冷軋加工對工業純鈦板焊縫組織與性能的影響

吳曉東，高維娜，付文杰，唐長斌，戴 毅，李 輝，張 清，呂利強

(1.西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)

(2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710043)

冷軋加工對工業純鈦板焊縫組織與性能的影響

吳曉東1，高維娜1，付文杰1，唐長斌2，戴 毅1，李 輝1，張 清1，呂利強1

(1.西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)

(2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710043)

采用等離子弧焊將兩張3.5 mm厚純鈦板對焊，然后在1 780 mm冷軋機上依次進行變形量為43%、50%的冷軋加工，且冷軋后均進行退火處理。對兩個軋程的冷軋態及退火態焊縫試樣進行了金相顯微組織觀察;對兩個軋程退火態試樣進行了室溫力學性能及硬度測試;對退火態成品母材區和焊縫加工區進行了杯突試驗和在3.5%NaCl水溶液中的陽極極化試驗。結果表明，兩次冷變形板材退火后焊縫加工區晶粒尺寸均比母材區略微細小，強塑性略好一些，維氏顯微硬度也稍高一些;成品板材焊縫加工區的延伸率與母材相差不大，杯突值相近，具有與母材相當的工藝性能;成品板材焊縫加工區的陽極極化行為與母材無明顯差異，二者在3.5%NaCl水溶液中的耐腐蝕性基本一致。

純鈦;等離子焊;冷軋;顯微組織;極化曲線

0 引言

工業純鈦在氧化性及中性介質中具有優異的耐腐蝕性能，已經廣泛應用于石油化工、制鹽等各個領域［1－3］。有文獻報道［4］，工業純鈦經氬弧焊后焊縫處會存在熔池區、熱影響區，這兩個區域組織與母材組織有很大的不同，同時熔池區和熱影響區會發生優先腐蝕現象。而等離子焊接具有能量密度高、線能量大、效率高等優點，用該方法焊接純鈦板，能夠克服用單道鎢極氬弧焊焊接時因為鎢極距離熔池較近而可能發生的鎢極熔蝕，使焊縫滲入鎢夾雜物等缺點。

西部鈦業有限責任公司板帶廠卷材生產線采用片材拼焊技術制作鈦卷材，因而在冷軋卷材產品中會有若干條變形焊縫，這些變形焊縫能否同卷材其他部位一起正常使用對卷材的使用率有著重要影響。本研究對焊縫加工區與母材區組織、性能進行研究，旨在為拼焊卷材的生產使用提供借鑒。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料為3.5 mm厚工業純鈦板，牌號為TA1，其化學成分見表1。

表1 工業純鈦板材的化學成分(w/%)Table 1 Chemical composition of the CP TA1 sheet

1.2 實驗方法

采用Nertamatic 450自動等離子焊接機，將兩塊退火態純鈦板焊接成一整張尺寸為3.5 mm×1 350 mm×1 520 mm的冷軋板坯。采用XXH2005 X射線探傷儀對焊接后的試樣板焊縫進行無損探傷，并用金相顯微鏡觀察母材及焊縫顯微組織。經探傷檢驗合格的板坯在1 780 mm冷軋機上進行兩個軋程的冷軋加工:第一軋程變形量為43%，板材厚度減至2 mm，軋后進行680℃ ×30 min/AC退火處理;第二軋程變形量為50%，得到厚度為1 mm的成品板材，軋后進行650℃ ×30 min/AC退火處理。

對兩個軋程的板材焊縫加工區進行X射線無損探傷檢驗;對兩個軋程的冷軋態及退火態焊縫試樣進行金相顯微組織觀察;對兩個軋程退火態試樣進行硬度及室溫力學性能測試;采用美特斯ETC1604杯突試驗機，對退火態成品板材進行杯突試驗，考察工藝性能;采用PARSTAT-2273電化學綜合測試系統(參比電極選用飽和甘汞電極，輔助電極采用鉑電極，腐蝕液為3.5%NaCl水溶液)，對退火態成品板材進行陽極極化測試，考察耐腐蝕性能。

2 結果與討論

2.1 焊縫無損探傷及金相組織

經X射線探傷檢測，3.5 mm厚純鈦板坯焊縫、第一軋程冷變形后的焊縫加工區及第二軋程冷變形后的焊縫加工區均未發現缺陷，焊縫質量符合JB/T 4730.2標準Ⅰ級要求。

圖1為純鈦板坯焊縫區的金相照片。從圖1可以看出，純鈦經等離子焊接后，母材區、熱影響區、熔池區金相組織有很大差異。與母材區相比，熔池區晶粒粗大，而熱影響區晶粒尺寸介于母材區和熔池區之間。在純鈦焊接過程中，由于高溫停留時間較長，所以熔池區組織明顯粗大。從圖中還可以看出，采用等離子弧焊的焊縫金相組織中沒有雜質等缺陷，焊縫質量良好。

圖1 母材區、熱影響區及熔池區金相組織×100Fig.1 Metallographs of parent metal area，heat affected zone and pool area

圖2和圖3分別為43%、50%變形后板材焊縫加工區冷軋態及退火態金相照片。從圖中可以看出，經過冷軋加工后，焊縫加工區(熱影響區及熔池區)與母材區組織差別不大，晶粒全被破碎并呈現出纖維狀(圖2a和圖3a);冷軋加工板材經過退火后，焊縫加工區與母材區晶粒全部等軸化，并且可看出焊縫加工區晶粒尺寸比母材區略微細小(圖2b和圖3b)。

2.2 維氏顯微硬度

圖4 43%變形后板材退火態維氏顯微硬度Fig.4 Hardenss of annealed after 43%working

圖4為先后經過43%、50%變形量冷軋加工板材退火態的維氏顯微硬度。從圖4a可以看出，經43%變形量加工后的板材，母材區維氏顯微硬度在1 200～1 240 MPa之間，而焊縫加工區硬度在1 300～1 380 MPa之間。硬度大小與兩個區域晶粒尺寸有關，晶粒越大，硬度越小。焊縫加工區晶粒尺寸比母材區略微細小，因而硬度稍高一些。經50%變形量冷軋加工板板退火態維氏顯微硬度(圖4b)也表現出相似的特征。

2.3 力學性能及工藝性能

表2為等離子弧焊后焊縫區試樣、經過43%變形量母材及焊縫加工區退火態試樣、50%變形量母材及焊縫加工區退火態試樣的室溫力學性能。從表2可看出，未經過軋制的焊縫試樣與經過冷變形的焊縫試樣(退火態)的抗拉強度接近，但是由于焊縫區是鑄態組織，其屈服強度與延伸率較之其他試樣有明顯的差異。對比兩個軋程冷加工后焊縫加工區及母材區試樣(退火態)的力學性能發現，焊縫加工區的強塑性比母材區的略好一些。這是因為兩個區域的金相組織略有差異，焊縫加工區α相等軸晶晶粒較母材區略小。同時，經兩次冷變形退火后無論焊縫加工區還是母材區的強度，均略高于一次冷變形的，這也與冷變形次數越多晶粒尺寸越小有關。

表2 焊接工業純鈦板的力學性能Table 2 The mechanical properties of specimens

圖5為杯突試驗后的母材樣與焊縫加工區試樣，表3為母材樣與焊縫加工區試樣的杯突值。可以看出，焊縫加工區的杯突值與母材的杯突值相當。這說明焊縫加工區具有與母材相當的工藝性能。

圖5 杯突試驗后試樣的形貌Fig.5 Shape of specimen after cup drawing test

表3 母材及縫加工區試樣的杯突值Table 3 Cup drawing value of parent metal specimen and welding area specimen

2.4 陽極行為

單純的等離子焊縫由于其冶金結構上的改變及殘存應力的存在，導致焊縫處金屬顯微結構的差別，進而引起這些不同區域之間電化學電位的不同，加速了材料的腐蝕［5］。

圖6為焊縫加工區試樣與母材的陽極極化曲線。從圖6可以看出，兩者的自腐蝕電位差異較小。焊縫加工區試樣的自腐蝕電位為－297 mV，而母材的自腐蝕電位為－334 mV，較焊縫加工區試樣略低。而陽極極化曲線直觀地顯示出工業純鈦板材具有較強的鈍化能力，母材和焊縫加工區試樣發生陽極極化時，均經過一段活性溶解(二者基本重合，塔菲爾外推法計算的自腐蝕電流在誤差范圍內無明顯差異)后迅速進入陽極鈍化區，雖然鈍化曲線上存在差異，但鈍化區范圍基本一致。這是因為焊縫加工區經退火后，殘余應力得到消除，顯微組織與母材基本一致。

圖6 焊縫加工區試樣與母材的陽極極化曲線圖Fig.6 The anode polarization curves of parent metal specimen and welding area specimen

3 結論

(1)等離子焊接后的純鈦板及兩次冷變形退火后的純鈦板，其焊縫質量均符合JB/T 4730.2標準Ⅰ級要求。

(2)兩次冷變形板材退火后焊縫加工區晶粒尺寸均比母材區略微細小，強塑性略好一些，維氏顯微硬度也稍高一些。

(3)經兩個軋程冷加工變形退火后，板材焊縫加工區的延伸率與母材相差不大，杯突值相近，具有與母材相當的工藝性能。

(4)焊縫加工區陽極極化行為與母材無明顯差異，二者在3.5%NaCl水溶液中的耐腐蝕性基本一致。

［1］李明利，舒瀅，馮毅江，等.我國鈦及鈦合金板帶材應用現狀分析［J］.鈦工業進展，2011，28(6):14－17.

［2］王非.我國海水淡化的現狀與鈦的應用［J］.鈦工業進展，2013，30(5):6－12.

［3］徐慶，許榮萍，劉寶忠.鈦制設備在工業中的應用［J］.鈦工業進展，2009，26(2):40－43.

［4］譚立軍，姚澤坤，李輝，等.純鈦焊件焊縫組織細化的熱加工工藝研究［J］.金屬鑄鍛焊技術，2008，37(19):28－30.

［5］賴春曉.焊縫腐蝕的原因和解決方法［J］.全面腐蝕控制，2004，18(6):10－12.

Effect of Cold Deforming on Microstructures and Properties of Commercial Pure Titanium Plates Welds

Wu Xiaodong1，Gao Weina1，Fu Wenjie1，Tang Changbin2，Dai Yi1，Li Hui1，Zhang Qing1，Lü Liqiang1
(1.Western Titanium Technologies Co.，Ltd.，Xi’an 710201，China)
(2.Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710043，China)

Pure titanium sheets of 3.5 mm thick were welded by plasma arc welding and cold rolled with 1 780 mm roller and then annealed.The sheets were first cold deformed by 43%and annealed，then cold deformed by 50%and annealed.Metallographs of welds after each rolling and annealing process were observed.Vickers hardness and mechanical properties at room temperature of welding area and base material after each annealing process were also investigated.Cup drawing tests and anodic polarization tests in 3.5%NaCl solution of base material and welding area of second annealing process were applied.The results show that the grain size of welding area after each annealing process was smaller compared with base material，while the strength，ductility and vickers hardness were little better than base material.After second rolling and annealing process，the elongation and cup-drawing value of welding area were close to base material.And the behavior in the anodic polarization tests of welding area were similar to base material，the corrosion resistance of base material and welding area in 3.5%NaCl solution were basically consistent.

commercial pure titanium;plasma arc welding;cold rolling;microstructure;polarization curve

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.02.007

2014－02－12

吳曉東(1984—)，男，工程師。