電子束焦點位置對TC4板材焊接接頭顯微組織的影響

（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

鈦合金因密度低、比強度高、蠕變性好、熱穩(wěn)定性好及耐腐蝕而被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1—2]。在眾多的鈦合金中，TC4鈦合金應(yīng)用最為廣泛，其使用量超過鈦合金總量的50%[3]。TC4是一種中等強度的鈦合金，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的V和6%的Al，使得該合金具有優(yōu)異的綜合性能，非常適合使用在某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件上[4]，例如：航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇、壓力機(jī)盤葉片及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁等主要承力構(gòu)件。在焊接過程中，由于鈦合金容易被氧化生成一層致密的氧化膜，所以需要在保護(hù)氣體或真空下進(jìn)行焊接[5—7]。然而，如果使用傳統(tǒng)的焊接方法很難實現(xiàn)20 mm厚的鈦合金焊接，其主要原因是傳統(tǒng)的焊接方法能量密度低、熱影響區(qū)寬、工件變形大、易產(chǎn)生脆性相或者裂紋等[8]。

真空電子束焊因其具有焊接速度快、功率密度高、焊接能量集中、焊縫深寬比大、焊接焊件質(zhì)量好等優(yōu)點，非常適合焊接厚板鈦合金[9—10]，且由于焊接接頭的熱輸入小，所以焊件熱影響區(qū)較傳統(tǒng)焊接方法小很多，可保證焊接接頭的質(zhì)量[11—12]。在電子束焊接過程中，其工藝參數(shù)對焊接接頭的性能具有很大的影響。李娟[13]等研究了鈦合金電子束焊接組織演變規(guī)律，結(jié)果表明增大熱輸入會使晶粒和組織粗化，但可以減少組織不均勻性，而減小熱輸入會使組織晶粒細(xì)化，但不均勻性和氣孔數(shù)量增加。宮平[14]等采用正交實驗研究電子束工藝參數(shù)對焊縫形狀的影響，結(jié)果表明不同的聚焦電流對焊縫形狀影響較大，電子束流對焊縫的形狀影響較小，僅對焊縫整體大小有明顯影響。但是，其僅僅對焊縫形狀進(jìn)行了研究，并未對顯微組織進(jìn)行深入分析，因此，采用20 mm鈦合金板材進(jìn)行對接，研究不同焦點位置對焊接接頭顯微組織的分布規(guī)律，探討不同的焦點位置對接頭顯微組織的影響。

1 試驗

試驗材料為100 mm×40 mm×20 mm的 TC4板材，母材為固溶態(tài)。采用KS15-PN150KM真空電子束進(jìn)行對接，焊接加速電壓U為60 kV，工作距離為300 mm，為了減小焊接過程中由于受熱而產(chǎn)生對接間隙，在焊接前先使用小電流將表面封焊，然后再進(jìn)行焊接，通過測得表面聚焦電流為504 mA，其線能量為q=(60×U×Ib)/v，其中Ib為電子束流，v為焊接速度，工作參數(shù)見表1。焊接方向是沿板材軋制方向進(jìn)行，焊前對 TC4鈦合金進(jìn)行酸洗以去除表面氧化膜和油污，酸洗液采用體積分?jǐn)?shù)為 24% HCl+38%HNO3+11% HF+H2O（HCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.5%，HF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%），酸洗后用清水沖洗并吹干[15]。焊后，切取金相試樣并鑲嵌、磨制和拋光，然后用 20%HF+10% HNO3+70% H2O（HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～68%）溶液進(jìn)行腐蝕，采用 4XB-TV倒置金相顯微鏡對焊縫、熱影響區(qū)以及母材的顯微組織進(jìn)行金相觀察。通過觀察各區(qū)域的晶粒尺寸、晶粒梯度等，來揭示顯微組織轉(zhuǎn)變成形規(guī)律[15]。

顯微硬度測試采用 WT-401MVD型數(shù)顯顯微硬度計，以工件表面為零界面，沿熔深方向，分別在距焊縫上表面3, 9, 15 mm（分別代表頂部、中部、底部）處測試母材、熱影響區(qū)和焊縫的顯微硬度，分別代表焊縫頂部、中部、底部的顯微硬度，其測量焊縫頂部、中部和底部 3組顯微硬度數(shù)據(jù)，測試順序為母材-熱影響區(qū)-焊縫-熱影響區(qū)-母材。載荷為2 N，加載時間為10 s，相鄰點間隔為0.2 mm。

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1 Parameters of welding process

2 結(jié)果與分析

表面聚焦接頭顯微組織見圖1，其中a, b, c為焊縫上、中、底部區(qū)顯微組織。圖1a中含有大量α'，其排列致密整齊，晶粒較粗大，還有少量α相，圖1b中含有大量的α相，分布于焊縫中心，焊縫底部存在缺陷，且氣孔較大，組織不如頂部致密。其原因是在焊縫頂部，電子束直接打入，所以其溫度較高，持續(xù)時間較長，所以晶粒較大，在焊縫中部，熔池劇烈運動，其結(jié)晶形成晶粒細(xì)小，在焊縫中心出現(xiàn)等軸α相。在焊縫底部，由于鈦合金流動性較差，底部金屬未及時補充，導(dǎo)致在焊縫底部存在疏松、氣孔，組織不如頂部致密。圖1d, e, f為熱影響區(qū)上、中、底部的顯微組織。圖1d中含有大量馬氏體組織α'，對比圖1d, e, f中可以看出熱影響區(qū)頂部的板狀馬氏體組織較中部和底部大，由于冷卻速度直接影響馬氏體組織的厚度，冷卻速度越快，針狀馬氏體越細(xì)小，所以，熱影響區(qū)頂部冷卻速度較熱影響區(qū)中部和底部小。其冷卻速率的差異性可以這樣解釋：在熱影響區(qū)頂部，由于熱輸入量最多，且在高溫下停留時間較長，其熱影響區(qū)寬度大，溫度梯度也就小，而在熱影響區(qū)底部快速的熔化然后又快速的冷卻，其熱影響區(qū)較窄，溫度梯度大，所以其冷卻速率存在差異。在熱影響區(qū)中，由于冷卻速度不同，使得熱影響區(qū)顯微組織沿熔深方向呈現(xiàn)梯狀分布，頂部顯微組織較大，中部和底部組織較小，此外，熱影響區(qū)中部組織排列較底部整齊，組織最為致密。

其焊縫組織與熱影響區(qū)組織比較，發(fā)現(xiàn)焊縫中含有大量α相，而熱影響區(qū)幾乎都是板條狀或針狀馬氏體組織，其次，由于熔池的流動，焊縫區(qū)晶粒尺寸較熱影響區(qū)小。焊縫區(qū)由于存在熔池流動使得組織較熱影響區(qū)復(fù)雜，含有亞穩(wěn)態(tài)β相，α相等。沿熔寬方向，焊縫組織在中心位置為α相，兩側(cè)為β相轉(zhuǎn)變組織。在熱影響區(qū)中，存在大量α'，由于其冷卻速度較慢，其馬氏體組織較大，母材為固溶態(tài)，所以也存在大量馬氏體組織。

圖1 表面聚焦焊縫及熱影響區(qū)顯微組織Fig.1 Microstructure of surface focus weld and heat affected zone

圖2 不同聚焦位置焊縫及熱影響區(qū)顯微組織Fig.2 Microstructure of weld and heat affected zone in different focus positions

不同的焦點位置下焊縫頂部和熱影響區(qū)中部顯微組織見圖2，由圖2a—d可知在焊接過程中無論焦點在何位置，焊縫中都存在大量由柱狀晶β相轉(zhuǎn)變形成的馬氏體組織。焊縫區(qū)的柱狀β相焊后快速冷卻，部分由bcc的β相通過無擴(kuò)散相變過程轉(zhuǎn)變?yōu)閔cp的α相，生成的亞穩(wěn)的細(xì)小盤狀或針狀的馬氏體組織，還有部分為剩余亞穩(wěn)態(tài)的β相。上聚焦由于熱輸入較分散，表面受熱面積大，加熱時間長，導(dǎo)致其散熱慢，溫度梯度小，在高溫下保存時間長，其表面有大量的晶間α相生成，進(jìn)而晶粒較表面聚焦大。在表面聚焦時，由于束流密度大，其穿透能力強，可以直接擊穿母材，形成“I”形焊縫，同時其受熱時間短且集中，熱量迅速傳遞至整個焊縫，而且熔池流動劇烈，所以熱量自上而下均勻分布，其顯微組織致密、均勻、殘余應(yīng)力小。內(nèi)部聚焦和底部聚焦一般人們稱為下聚焦其焊接后的焊縫形狀呈現(xiàn)頂部寬，底部窄的形貌。由圖2c, d可知，焊縫頂部的馬氏體組織排列致密，為針形籃網(wǎng)組織特征，焊縫組織沿熔合線向焊縫中心生長為柱狀β相組織，其焊縫熔寬較表面聚焦大，快速冷卻形成針狀馬氏體組織。在底部聚焦焊接時，其頂部加熱時間較表面聚焦長，電子束流在焊縫內(nèi)部匯聚，所以其頂部晶粒粗大，α′板條束呈羽毛狀分布于兩側(cè)，其他部位的針狀馬氏體相互交織。

不同焦點位置在熱影響區(qū)中部的顯微組織見圖2e—h。由圖 2e—h可知，熱影響區(qū)也存在大量的馬氏體組織，細(xì)小針狀和板狀馬氏體組織沿熔合線一定取向整齊排列，由于熱影響區(qū)中部溫度梯度是垂直于熔合線的，所以，其顯微組織也應(yīng)該沿垂直熔合線呈梯度分布。層間距大小順序為底部聚焦＞內(nèi)部聚焦＞上聚焦＞表面聚焦，所以其熱影響區(qū)冷卻速度應(yīng)為底部聚焦＜內(nèi)部聚焦＜上散焦＜表面聚焦，即表面聚焦冷卻速度最快，底部聚焦冷卻速度最慢。

焊縫中部顯微組織見圖3，可以看出不同聚焦?fàn)顟B(tài)下焊縫中部晶粒尺寸相差很大，其形成原因為在表面聚焦時，電子束流密度大，在焊縫中心流動速度快，所以焊縫中部晶粒較細(xì)小，形成的組織最為致密、均勻。上聚焦時，電子束流呈現(xiàn)分散的趨勢，其峰值溫度更低，焊后冷卻速度較表面聚焦慢；其次，由于聚焦束流密度較小，對母材產(chǎn)生的沖擊也較小，熔池流動速度較表面聚焦平緩，所以，上聚焦在焊縫中部晶粒尺寸較表面聚焦大。內(nèi)部聚焦和底部聚焦時，其電子束呈現(xiàn)匯聚的趨勢，底部聚焦熔池速度最慢，溫度梯度最小，所以晶粒尺寸最大。

由于焊接時電子束加熱斑點較大，在焊接過程中表面加熱時間較長，熔池也較大，而導(dǎo)致電子束對熔池攪拌作用小，所以流動速度較慢。在熱影響區(qū)，金屬處于未熔化狀態(tài)，其顯微組織的最大影響因素為高溫停留時間和冷卻速度，高溫停留時間越長，晶粒尺寸越大；冷卻速度越慢，其晶粒尺寸越大。所以在熱影響區(qū)中，僅僅只需要知道哪些位置散熱最快，哪些位置加熱溫度最高，就可以區(qū)別出晶粒的尺寸。

圖3 不同聚焦位置焊縫中部顯微組織Fig.3 Microstructure of the middle of the weld in different focus positions

沿熔寬方向，距焊縫中心不同距離的區(qū)域的高溫停留時間和冷卻速度均不同，所以這些區(qū)域的顯微組織也存在較大差別。由于焦點位置是沿熔深方向改變的，所以，焦點位置對熔寬方向影響較小。在焊接時，熱影響區(qū)較焊縫溫度低，且越遠(yuǎn)離焊縫，溫度越低，靠近焊縫側(cè)溫度較高，發(fā)生相變，而靠近母材側(cè)熱影響區(qū)，溫度較低，僅僅造成晶粒長大。從母材一側(cè)到靠近焊縫一側(cè)，α′相的數(shù)量不斷增多，初生α相和β相逐漸較少。根據(jù)理論分析可知，越靠近焊縫的區(qū)域所獲得的熱量越多，冷卻時β相幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢湎啵拷覆囊粋?cè)的區(qū)域，由于溫度較低，只有部分形成α相。沿熔深方向，不同焦點位置，其熱量峰值出現(xiàn)的位置和大小不同。很明顯，表面聚焦和上聚焦時溫度的峰值位置在焊縫頂部，其溫度沿熔深向下遞減。而在內(nèi)部聚焦和底部聚焦時，由于焦點位置位于焊縫，且焊縫形狀為頂部寬，底部窄，所以其熱分布梯度不如表面聚焦明顯，此外，由于熔池較表面聚焦大，所以其溫度的峰值也較表面聚焦要小，且其峰值位于焊縫中部附近，與頂部溫度差距不大。所以，不同焦點位置對焊縫熔深方向顯微組織有較大影響。

TC4焊接接頭顯微硬度值見圖4。由圖4b可知，沿熔寬方向呈現(xiàn)“W”形，焊縫顯微硬度最高，熱影響區(qū)顯微硬度次之，母材顯微硬度最低，在熱影響區(qū)部分區(qū)域出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。其熔寬方向顯微硬度呈現(xiàn)這種趨勢的原因為：在焊縫處，由于電子束的直接加熱且溫度最高，組織迅速熔化又迅速冷卻，形成大量的針狀馬氏體組織；而熱影響區(qū)溫度較低，組織未發(fā)生熔化，其冷卻速度較焊縫區(qū)小，其晶粒尺寸也較焊縫大，所以顯微硬度熱影響區(qū)較焊縫低。在靠近母材側(cè)熱影響區(qū)，其最高溫度也不會很高，僅僅使晶粒長大，所以導(dǎo)致其顯微硬度較母材小。通過對表面聚焦焊縫的分析，發(fā)現(xiàn)其顯微硬度與冷卻速度呈現(xiàn)正相關(guān)性。所以，沿熔深方向，其硬度變化趨勢也可以作如此解釋，即在焊縫頂部，由于焊縫頂部加熱時間較長，底部加熱時間較短，在頂部溫度梯度小，冷卻速度慢，底部溫度梯度大，冷卻速度快。所以，焊縫頂部顯微硬度最小，焊縫底部顯微硬度最大，即沿熔深方向向下顯微硬度遞增。

焦點位置對焊接接頭的熔寬方向顯微硬度變化趨勢無明顯影響，如圖4所示，都呈現(xiàn)“W”形，焊縫處顯微組織硬度最高，隨距焊縫中心距離增加，顯微硬度降低，在靠近母材處熱影響區(qū)顯微硬度已經(jīng)小于母材，即部分熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象。沿熔深方向，自上而下其顯微硬度逐漸升高，在底部達(dá)到最大硬度。不同焦點位置焊接其焊縫頂部顯微硬度相差不大，這是因為其表面晶粒都較為粗大。而在其焊縫中部和底部，其表現(xiàn)為表面聚焦顯微硬度最大，上散焦次之，底部聚焦最小，其形成原因為表面聚焦焊縫中部和底部晶粒最為細(xì)小。采用表面聚焦時，電子束集中于焊縫頂部，而后呈現(xiàn)發(fā)散趨勢，而由于其焊縫的熔池會對電子束流有阻礙，使得束流由頂部垂直向下傳遞，由于焊接功率密度高，電子束流密度大，直接沖擊至焊縫底部，而使得焊后焊縫呈現(xiàn)“I”形。其束流細(xì)小，直接沖擊熔池，通過攪拌使焊縫內(nèi)部流動最為劇烈，這也是焊縫中部晶粒最為細(xì)小的主要原因。其次，表面聚焦時，焊縫中部溫度較其他焦點位置焊接溫度高，所以其溫度梯度最大，冷卻速度最快，生成的晶粒最小。采用表面聚焦的方式進(jìn)行焊接的接頭平均顯微硬度較其他3種聚焦方式高，即表面聚焦＞上聚焦＞內(nèi)部聚焦＞底部聚焦。而在上聚焦或其他位置聚焦，其電子束流分散，導(dǎo)致熔池內(nèi)部受力也較為分散，熔池內(nèi)部流動較表面聚焦小，所以其焊縫中部晶粒較粗大。在焊接過程中，熔池內(nèi)部存在劇烈的流動過程，這也是在焊縫區(qū)形成柱狀晶的主要原因，在焊縫中心位置由于流動速度最大，晶粒難以形核，而靠近熔合線處，熔池流動速度最慢，所以其最容易異質(zhì)形核。所以，晶粒總是沿熔合線向焊縫中心生長。

對比不同聚焦?fàn)顟B(tài)下的焊縫平均硬度可知，無論是焊縫底部、中部還是頂部，當(dāng)焦點位于工件表面焊接時，顯微硬度最大，因為進(jìn)行表面聚焦焊接時，束斑最亮，電子束流的能量密度最大，工件所獲得的能量最集中，在焊后快速冷卻時，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的數(shù)量最多，且組織致密，因此焊縫硬度最高。電子束焊接時，隨著熱源的移動，熔池的底部最先開始冷卻凝固，冷卻速度較快，熔池的頂部最后開始冷卻凝固，冷卻速度較慢，這使得焊縫底部的晶粒尺寸較為細(xì)小，焊縫頂部的晶粒尺寸較為粗大。同時，熔池流動越劇烈，焊縫區(qū)晶粒尺寸也越細(xì)小。綜上所述，焊縫的顯微組織沿熔深方向呈梯度分布，上部晶粒最為粗大，中部次之，下部晶粒尺寸較為細(xì)小。所以，其顯微硬度也是沿熔深方向呈梯度分布，上部晶粒最為粗大，中部次之，下部晶粒尺寸較為細(xì)小。

圖4 接頭顯微硬度分布Fig.4 Microhardness distribution of joint

熱影響區(qū)分布規(guī)律和焊縫分布規(guī)律類似，由于其在焊接過程中未發(fā)生熔化，所以，其晶粒尺寸主要影響因素為最高溫度和溫度梯度。溫度梯度為熱影響區(qū)組織差異的主要原因，在熱影響區(qū)中，其底部顯微硬度最高，頂部顯微硬度最低，這是由于在焊縫底部最先凝固，焊縫頂部最后凝固，導(dǎo)致熱影響區(qū)中底溫度梯度最大，頂部溫度梯度最小導(dǎo)致的。不同焦點位置對熱影響區(qū)顯微硬度的影響較小，僅僅在底部聚焦時在熱影響區(qū)頂部顯微硬度出現(xiàn)降低，這是因為底部聚焦時電子束過于分散，導(dǎo)致熱影響區(qū)溫度梯度減小。

3 結(jié)論

1)當(dāng)采用表面聚焦時可得到組織均勻的“I”型焊縫，不同聚焦?fàn)顟B(tài)下焊縫中部晶粒存在較大差別，表面聚焦晶粒最為細(xì)小。

2)TC4焊接接頭顯微硬度沿熔寬方向呈“W”形分布，沿熔深方向向下遞增。不同焦點位置對焊縫顯微硬度存在影響，表面聚焦時焊縫顯微硬度最高。