厚板鈦合金等離子-鎢極氬弧復(fù)合焊接接頭組織與性能

魏小紅，劉瑞君，肖夢(mèng)智，路超

(1.陽(yáng)江市五金刀剪產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 陽(yáng)江 529533；2.采埃孚東方汽車安全技術(shù)(西安)有限公司，西安 710201)

0 前言

近年來(lái)，鈦及鈦合金生產(chǎn)成本逐年降低，鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐蝕性好及耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、石油化工及醫(yī)療器械及等行業(yè)[1-5]。傳統(tǒng)的鈦合金焊接主要采用鎢極氬弧焊，這種方法存在諸多問(wèn)題，如焊接效率低、人工費(fèi)用高及焊接質(zhì)量難以得到保證等[6-7]。等離子-鎢極氬弧復(fù)合焊(P-T復(fù)合焊)是采用等離子弧焊(PAW)打底，自動(dòng)鎢極氬弧焊(TIG)蓋面的一種焊接方式[8-9]。等離子弧焊是離子氣被電離產(chǎn)生高溫離子化氣體，并經(jīng)過(guò)水冷噴嘴，受到壓縮產(chǎn)生能量密度高度集中的等離子束流直接穿透被焊工件形成焊縫。相對(duì)于TIG焊，等離子弧焊焊接速度快，效率比手工氬弧焊提高至少4～5倍；具有電弧能量集中、熱影響區(qū)小、能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形及焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)；常規(guī)厚度小于10 mm的板材不開(kāi)坡口可直接焊透，不僅能減少焊材的使用量，還能確保焊縫與母材的化學(xué)成分基本相同；電極縮在噴嘴內(nèi)，不易污染和燒損，焊逢缺陷少[10-11]。對(duì)于鈦合金的等離子弧焊，國(guó)外研究起步較早，已廣泛應(yīng)用于各種鈦合金的研究和生產(chǎn)，但普遍焊接的板厚較薄。國(guó)內(nèi)也已在很多領(lǐng)域應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)，郝宗斌等人[12]和廖志謙等人[13]分別研究了壁厚8 mm和12 mm鈦合金板材的等離子弧焊接，結(jié)果均表明，等離子弧焊接鈦合金可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，焊縫質(zhì)量好。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)人對(duì)16 mm厚鈦合金板材進(jìn)行P-T復(fù)合焊的相關(guān)研究。文中采用P+T設(shè)備對(duì)壁厚16 mm的TA2鈦合金板材進(jìn)行了焊接，研究了焊接電流對(duì)焊縫外觀缺陷的影響，并對(duì)焊縫的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用的材料為熱軋板TA2，厚度16 mm，退火狀態(tài)下室溫抗拉強(qiáng)度下限值400 MPa，符合GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。蓋面采用的焊絲為ERTA2ELI，直徑φ1.2 mm，符合NB/T 47018.7—2011《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件 第7部分：鈦及鈦合金焊絲和填充絲》標(biāo)準(zhǔn)。TA2及ERTA2ELI的主要成分見(jiàn)表1。

表1 鈦板及鈦焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用的HPT500 P+T焊接設(shè)備主要由控制器、焊接電源、專用焊槍及制冷水箱等部分組成。如圖1所示。

圖1 P-T焊接設(shè)備

試板為150 mm×500 mm的TA2鈦板，接口形式為I形坡口，如圖2所示。焊前對(duì)坡口及其兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)的母材表面打磨去除氧化皮，并用丙酮對(duì)坡口及焊絲表面進(jìn)行擦洗，去除油脂、水分及其它污染物。

圖2 對(duì)接坡口示意圖

為了防止焊后的角變形，預(yù)制一個(gè)4°反方向的變形量，使之與焊接中產(chǎn)生的變形相抵消。為了使等離子弧焊能完全熔透焊接試板形成小孔效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，焊縫預(yù)留1 mm間隙。等離子弧焊及鎢極氬弧焊的工藝參數(shù)分別見(jiàn)表2，其中保護(hù)氣及等離子氣均為氬氣。

表2 等離子弧焊及鎢極氬弧焊的工藝參數(shù)

采用D3605型X射線機(jī)、愛(ài)克發(fā)C4膠片及像質(zhì)指數(shù)11單壁透照對(duì)整個(gè)試板焊縫進(jìn)行RT無(wú)損檢測(cè)。采用線切割機(jī)按照NB/T 47014—2019《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中關(guān)于拉伸試樣的尺寸沿垂直于焊接方向切取2個(gè)拉伸試樣。采用線切割將TA2試板的焊縫加工成尺寸為20 mm×20 mm×16 mm的試樣，經(jīng)研磨和拋光，用體積比氫氟酸：硝酸：水=2∶1∶17的Kroll試劑擦拭45 s，然后采用Olympus-GX51型倒置金相顯微鏡觀察試樣顯微組織。采用HV-1000A型顯微硬度計(jì)測(cè)量橫截面上顯微硬度(載荷0.98 N, 加載時(shí)間10 s)，從焊縫中心垂直于焊縫向兩側(cè)對(duì)稱測(cè)量，每隔0.2 mm測(cè)量一次，平行焊縫測(cè)量3點(diǎn)取平均值，作為該處的顯微硬度，基體顯微硬度160 HV。

2 結(jié)果及分析

2.1 外觀質(zhì)量及無(wú)損檢測(cè)

在不同的焊接電流下，P-T焊接試樣的表面形貌如圖3所示，隨著焊接電流增加，等離子弧穿透能力提高，焊接電流為260 A時(shí)得到焊縫成形最好，但當(dāng)超過(guò)這一定值后，隨著電流的繼續(xù)增大，則會(huì)因小孔直徑過(guò)大而使熔池金屬墜落，甚至形成雙弧，成形反而變差；在最優(yōu)工藝參數(shù)(260 A)下,RT檢測(cè)結(jié)果顯示，焊縫無(wú)裂紋、未熔合、未焊透、夾鎢及氣孔等缺陷。

圖3 焊接試樣的宏觀形貌

2.2 拉伸性能

在最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下，焊接接頭的橫向抗拉強(qiáng)度為486 MPa，487 MPa(平均值486.5 MPa)，均大于母材抗拉強(qiáng)度下限值，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試樣抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于退火狀態(tài)下母材抗拉強(qiáng)度最低值的要求。橫向拉伸試樣如圖4所示。接頭斷裂在熱影響區(qū)，并出現(xiàn)明顯的塑性變形，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)是焊接接頭的薄弱區(qū)，焊接過(guò)程中熱輸入過(guò)大使熱影響區(qū)的晶粒粗大，導(dǎo)致塑性下降。拉伸斷口形貌如圖5所示。斷口的微觀形貌為等軸韌窩，屬于典型的韌性斷裂。

圖4 橫向拉伸試樣

圖5 拉伸斷口形貌

在斷口微觀形貌中也發(fā)現(xiàn)球形顆粒，如圖6所示，可以看出大顆粒1是鐵的氧化物，小顆粒2和3為鈦的氧化物，因此可以推斷這些顆粒是焊縫中存在的氧化物夾雜。由于焊接過(guò)程中的熱輸入較大，氣體保護(hù)效果不理想，容易產(chǎn)生氧化物夾雜。另外較低純度的焊絲，在熔化過(guò)程中也容易形成氧化物而產(chǎn)生雜質(zhì)相。氧化物夾雜顆粒的存在會(huì)造成焊縫強(qiáng)度的降低，因此實(shí)際焊接過(guò)程中要盡量避免上述因素的存在。

圖6 斷口微觀形貌及EDS譜

2.3 顯微組織

在最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下，焊接接頭的顯微組織如圖7所示。主要由焊縫、熱影響區(qū)及母材3部分組成。圖7a為母材組織形貌，可以看出母材全部由細(xì)小的等軸α-Ti組成；圖7b為熱影響區(qū)組織形貌，與母材區(qū)相比，受焊接熱循環(huán)的影響，晶粒尺寸逐漸增大，熱影響區(qū)主要由鋸齒形α-Ti+板條馬氏體組成。圖7c為焊縫組織，由少量無(wú)明顯方向性的鋸齒形α-Ti+針狀馬氏體組成。由于熱輸入的作用，焊縫會(huì)經(jīng)歷急速升溫和冷卻的熱循環(huán)過(guò)程，造成焊縫中心組織無(wú)方向性地生長(zhǎng)，最后形成大小不均勻的鋸齒狀晶粒。

圖7 接頭不同區(qū)域的顯微組織

2.4 顯微硬度

最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下，焊接接頭的維氏硬度分布如圖8所示。可以看出，焊縫(welding zone, WZ)顯微硬度約為175 HV、熱影響區(qū)(heat affect zone, HAZ)顯微硬度約為170 HV，較母材(base metal, BM)均有所提高，但未形成大的硬度梯度。硬度變化曲線關(guān)于焊縫中心呈雙駝峰狀對(duì)稱分布。焊縫區(qū)硬度較高，主要與高溫冷卻過(guò)程中焊縫熔化區(qū)形成的無(wú)方向性鋸齒形α晶和殘余針狀馬氏體有關(guān)；熔合線附近硬度突然升高，與快速冷卻過(guò)程中晶粒沿同一個(gè)方向快速生長(zhǎng)形成的平面晶有關(guān)；熱影響區(qū)的硬度下降主要原因在于該區(qū)域受到較高的熱輸入導(dǎo)致晶粒快速長(zhǎng)大，形成粗晶區(qū)。

圖8 焊接接頭維氏硬度曲線

3 結(jié)論

(1)采用P-T復(fù)合焊對(duì)16 mm厚TA2鈦合金進(jìn)行了焊接，在合適的焊接工藝參數(shù)下，不需開(kāi)坡口，能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，無(wú)未焊透、未熔合、焊瘤等焊接缺陷，得到成形良好的焊縫。

(2)焊接接頭的橫向抗拉強(qiáng)度為486.5 MPa，與母材抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。

(3)微觀組織顯示焊縫未發(fā)現(xiàn)偏析與成分聚集，無(wú)夾雜物、裂紋等缺陷。母材區(qū)為等軸α-Ti組織，焊縫為少量無(wú)方向性鋸齒形α-Ti+針狀馬氏體組織，熱影響區(qū)為鋸齒形α-Ti+板條馬氏體組織。

(4)焊縫和熱影響區(qū)的維氏硬度均高于母材。