BT22高強鈦合金電子束焊接工藝研究

羅添元，周琦，彭勇，郭順，向陽

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

BT22鈦合金是俄羅斯研制的高強鈦合金，中國的牌號是TC18。其名義成分為Ti5Al5Mo5V1Cr1Fe，是一種α+β雙相鈦合金，合金相變點在850 ℃～870 ℃。其綜合性能優(yōu)異，特點是強度高、斷裂韌性高并且具有較高的淬透性。BT22鈦合金是目前代表國際先進水平并在飛機上獲得實際應用的高強鈦合金之一，適于作為大型厚截面航空構(gòu)件,特別適用于制造飛機機身及起落架結(jié)構(gòu)的大型鍛件[1]，是飛機特殊承力部件的優(yōu)選結(jié)構(gòu)材料[2]。真空電子束焊接作為一種高能束焊接技術，已經(jīng)廣泛應用于航空材料的焊接,其焊接接頭具有深寬比大、熱影響區(qū)窄、變形小等優(yōu)點[3-4]。但是電子束焊接同樣是一個復雜的熱物理化學冶金過程，會造成焊接接頭部位材料組織和力學組織性能的不均勻性[5]。本文通過對BT22電子束焊接工藝研究，分析了不同工藝條件下焊縫的宏觀形貌、微觀組織和力學性能，可以為TB22鈦合金電子束焊接工藝的選擇提供合理的依據(jù)并應用于實際生產(chǎn)中。

1 試驗方法

取2塊70mm×35mm×4mm的BT22焊接試板，并做焊前打磨、酸洗，電子束沿2塊試板對接的中心線施焊。

實驗采用真空電子束焊機(ZD60-6A 5001型)。電子束參數(shù)設定：高壓U=-60 kV，燈絲設定I燈=650 mA，運動速度v=3 mm/s,工作距離D=295mm。通過調(diào)節(jié)焊接束流Ib，調(diào)整聚焦電流If，研究工藝參數(shù)對BT22電子束焊接宏觀形貌的影響，從而確定出合適的工藝參數(shù)值。從焊接試板上線切割切取試樣在真空爐中進行焊后退火處理，觀察比較焊態(tài)和退火態(tài)不同條件下焊接接頭的金相組織。

金相試樣制備過程包括線切割、砂紙打磨和拋光，拋光采用W1金剛石研磨膏。腐蝕液為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7，在OLYMPUS GX41倒置光學顯微鏡下觀察顯微組織并照相。實驗用HVS-1000Z數(shù)顯顯微硬度計對焊接試樣進行顯微硬度測試。室溫拉伸在SANS CMT 5105萬能試驗機上進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

根據(jù)鈦合金電子束焊接的線能量可以計算出所需束流的粗略值，為減少試驗次數(shù)，由正交試驗結(jié)果可以得到如下的參數(shù)值范圍。

1)束流Ib=24mA，If=678mA

從焊縫正反面宏觀焊縫成形情況可以看出焊件的成形情況較差，焊件焊接時飛濺較大，焊縫正面存在明顯的咬邊缺陷。由焊件反面可以看出焊縫已被焊漏。

2)束流Ib=23mA,If=681mA

焊接束流稍大，試板焊透，焊縫正面存在輕微咬邊缺陷。

3)束流Ib=22mA，If=680mA

焊縫仍不夠飽滿,但由焊縫反面可以得出焊件焊漏程度良好，可以初步認為為剛焊透情況。

4)束流Ib=21mA，If=680mA

由焊縫的正反面可以看出正面焊縫較寬，焊縫的成形較差，飛濺比較明顯，由反面可以看出焊件并未被焊透，電流偏小。

由以上試驗可以得到，Ib=22mA，If=680mA為最佳工藝參數(shù)值。

2.2 金相組織

采用Ib=22mA的焊板制作金相試樣進行金相觀察。金相試樣制備過程包括砂紙打磨和拋光，拋光采用W1金剛石研磨膏。腐蝕液為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7，在光學顯微鏡下觀察顯微組織，將未經(jīng)熱處理與熱處理狀態(tài)下的顯微組織進行對比。焊后熱處理制度為真空狀態(tài)下450 ℃退火處理。

圖1給出了BT22焊接接頭未經(jīng)熱處理狀態(tài)的顯微組織。焊縫區(qū)域的柱狀晶粗大較為明顯，焊縫附近晶粒粗化嚴重。焊縫組織為亞穩(wěn)態(tài)β相，由于電子束熱循環(huán)非常快，焊態(tài)下看不到晶粒析出。母材β晶粒內(nèi)存在著細小的網(wǎng)籃狀α片，被β晶粒包圍著。晶界α片較粗且有不同程度的斷續(xù)。熱影響區(qū)在焊接過程中的高溫下部分固溶，之前的α片輪廓變粗。

圖1 BT22電子束接頭焊態(tài)組織

圖2給出了BT22焊接接頭退火后的顯微組織。在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒中析出細小的α片，同一集束的α片的趨向為各向同性。具有強化和降低β過飽和的作用。母材的晶內(nèi)α片粗大。

圖2 TC18電子束接頭焊后退火組織

2.3 硬度試驗

對BT22對接束流Ib=22mA的退火處理后的試樣進行硬度試驗。試樣打點如圖3所示，沿圖3所繪1、2兩條線進行打點。實線1在垂直于焊縫上等間距打點，具體打點是按照點間距1mm，打點19個。實線2是在焊縫上等距離打點，點間距是0.5mm，打點7個。

圖3 打點區(qū)域

實線1硬度值的總體變化折線圖用origin制圖表示，如圖4所示。

圖4 垂直于焊縫上直線1硬度曲線

實線2硬度值的總體變化折線圖(從正面到反面，正面距離為正)用origin制圖表示，如圖5所示。

圖5 焊縫上直線2硬度曲線

由圖5可以看出焊縫處硬度值在275 HV1左右，BT22鈦合金母材的硬度值高于焊縫區(qū)域。

2.4 拉伸性能

從參數(shù)Ib=22mA退火后的焊接試板上取2個拉伸試樣進行拉伸性能測試。由于BT22鈦合金硬度較高，拉伸試驗機上的普通夾具無法裝夾，設計了一套夾具滿足試驗要求。拉伸試樣也與普通的試樣不同,如圖6所示。

圖6 夾具與拉伸試驗

拉伸試驗結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸試驗結(jié)果

將2次經(jīng)過熱處理的拉伸試驗得到的抗拉強度取平均值，得到接頭平均拉伸性能為938.4MPa。

3 結(jié)語

1)由焊縫的宏觀形貌可以獲得最佳的焊接工藝參數(shù)為高壓U=-60 kV，燈絲設定I燈=650 mA，運動速度v=3mm/s,工作距離D=295mm，電子束流Ib=22mA，聚焦電流If=680mA。

2)焊后熱處理可以改善焊縫的組織, 在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒中析出細小的α片，同一集束的α片的趨向為各向同性。α片具有強化和降低β過飽和的作用。母材的晶內(nèi)α片粗大。

3)焊后熱處理的BT22鈦合金母材的硬度值高于焊縫區(qū)域。接頭平均拉伸性能為938.4 MPa。

[1] 王金雪,袁鴻,余槐,等. 冷卻速度對TC18鈦合金焊接熱模擬均溫區(qū)組織和性能的影響[J]. 航天制造技術,2008(3):19-21.

[2] 中國航空信息中心《世界飛機手冊》編寫組．世界飛機手冊2000[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[3] 戚云蓮,洪權,劉向,等. 鈦及鈦合金焊接技術[J]. 鈦工業(yè)進展,2004,21(6):25-29.

[4] 王亞軍. 電子束焊接技術在航空工業(yè)中的應用[J]. 航空制造技術,2004(增刊):20-25.

[5] 高瑩，于順兵，李德富，等. 熱處理制度對TB2鈦合金焊接接頭性能的影響[J]. 稀有金屬，2005，29(5):631-634.