重熔焊對TC4鈦合金接頭氣孔及力學性能的影響

楊斯達　劉立安　趙舵　吳小偉

摘要：針對TC4鈦合金接頭內部易產生氣孔缺陷的問題，開展了重熔焊對接頭氣孔消除作用的研究。研究表明，不同重熔焊電流均能得到外觀成形良好的焊縫，X射線探傷結果顯示，重熔焊能夠有效減少氣孔數量，氣孔尺寸越大消除作用越顯著，且增大重熔焊電流有利于提高氣孔消除率。拉伸試驗表明，R70（重熔焊電流為70 A的接頭，下同）、R80重熔焊接頭的抗拉強度與母材相當，硬度在母材區獲得最低值，這主要與熔合區中存在的針狀馬氏體α′相有關。而R90接頭抗拉強度較高但延伸率顯著降低，且在熔合區生成了粗大的塊狀初生αm相，從而使熔合區成為整個接頭的薄弱環節。

關鍵詞：TC4;重熔焊;氣孔;抗拉強度;針狀馬氏體

中圖分類號：TG166.5文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0021-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.04

0 前言

鈦合金以其低密度、高比強度和高耐蝕性等優點，廣泛應用于航空航天、船舶、核電等領域[1]。然而，鈦的化學活性大，焊接過程中極易被空氣、水分、油脂等污染從而形成氣孔缺陷。國內外對鈦合金的焊接氣孔問題進行了大量研究。吳明亮[2]等人研究了活性劑TIG焊對鈦合金焊縫氣孔的消除效果，發現活性劑的加入可促進冶金作用生成HF，從而有效地減少氣孔缺陷。張甫[3]等人對比研究了不同工藝參數下激光掃描對TC4鈦合金氣孔的影響，結果顯示掃描頻率和掃描半徑對氣孔的產生有重要影響，且隨著離焦量的增加氣孔率呈下降趨勢。Jianglin L.Huang[4]等人研究了鈦合金焊接過程中氣孔的形成機理，發現氣孔內主要成分為H2和微量的CO2。Chinnapat Panwisawas[5]等人研究了鈦合金激光焊氣孔問題，發現提高激光功率或降低焊接速度會增加焊縫中生成氣孔缺陷的傾向。然而截止目前，尚未查見重熔焊工藝對TC4鈦合金接頭氣孔及力學性能影響的相關研究，因此文中針對航空航天工業中廣泛使用的TC4鈦合金，開展了TIG重熔焊電流對鈦合金接頭氣孔缺陷及力學性能影響的對比研究。

1 試驗材料和方法

以δ1.5 mm TC4鈦合金板材為研究對象，試件尺寸為300 mm×100 mm，母材的顯微組織如圖1所示，主要化學成分及力學性能如表1所示。所有試板均先進行酸洗，再在焊接前4 h內用120#金相砂紙打磨試板待焊接區域，最后用丙酮進行清洗。采用TIG自動焊不填絲的方式進行焊接，焊接過程中溫度為15～18 ℃，相對濕度為50%～53%。焊接設備選用OTC500P氬弧焊機，直流正接。鎢極選用鑭鎢，直徑1.6 mm，鎢極高度1 mm。由于鈦合金具有高溫易發生氧化的特點，因此除使用焊槍進行正面保護外，還分別使用墊板和拖罩對焊縫的背面和正面高溫區進行了氬弧保護，防止發生氧化。焊接速度為240 mm/min，所有試板均先用70 A電流完成初次焊接，再進行不同電流參數下的重熔焊試驗，重熔焊焊接電流分別選擇70 A、80 A和90 A三種規范。保護氣選用純度為99.998%的氬氣，焊槍保護氣流量13～15 L/min，背面保護氣流量8～10 L/min，拖罩保護氣流量10～12 L/min。

2 試驗結果與分析

2.1 重熔焊接頭焊縫成形

三組不同電流參數下的焊接接頭正面、背面及橫截面焊縫成形情況如圖2所示。由圖2可知，不同電流下的試板焊縫外觀形貌相近，成形均勻，無目視可見的缺陷。焊縫表面呈現銀白色光澤，表明氬氣保護效果良好。隨著焊接電流的增加，正面焊縫寬度由R70的6 mm逐漸增大到R90的8 mm，背面焊縫寬度由R70的2 mm逐漸增大到R90的4 mm。

2.2 重熔焊工藝對氣孔的影響

分別對三組參數下的重熔前接頭及一次重熔焊接頭進行X射線探傷，結果如圖3所示。

由圖3可見，三組試樣的重熔前接頭BR均存在大量氣孔缺陷，氣孔分布在焊縫兩側熔合線上;重熔焊后接頭氣孔數量明顯減少，且重熔焊過程中未生成新的氣孔缺陷，說明重熔能夠有效消除焊縫中的氣孔缺陷。統計接頭探傷氣孔數量，結果如圖4所示，三組接頭的氣孔數量分別由重熔焊前的40只、24只、42只降至12只、4只、5只，氣孔消除率分別為70%、83%和88%，表明電流越大氣孔消除作用越強。為進一步研究重熔焊對不同直徑氣孔的消除作用，將氣孔按直徑大小分為≥0.8 mm和<0.8 mm兩類進行統計。對于<0.8 mm的氣孔，重熔焊后氣孔消除率分別為71%、79%和84%;而對于≥0.8 mm的氣孔，重熔焊后氣孔消除率分別為60%、100%和100%，即經過R80和R90重熔后，直徑≥0.8 mm的氣孔全部消除，由此可知重熔焊對于消除大直徑氣孔效果更加明顯。

分析焊縫中氣孔缺陷的產生原因：在液體金屬凝固前氣泡未能及時從熔融金屬中逸出，殘留在焊縫中最終形成氣孔，即當氣孔浮出速度（ve）<焊縫金屬凝固速度（vr）時，將形成氣孔缺陷。在重熔焊過程中，焊縫金屬被重新熔化，氣泡在浮力作用下向上浮出，根據Stocks公式，液體金屬中氣泡的浮出速度為

式中 g為重力加速度;η為液體金屬粘度;r為氣泡半徑;ρL為液體金屬密度;ρG為氣泡密度。

由式（1）可知，氣泡的浮出速度與其半徑的平方成正比，當其他條件相同時，氣泡直徑越大，浮出速度越快，因此重熔焊消除直徑較大的氣孔效果更加顯著。此外，在相同焊接速度下，增大重熔焊電流可增加焊縫熱輸入，一方面可降低焊縫金屬凝固速度vr，有利于氣泡的逸出;另一方面，熱輸入的增加提高了熔池的流動性，同樣有利于氣泡上浮，所以隨著重熔焊電流的增加，氣孔消除率逐漸增加。

2.3 重熔焊工藝對接頭力學性能的影響

對重熔焊接頭進行力學性能測試，三種重熔焊接頭拉伸試樣斷裂后的情況如圖5所示。R70與R80接頭均斷于母材區，R90接頭斷裂于焊縫熔合區，抗拉強度及延伸率測試結果如表2所示。從測試結果可以看出，R70與R80接頭斷裂于母材區，抗拉強度與母材相當，延伸率略低于母材;R90接頭斷裂發生在焊縫熔合區，抗拉強度較高但延伸率顯著降低。

重熔焊接頭顯微硬度分布曲線如圖6所示，不同參數下焊縫區硬度高于母材區。對于R70和R80，接頭硬度最低處位于母材區，而R90重熔焊接頭則在熔合區附近獲得整個接頭的最低硬度。

重熔焊接頭斷口掃描電鏡圖像如圖7所示。圖7a、7b中可見母材斷口處存在大量韌窩，表明R70與R80拉伸試樣斷裂為韌性斷裂。圖7c顯示R90重熔焊接頭斷口光滑平整，為脆性斷裂特征。

對三組電流參數重熔焊接頭顯微組織進行金相分析，如圖8所示。

圖8a、8b和8c分別為R70、R80和R90重熔焊接頭的金相組織。可以看出，接頭均存在明顯的熱影響區及熔合區。對比圖8d、8e和8f中的晶粒大小可知，R70熔合區晶粒較細小，R80熔合區次之，R90熔合區晶粒最為粗大，即隨著焊接熱輸入的增大，三種參數熔合區晶粒大小R70<R80<R90。這是因為熔合區內靠近熱影響區的部分晶粒在焊接過程中最高溫度未達到β相變溫度，不發生熔化-結晶過程，僅在熱源作用下發生長大，因此焊接熱輸入越大晶粒生長尺寸越大。此外，在8d、8e中發現熔合區存在針狀馬氏體α′相，而8f未發現針狀馬氏體α′相，僅含有大塊狀的初生αm相。

TC4鈦合金連續冷卻相變圖如圖9所示，鈦合金凝固后組織與冷卻速度有關。R70、R80焊縫的焊接線能量較R90焊縫低，因此R70、R80焊縫的冷卻速度高于R90焊縫。由圖9可知，較高的冷卻速度更傾向于生成針狀馬氏體α′相，而對于冷卻速度相對較低的R90焊縫熔合區則存在粗大的塊狀αm相。

通過上述試驗分析，不難發現三組重熔焊接頭中采用大電流進行重熔得到的接頭塑性明顯偏低，這主要與三組不同參數重熔焊接頭的組織差異有關。對于R70、R80重熔焊接頭，焊縫區、熔合區均存在針狀馬氏體α′相，整個接頭硬度最低位置位于母材區，此處在拉伸應力作用下容易成為薄弱環節。母材區組織為細小等軸晶粒（見圖1），因此在拉伸應力作用下發生韌性斷裂，獲得較高的延伸率和韌窩斷口。而對于R90重熔焊接頭，由于熱輸入較大導致冷卻速度較低，熔合區生成粗大的塊狀αm相，此處硬度偏低從而成為整個接頭的薄弱環節，同時粗大的晶粒在拉伸應力作用下發生脆性斷裂，從而獲得較低的延伸率及較平整的斷口形貌。

3 結論

（1）TC4鈦合金重熔焊能夠得到成形良好的接頭，重熔可有效消除焊縫內的氣孔缺陷，大直徑氣孔消除效果優于小直徑氣孔，且增大重熔焊電流有利于提高氣孔消除率。

（2）R70、R80重熔焊接頭斷裂于母材區，抗拉強度與母材相當，延伸率略低于母材;R90接頭斷裂發生在焊縫熔合區，抗拉強度較高但延伸率顯著降低。R70和R80，接頭硬度最低處位于母材區，而R90重熔焊接頭則在熔合區獲得整個接頭的最低硬度。

（3）R70、R80重熔焊接頭熔合區中存在針狀馬氏體α′相，該組織硬度較高;而R90接頭熔合區未發現針狀馬氏體α′相，僅含有粗大的塊狀初生αm相，導致R90接頭發生脆性斷裂。

參考文獻：

[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，2011，28（6）：14-17.

[2] 吳明亮，余淑榮，張國錦，等. 活性劑消減鈦合金焊接氣孔的試驗研究[J]. 熱加工工藝，2006，35（15）：36-38.

[3] 張甫，王威，王旭友，等. TC4鈦合金激光掃描焊接工藝參數對氣孔的影響[J]. 焊接，2016（2）：35-39.

[4] Jianglin L.Huang，Nils Warnken，Jean-Christophe Gebelin，et al. On the mechanism of porosity formation during welding of titanium alloys[J]. Acta Materialia，2012（60）：32153225.

[5] Chinnapat Panwisawas，Bama Perumal，R Mark Ward，et al.Keyhole Formation and Thermal Fluid Flow-Induced Porosity during Laser Fusion Welding in Titanium Alloys：Experimental and Modelling[J]. Acta Materialia，2017（126）：251-263.