焊接熱輸入對TC4鈦合金TIG焊接頭組織和性能的影響

韓 旭，董俊慧，高曉剛

（內蒙古工業大學材料科學與工程學院，內蒙古呼和浩特010051）

焊接熱輸入對TC4鈦合金TIG焊接頭組織和性能的影響

韓 旭，董俊慧，高曉剛

（內蒙古工業大學材料科學與工程學院，內蒙古呼和浩特010051）

觀察不同焊接熱輸入條件下TC4鈦合金TIG焊接頭的微觀組織特征，分析接頭力學性能、顯微硬度及斷口形貌。結果表明，焊縫主要為針狀α'馬氏體組成的網籃組織，未發現其他生成相。熱影響區主要為α+β+α'，且越靠近焊縫的熱影響區晶粒越粗大，晶內馬氏體越多、越密集。針狀α'相尺寸隨焊接熱輸入的增大而增大，馬氏體取向亦更加混亂。接頭抗拉強度隨焊接熱輸入的增大而增大，在1 144 J/mm時達到912 MPa。不同焊接熱輸入下的接頭硬度值隨距焊縫中心距離的增大先降低后升高，并在距焊縫中心3～5 mm的粗晶區存在一軟化區。隨著焊接熱輸入的增大，接頭平均硬度值增大，且軟化區向母材方向偏移。TC4鈦合金TIG焊接頭的斷裂方式屬于脆性斷裂。

TC4鈦合金；TIG；顯微組織；顯微硬度

0 前言

TC4（Ti-6Al-4V）是20世紀50年代發展起來的一種中等強度的雙相鈦合金，它具有比強度高、高溫蠕變性能好和耐腐蝕性好等優點，被廣泛應用于航空航天、船舶、汽車及化工等領域[1]。目前，TC4鈦合金產量占鈦合金總產量的一半以上，其中飛機機尾罩、發動機防護裝置，及深潛器耐壓球殼體的觀察窗、密封艙口等均采用了鈦合金焊接結構。鈦合金導熱系數小且高溫下較活潑，在焊接過程中隨著焊接熱輸入的增大，會導致接頭組織粗大[2]，從而造成接頭脆化，降低焊接接頭質量，限制其在實際生產中的應用。

針對鈦合金接頭組織粗化問題，研究者提出了活性TIG、脈沖TIG及電弧超聲TIG焊等焊接工藝[3-7]，細化晶粒，從而提高接頭質量。本研究采用不同焊接熱輸入對TC4鈦合金進行TIG焊接，從組織的角度分析討論不同焊接熱輸入對接頭組織和性能的影響，以便為焊接工藝參數優化提供試驗指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及工藝參數

選用200 mm×100 mm×3 mm的TC4鈦合金板材，化學成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金化學成分％

試板不開坡口對接，TIG焊接選用直流正接，噴嘴直徑為15 mm，噴嘴高度2 mm，電極選用直徑2.5 mm的鈰鎢極。焊接速度2 mm/s，保護氣體為99.9％的純氬氣，氬氣流量25 L/min，填充材料取自母材，焊接參數如表2所示。

表2 TC4鈦合金TIG焊接參數

1.2 焊前處理及試樣制備

使用砂紙打磨試板的對接面及上下表面，去除表面氧化膜，再用丙酮擦拭材料表面，除去表面的水、油污及雜質。

利用線切割機將接頭加工成20 mm×15 mm× 3 mm的試樣，對試樣進行粗磨、精磨、粗拋及精拋處理后，選用腐蝕劑1％HF+1.5％HCl+2.5％HNO3+95％ H2O對試樣進行腐蝕處理，采用蔡司光學顯微鏡觀察分析接頭組織。利用日本理學D/MAX-2500/PC型X射線衍射儀對接頭進行物相分析，將腐蝕后的金相試樣進行再拋光處理，并放置在測試架上，測量角度10°～90°。

2 試驗結果與分析

2.1 TC4鈦合金母材微觀組織

TC4鈦合金室溫狀態下的組織如圖1所示，由等軸狀的α相（白色）與β相（黑色）混合組成的雙相組織，二者相互交錯分布。

圖1 母材微觀組織

2.2 接頭組織微觀形貌

TC4鈦合金TIG焊接頭微觀組織形貌見圖2。

圖2 接頭微觀組織形貌

由圖可知，焊縫與熱影響區晶粒較母材長大明顯，且接頭被分為焊縫（WM）、熔合區（FZ）、熱影響區（HAZ）及母材（BM）四個區域，其中根據晶粒長大程度又可將熱影響區分為粗晶區（CGR）和細晶區（FGR）。焊縫主要由針狀馬氏體組成的網籃組織構成，由于電弧能量的不均勻性，焊縫β晶粒及晶內馬氏體尺寸較其他區域更加粗大。熱影響區組織主要為α＇+β+α，與焊縫相比，熱影響區馬氏體更少且更細小。

2.3 不同焊接熱輸入條件下焊接接頭微觀組織演變過程

不同焊接熱輸入下的接頭微觀組織如圖3～圖5所示。可以看出，晶粒逐漸變大，且焊縫和熱影響區晶粒長大明顯，熱影響區明顯被分為細晶區和粗晶區，在焊縫處能夠清晰看到針狀馬氏體組成的網籃組織以及粗大的β柱狀晶邊界，并且隨著焊接熱輸入的增大，熱影響區粗晶區寬度和β晶粒尺寸均有增大趨勢，焊縫馬氏體也有長大傾向，且馬氏體形態發生了變化[8-9]。由于焊接過程中電弧周圍能量分布不均勻，從而使接頭處不同區域的晶粒長大程度不同，其中熱影響區與焊縫的晶粒長大比較明顯，母材中的等軸晶粒消失。圖3為70 A時的接頭微觀組織，焊縫β晶粒尺寸較其他區域長大明顯，焊縫主要由短而寬的馬氏體組成；熱影響區β晶粒尺寸隨著距焊縫中心距離的增大而減小，主要為α＇+β+ α，由于熱影響區受電弧影響較焊縫小，因此晶內馬氏體尺寸小于焊縫馬氏體。圖4為100A時的接頭微觀組織，焊接熱輸入的增大使焊縫高溫β晶粒尺寸隨之增大，晶內馬氏體尺寸增大且分布更加混亂；熱影響區寬度較70 A時有所增大，平均晶粒尺寸大于70 A時熱影響區平均晶粒尺寸。圖5為130A時的接頭微觀組織，隨著焊接熱輸入的繼續增大，焊縫β晶粒尺寸進一步增大，晶內主要由尺寸更大的長板條狀馬氏體組成；熱影響區寬度繼續增大，晶內馬氏體更多。在焊接熱循環的作用下，焊縫金屬達到了相變點（α+β）/β，此時α+β轉變為高溫β相，在隨后的冷卻過程中，高溫β相通過非擴散切變的方式轉變為α＇，這是由于呈體心立方結構的β與呈密排六方結構的α＇保持著伯格斯關系，α＇晶胞的（0001）α＇面平行于β晶胞的（011）β面，且α＇晶胞晶向平行于β晶胞的晶向，其中α＇晶胞尺寸為：a=0.293 nm，c=0.467 5 nm[10]。熱影響區主要為α＇+β+α，這是因為雙相鈦合金從β相區和接近（α+β）/β相變點的高溫淬火均能生成α＇，在焊接過程中，熱影響區加熱到α+β雙相區，部分α轉變為高溫β，又由于熱影響區冷卻速度較焊縫區低，而且僅有部分α+β轉變為β相，因此熱影響區的α＇比焊縫中的α＇更少、更細小，且與遠離焊縫的熱影響區相比較，靠近焊縫熱影響區溫度更高，發生馬氏體相變的β更多，高溫停留的時間較長，靠近焊縫的熱影響區晶粒更加粗大，馬氏體更多、更密集。

圖3 電流為70 A時的接頭微觀組織

圖4 電流為100 A時的接頭微觀組織

圖5 電流為130 A時的接頭微觀組織

隨著焊接熱輸入的增大，熱影響區受熱源的影響越大，高溫停留的時間越長，β長大越充分。焊接熱輸入大小對焊縫中針狀馬氏體的尺寸和形態有影響。這是因為當焊接熱輸入小時，在冷卻過程中，較大的冷卻速度使β中的合金元素來不及擴散，從而切變為相互平行的一次α＇，隨后形成尺寸更細小的二次α＇，最終形成典型的網籃組織，這種組織方向性較好。當焊接熱輸入增大時，冷卻速度降低，焊縫金屬在高溫停留的時間變長，焊縫柱狀晶中的馬氏體得到了充分長大；此外，隨著焊接熱輸入的增大，熔池中合金元素燒損更加嚴重，從而提高了馬氏體開始轉變溫度Ms，最終使馬氏體更加粗大。隨著焊接熱輸入的增大，電弧對熔池的攪拌作用容易造成焊縫馬氏體的斷裂、破碎，從而增加更多的形核核心，在一定程度上導致馬氏體的分布更加混亂[11-12]。

2.4 焊縫的X射線衍射物相分析

對三組試樣的焊縫進行物相分析，所得結果相同。以試樣1為例，圖6為試樣1焊縫的X射線衍射圖譜。由圖6可知，焊縫區域基本為α＇，且未發現其他生成相。這是由于在冷卻過程中過快的冷卻速度使焊縫中高溫β相以無擴散切變的方式轉變為密排六方結構的α＇。理論上分析，焊縫金屬在快速冷卻條件下還會生成淬火ω及固溶度更高的α＇＇[13]，但在本試驗條件下并未生成這兩種相。

圖6 試樣1焊縫的X射線衍射圖

2.5 不同焊接熱輸入下接頭拉伸力學性能

不同焊接熱輸入下試件的抗拉強度如表3所示，拉伸試件均斷裂于熱影響區，抗拉強度隨著焊接熱輸入增大而增大，焊接熱輸入為1144J/mm時，抗拉強度達到最大值，但均未超過母材的930 MPa。這是由于經歷過焊接熱循環后，焊縫及熱影響區出現粗大的β柱狀晶組織，從而降低了接頭的塑性及韌性。

表3 接頭拉伸力學性能數據

2.6 不同焊接熱輸入下接頭顯微硬度

在不同焊接熱輸入條件下接頭顯微硬度的分布情況如圖7所示。由圖7可知，三組試樣接頭硬度值隨著距焊縫中心距離的增大呈先降低后升高的趨勢，即從焊縫中心到熱影響區，硬度值下降，從熱影響區到母材，硬度值上升，其中焊縫區域的硬度略大于母材硬度，且在距離焊縫中心3～5mm的粗晶區存在一個軟化區。這是由于在冷卻過程中焊縫區形成α＇，且焊縫區α＇數量多于熱影響區，加之電弧周圍能量的不均勻使粗晶區β晶粒尺寸明顯大于細晶區，故接頭硬度值先降低后升高。接頭平均硬度隨著焊接熱輸入的增大而增大，且軟化區也隨焊接熱輸入的增大而向母材方向偏移。這是因為焊接熱輸入影響焊接接頭晶粒在β相變點以上的高溫停留時間及冷卻過程中的冷卻速度。熱輸入小時，焊接接頭在高溫停留時間短，冷卻速度快，高溫β相在冷卻過程中轉變為短而寬的板條α＇。隨著焊接熱輸入的增加，接頭在高溫停留時間變長，冷卻速度變慢，高溫β相在冷卻過程中會轉變為尺寸更大的長板條狀α＇，從而導致接頭平均硬度值隨焊接熱輸入的增大而增大。又因為隨著熱輸入的增大，熱影響區寬度增大，即粗晶區寬度增大，從而使軟化區向母材方向移動。

2.7 不同焊接熱輸入下接頭斷口形貌分析

不同焊接熱輸入下的斷口形貌照片如圖8所示，從圖中可明顯地觀察到撕裂棱及淺小的韌窩，且斷口在沿晶解理面和解理臺階，說明TC4鈦合金TIG焊接頭的斷裂方式屬于脆性斷裂。

3 結論

（1）焊縫和熱影響區的晶粒較母材長大明顯。焊縫主要為針狀馬氏體組成的網籃組織，熱影響區主要為α+β+α＇，且靠近焊縫的熱影響區晶粒更粗大，晶內馬氏體更多、更密集。焊縫馬氏體尺寸隨焊接熱輸入的增大而增大，且馬氏體的取向較低焊接熱輸入時更加混亂。焊縫中基本為α＇，未發現其他生成相。

圖7 不同熱輸入條件下接頭顯微硬度分布

圖8 試件斷口形貌

（2）拉伸試件均斷裂于熱影響區的粗晶區，接頭的抗拉強度隨著焊接熱輸入的增大而增大，在1 144.41 J/mm時達到912 MPa。不同焊接熱輸入條件下的接頭硬度值隨著距焊縫中心距離的增大呈先降低后升高的趨勢，在距離焊縫中心3～5 mm的粗晶區存在一軟化區。接頭平均硬度值隨著熱輸入的增大而增大。軟化區隨著熱輸入的增大而向母材方向偏移。TC4鈦合金TIG焊接頭的斷裂方式屬于脆性斷裂。在保證焊透的情況下，選取較小的熱輸入，可以得到較好的組織狀態，有效防止接頭性能的降低。

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Effect of welding heat input on microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V joints welded by TIG

HAN Xu，DONG Junhui，GAO Xiaogang
（College of Materials Science and Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）

The microstructure of Ti-6Al-4V joints welded by TIG with different heat input was studied，the tensile properties and the microhardness of joints were investigated.The results revealed that microstructure of the weld consists of martensite like basket shape，there were not any other phases in it.Microstructure of HAZ consists of α+β+α＇，the grain of HAZ near weld were coarser，more martensite were in columnar crystal.Martensite increased with increasing of heat input，the orientation of martensite were more chaotic.The tensile strength of joints increased with increasing of heat input，and the tensile reached to 912 MPa when it is 1 141 J/mm. Microhardness of joints with different heat input increased after decreased with increasing of distance from the weld center line.A soft zone appeared in the CGR located about 3～5 mm from the weld center line.With increasing of heat input，the average microhardness of joints increased，and the soft zone moved in the direction of base metal.The tensile fracture behavior of joints by activating laser beam welding belonged to brittle fracture behavior.

Ti-6Al-4V alloy；TIG；microstructure；microhardness

TG444+.74

A

1001－2303（2016）12－0096-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.21

獻

韓旭，董俊慧，高曉剛.焊接熱輸入對TC4鈦合金TIG焊接頭組織和性能的影響[J].電焊機，2016，46（12）：96-100.

2016-05-04；

2016-08-25

國家自然科學基金項目（51165027）

韓旭（1990—），男，山西人，在讀碩士，主要從事焊接工藝與質量的研究工作。