發生氧化、變形，焊縫得到了良好的保護。

圖3為退火前后焊接接頭顯微組織，圖3a、b為退火前焊接接頭顯微組織。可發現退火前焊縫中存在較多的不規則鋸齒狀α相組織與針狀組織，與文獻[18]觀察到的一致，這歸因于鈦熔點高且導熱性差，焊接時在高溫停留時間較長，晶粒發生明顯長大，組織中呈現有很多鋸齒與不規則的邊界，而針狀組織則是由于焊接速度快，焊后快速冷卻形成的馬氏體組織。圖3c、d則顯示，經過800℃退火處理后鋸齒狀與針狀組織消失，取而代之的是多邊化等軸的均勻晶粒組織，且焊縫處晶粒明顯大于母材晶粒。

使用掃描電鏡進一步對高頻焊接鈦管焊縫進行觀察。圖4是退火前后焊接接頭SEM圖，圖4a、b為退火前焊接接頭形貌?？芍附咏宇^主要由不規則鋸齒狀組織與針狀組織組成，針狀組織隨機分布在每個晶粒內部，長短粗細不一。圖4c、d為經過800℃退火后焊接接頭形貌?？梢钥吹剑宇^中的針狀組織已經完全消除，鋸齒狀組織也轉變為大小不一的等軸狀粗大晶粒組織。焊接過程中焊接接頭出現針狀組織主要原因是純鈦在882 ℃以上為體心立方的β相，β相在快速冷卻時來不及通過擴散轉變成平衡的α相，β相中原子只能通過集體的進程遷移，發生切變相變，形成了α穩定元素過飽和的固溶體，即馬氏體，由于呈針狀，又稱針狀馬氏體。將焊管加熱至一定溫度并保溫一段時間，隨后爐冷，緩慢的冷卻速度能使組織中高溫下β相通過擴散轉變成平衡的α相，而不是發生馬氏體相變，因此接頭中針狀與粗大鋸齒狀組織轉變為等軸狀組織。

圖5為鈦焊管退火前后焊縫的成像質量圖與晶粒取向分布圖。圖5a為未退火處理焊縫處成像質量圖，焊縫由粗大的鋸齒狀組織與部分針狀組織組成。圖5b為未退火處理焊縫處晶粒取向圖。圖左側為靠近母材熱影響區，右側為靠近焊縫中心熱影響區，熱影響區由不規則鋸齒狀組織組成，每個晶粒內部色彩皆差異較大，這是因為焊接完成后為避免焊縫在高溫停留時間過長，冷卻速度較快，產生了較大的熱應力，導致晶粒中部分晶格發生了畸變。晶粒大小分布不均勻，左側靠近母材區域晶粒尺寸較小，右側靠近焊縫區域晶粒尺寸較大，這是由于焊接時靠近焊縫區域受到焊接熱循環作用，溫度升高，晶粒發生明顯長大，大于左側晶粒。在鋸齒狀晶粒內部出現部分針狀組織，這些針狀組織只存在于晶粒內部，不穿過晶界，且大多成束地存在，這與前面金相組織中觀察到的實驗現象一致。圖5c是退火后的成像質量圖，可知經過退火后焊縫組織粗大，清晰，多邊化明顯，未能觀察到鋸齒狀和針狀組織。圖5d為經過800℃退火處理后焊縫處晶粒取向圖，圖中分布著大小不一的等軸狀組織，針狀組織消失，每個晶粒內部顏色十分均勻，并無明顯差異，這是由于在退火處理過程中，在晶粒內部由熱應力導致的高密度位錯。通過位錯的滑移與原子的重新排布顯著降低，晶界也變得相對平整，且晶粒內部取向一致。晶粒發生長大現象，大小不一，但明顯大于退火前晶粒。

利用EBSD軟件計算取向圖中每個晶粒的尺寸大小，得到了退火前后不同大小晶粒占比和分布情況（圖6）。由圖6a可知，退火前晶粒平均直徑較小，中位直徑僅為3.96 μm，絕大部分晶粒直徑在10 μm以下，大尺寸晶粒非常少，最大晶粒直徑不到40 μm。如圖6b所示，在經過800 ℃退火處理后，晶粒明顯長大，中位直徑為50.62 μm，直徑為39 μm與51 μm晶粒各占12%，直徑為61 μm晶粒占26%，最大晶粒直徑達到114.8 μm，小尺寸晶粒非常少，晶粒大小分布更加分散。

2.2 退火對焊管力學性能的影響

圖7為退火前后焊接接頭顯微硬度分布，可見焊接接頭硬度沿焊縫位置呈對稱分布，退火前接頭中焊縫區域硬度最低，為188.4 HV，母材次之，熱影響區的硬度最高，達到224.1 HV。在經過800 ℃退火處理后，焊接接頭所有區域硬度值均在180 HV以下，且各區域硬度值接近一致，焊縫中心處的硬度值略低，為165.7 HV。根據位錯理論，組織中晶粒越細小，則晶界越多，而晶界對位錯運動具有強烈的阻礙作用[15]，因此材料強度越高。在經過退火處理后，晶粒發生了長大，導致焊縫的強度降低，進而引起材料的塑性變形抗力減弱，硬度值降低；其次在未退火焊接接頭熱影響區中存在著大量針狀馬氏體組織，導致接頭硬度值顯著上升[16-17]，在經過退火后焊接接頭組織中針狀馬氏體消除，硬度值降低。在晶粒大小與針狀馬氏體這兩個因素共同作用下，退火后焊接接頭各區域硬度值顯著降低。

圖8為退火前后焊接接頭抗拉強度與斷口伸長率。退火前焊接接頭抗拉強度為480.9 MPa，伸長率僅為4%；在經過800℃退火處理后，焊接接頭抗拉強度為439.2 MPa，為未退火的91.6%，斷后伸長率18%，是未退火的4.5倍。退火熱處理后焊接接頭抗拉強度下降主要由于熱處理使焊縫高強度的針狀馬氏體組織消失，同時晶粒長大，晶界面積減少，使得變形時位錯運動容易[18]，從而導致焊縫抗拉強度下降。由于退火后焊縫中針狀馬氏體完全消除，接頭由等軸狀組織組成，塑性增加，因此伸長率明顯提升。

圖9為退火前后焊接接頭拉伸試樣斷口形貌。圖9a和圖9b顯示未退火的焊接接頭發生了明顯的解理斷裂，斷口為典型的解理特征。解理裂紋形成過程中促使二次裂紋的形成。這是由于組織中針狀馬氏體的存在對位錯運動產生阻礙作用，導致塑性變形難以進行，最終發生了解理斷裂。圖9c和圖9d顯示的是退火處理后焊縫斷口形貌，可知焊縫斷口分布大量的撕裂韌窩，是典型的韌性斷裂特征。這是在拉應力作用下材料內部通過微孔聚合、長大而形成撕裂韌窩，也是退火后焊接接頭塑性顯著提升的主要原因。

3 結論

1）對高頻感應焊薄壁鈦管進行800℃氣體保護退火，退火后，焊管顏色未發生變化，呈銀色，外觀良好，未出現變形。

2）退火前焊縫組織由不規則鋸齒狀組織與針狀組織組成，晶粒內部存在各向異性，晶粒尺寸較小，退火處理后針狀組織消除，鋸齒狀組織轉變等軸狀組織，晶粒內部取向一致且明顯長大。

3）退火前焊接接頭硬度呈對稱分布，焊縫的硬度最低，為188.4 HV，母材次之，熱影響區的硬度最高，達到224.1 HV。退火后焊接接頭所有區域硬度值均在180 HV以下，且各區域硬度值接近一致，焊縫中心處的硬度值略低，為165.7 HV。退火前焊接接頭抗拉強度為480.9 MPa，伸長率4%，退火后抗拉強度為439.2 MPa，伸長率18%，接頭抗拉強度下降，但伸長率明顯上升，綜合力學性能有明顯的提升。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］PASANG T，PRAMANA S，KRACUM M，et al. Characterisation of intermetallic phases in fusion welded commercially pure titanium and stainless steel 304[J]. Metals， 2018， 8（11）： 863.

[2] BENDIKIENE R，BASKUTIS S，BASKUTIENE J，et al. Comparative study of TIG welded commercially pure titanium[J]. Journal of Manufacturing Processes， 2018， 36： 155-163.

[3] ZHANG W D，ZHAO G Q，FU Q J. Study on the effects and mechanisms of induction heat treatment cycles on toughness of high frequency welded pipe welds[J]. Materials Science And Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure And Processing， 2018， 736： 276-287.

[4] 李鎮，石巖，劉佳，等. 工藝參數對工業純鈦激光焊接接頭組織性能的影響[J]. 應用激光， 2016， 36（01）： 53-57.

[5] 劉茵琪，賈祥亞，曹恒，等. 薄壁純鈦焊管的性能研究[J]. 材料開發與應用， 2013， 28（04）： 1-6.

[6] 李長江. 中國鈦焊管行業發展現狀分析[J]. 世界有色金屬， 2013（08）： 20-23.

[7] 林永新. 鈦及鈦合金管材生產技術現狀[J]. 稀有金屬快報， 2005（02）： 1-2.

[8] 周磊磊. 焊接速度對TA2工業純鈦激光焊接接頭性能的影響[J]. 機械工程材料， 2018， 42（11）： 32-36.

[9] 周軍，梁武，張春波，等. TC17鈦合金線性摩擦焊接頭組織及力學性能分析[J]. 焊接學報， 2020， 41（05）： 36-41.

[10] 王超，謝志雄，羅平，等. 0.3 mm厚316奧氏體不銹鋼的高頻感應焊接技術[J]. 材料導報， 2021， 35（22）： 22 132-22 136.

[11] 施春華. 不銹鋼管高頻感應焊接的探討[J]. 焊管， 2017， 40（12）： 40-43.

[12] 何逸凡，陳東高，張龍，等. TC4鈦合金MIG焊接頭熱處理后組織性能研究[J]. 鋼鐵釩鈦， 2021， 42（06）： 164-170.

[13] 廖晨雅，黎姝洵. TiAl合金建筑材料焊后熱處理組織及性能研究[J]. 鋼鐵釩鈦， 2021， 42（06）： 184-190.

[14] 魏海榮. 鈦及鈦合金講座（第六章）[J]. 稀有金屬合金加工， 1978（05）： 54-90.

[15] 鄒章雄，項金鐘，許思勇. Hall-Petch關系的理論推導及其適用范圍討論[J]. 物理測試， 2012， 30（06）： 13-17.

[16] LI C，MUNEHARUA K，TAKAO S，et al. Fiber laser-GMA hybrid welding of commercially pure titanium[J]. Materials amp; Design， 2009， 30（01） ：109-114.

[17] 黃九齡，孔諒，王敏，等. 純鈦TA2薄板雙鎢極氬弧焊焊接工藝[J]. 焊接學報， 2019， 40（09）： 14-18.

[18] 崔麗，李曉延，賀定勇，等. 工業純鈦光纖激光MIG復合焊接工藝及性能[J]. 焊接學報， 2009， 30（11）： 33-36.

Microstructure and Properties of High Frequency Induction Welded TA2 Titanium Tube after Annealing

CHEN Qi1，2， XIE Zhixiong1，2， DONG Shijie1，2，3， XIE Jianying4

（1 School of Materials and Chemical Engineering， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China;2 Hubei Longzhong Laboratory， Xiangyang 441000，China;3 School of Mechanical Engineering， Wuhan Polytechnic University， Wuhan 430023， China;4 Wuhan Botal New Materials Technology Co Ltd， Wuhan 430058， China）

Abstract： The effect of post welding annealing on microstructure and mechanical properties of titanium welded tubes with wall thickness of 0.5 mm was studied by high frequency induction welding. After annealing at 800℃， the results show that the appearance color of the titanium welded pipe has no change; the microstructure of the welded joint changes from a dentate serration like α' phase to equiaxed microstructure; the internal grain orientation is consistent， the grain grows significantly， and the distribution of hardness values in each area of the welded joint is more even and decreases significantly. The tensile strength and elongation of the welded joint before annealing are 480.9MPa and 4%， respectively. The tensile strength and elongation of the welded joint after annealing are 439.2 MPa and 18%， respectively. The fracture features of the welded joint have obvious ductile fracture characteristics， and the comprehensive mechanical properties have been improved obviously.

Keywords： thin titanium welded pipe; annealing; microstructure; mechanical properties

［責任編校： 張 眾］

［收稿日期］ 2022-04-06

［基金項目］ 國家自然科學基金（51771071）；湖北省國際科技合作項目（2022EHB022）； 湖北隆中實驗室自主創新項目（2022ZZ-17）

［第一作者］ 陳 琪（1997-），男，湖北孝感人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為鈦管高頻感應焊。

［通信作者］ 謝志雄（1976-），男，湖北咸寧人，湖北工業大學副教授，研究方向為產氫鋁合金的制備、產氫機理、薄壁金屬管高頻焊接。