航空工程用TA18鈦合金板材焊接工藝對比研究

TA18(Ti-3Al-2.5V)是美國20世紀60年代末研制的一種近α型鈦合金,因其具有良好的力學性能、加工性能和優(yōu)于TC4鈦合金的焊接性能,被廣泛用作航空管材[１]。相比不銹鋼或鋁合金管材,TA18鈦合金管材不僅能承受更大的工作壓力,還能滿足航空航天領(lǐng)域?qū)煽啃约俺志眯缘囊骩2]。

在工程應(yīng)用過程中,鈦合金管材、板材和型材均會受到空間位置及裝配精度的限制,勢必要采用合適的焊接方法對其進行連接[３－４]。在實際應(yīng)用中，TA18鈦合金管材常以無縫管的形式使用,因而對于TA18鈦合金的研究主要集中在軋制及無縫管加工方面[５－７]。

隨著鈦焊管制備技術(shù)的發(fā)展,相比無縫鈦管，鈦焊管在制造成本、綠色高效、壁厚均勻一致性等方面顯示出一定的優(yōu)勢,并已在某些領(lǐng)域取代無縫鈦管獲得應(yīng)用[８]。然而,現(xiàn)階段針對TA18鈦合金焊管的研究較少,尤其是焊縫對服役性能的影響有待深入研究。因此,分別采用鈦焊管工業(yè)生產(chǎn)中常用的直流鎢極氬弧焊(直流TIG)、脈沖鎢極氬弧焊(脈沖TIG)和激光焊接工藝對TA18鈦合金板材進行焊接,研究不同焊接工藝對焊縫幾何形狀、顯微組織及力學性能的影響,以期為TA18鈦合金焊管的研發(fā)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考,推進鈦合 金焊管的生產(chǎn)應(yīng)用。

1、實驗

實驗材料為2mm厚的TA18鈦合金冷軋帶卷，其化學成分如表1所示。從冷軋鈦帶卷上切取試樣，規(guī)格為500mm×100mm×2mm。

采用直流TIG、脈沖TIG和激光焊接3種方式分別沿著板材軋制方向焊接TA18鈦合金板材。施焊前,用砂紙打磨試樣表面,然后用酒精沖洗,烘干。

TIG焊接和激光焊接過程中均采用純氬氣對高溫焊接熔池區(qū)域進行雙面保護,其中鎢極保護噴嘴氣體流量為８L/min,焊接拖罩氣體流量為10L/min,背面保護氣體流量為10L/min。

TIG焊機型號為松下ＹＣ-４00ＴＸ４型,激光器為6000W光纖激光器,焊接工藝參數(shù)如表2所示。在使用脈沖TIG焊接時,基值電流是峰值電流的20％，同時脈沖頻率設(shè)定為200Hz,有利于降低焊接總體的熱輸入,方便控制熔池的形貌和尺寸,使得焊道表面紋理光滑。脈沖TIG焊接的平均電流為180A，直流TIG焊接的電流為215A。

按圖１所示,采用激光切割機在TA18鈦合金焊接接頭位置截取金相試樣和力學性能試樣。金相試樣經(jīng)過磨拋后,用Ｋｒｏｌｌ試劑進行腐蝕。采用ＸＪＺ-6Ａ型光學顯微鏡觀察焊接接頭組織,并用４02ＭＶＡ型顯微硬度計測量焊接接頭不同位置的顯微硬度，加載載荷為9.8Ｎ,持續(xù)時間為15s。拉伸試樣按照ＧＢ/Ｔ26５１—200８加工,標距長度為100mm。采用ＣＭＴ５１0５型萬能試驗機進行室溫拉伸性能測試,拉伸速率在試樣屈服之前為0.2mm/min,之后增加至20mm/min。彎曲試樣按照GB/T2653-2008加工，壓頭直徑為6mm,下 壓頭間距為12mm,彎曲速率為60mm/min。

2、結(jié)果與分析

2.1宏觀形貌

圖2為不同焊接工藝下TA18鈦合金焊接接頭表面的宏觀形貌,焊縫及熱影響區(qū)寬度如表3所示。

從圖2可以看出,TIG焊接和激光焊接都可實現(xiàn)TA18鈦合金板材雙面良好成形,焊縫正面和背面均連續(xù)均勻。由于直流TIG焊接熱輸入較大,焊縫寬度達到8.72mm；采用脈沖TIG焊接時,高頻脈沖促使電弧能量集中,整體的焊接熱輸入減小,焊縫寬度降低至7.40mm；而激光焊接過程中激光束具有更強的穿透性且激光能量更加集中,致使激光焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)寬度均明顯降低,焊縫寬度僅為2.66mm,相比于直流TIG焊接降低約69.5％。

激光焊接具有最快的熔池加熱和冷卻速度,熔池高溫停留時間短,液態(tài)金屬流動性差,熔池中心的液態(tài)金屬不能及時回流到焊縫兩側(cè),導(dǎo)致焊縫兩側(cè)咬邊缺陷增加。而脈沖TIG焊接可對焊接熔池的流動性進行調(diào)控,因而能夠更好地控制焊縫熔透行為、焊縫寬度和咬邊。相比激光焊接,脈沖TIG焊縫中心位置熔池下塌降低,熱影響區(qū)位置的熔池咬邊也得到一定削弱。

2.2顯微組織

圖3為不同焊接工藝下TA18鈦合金焊接接頭的橫截面形貌。圖４為TA18鈦合金焊接接頭橫截面組成區(qū)域示意圖。由圖4可以看出,TA18鈦合金焊接接頭主要分為母材(ｂａｓｅｍｅｔAl,ＢＭ)、熱影響區(qū)ｈｅａｔａｆFeｃｔｅｄｚｏｎｅ,ＨＡＺ)和焊縫區(qū)(ｗｅｌｄｚｏｎｅ,ＷＺ)，而熱影響區(qū)根據(jù)受熱情況分為粗晶熱影響區(qū)(ｃｏａｒｓｅｇｒａｉｎｈｅａｔａｆFeｃｔｅｄｚｏｎｅ,ＣＧＨＡＺ)和細晶熱影響區(qū)(ｆｉｎｅｇｒａｉｎｈｅａｔａｆFeｃｔｅｄｚｏｎｅ,ＦＧＨＡＺ)。從圖３可以看出,直流TIG焊接接頭粗晶熱影響區(qū)的晶粒呈現(xiàn)鑄態(tài)組織特征。脈沖TIG焊接方式能夠降低焊縫熔池的整體熱輸入,同時峰值電流和基值電流交替對熔池液態(tài)金屬進行加熱和冷卻,有利于加強對焊接熔池的攪拌作用,細化粗大的柱狀晶粒。

激光焊接具有較快的加熱和冷卻速率,熔池液態(tài)金屬主要依附于熱影響區(qū)半熔化晶粒形核長大,熔池高溫停留時間相對較短,晶粒來不及長大便凝固；焊縫柱狀晶區(qū)晶粒呈４５°夾角從兩側(cè)對稱向焊縫中心位置生長,具有較大的長寬比。

圖５為TA18鈦合金焊接接頭不同位置的金相組織。從圖５可以看出,雖然直流TIG、脈沖TIG、激光焊接的熱源形式有所差異,但焊接接頭不同區(qū)域的微觀組織特征基本相似。TA18鈦合金母材組織為等軸α相,當焊接加熱溫度超過α/β轉(zhuǎn)變溫度時，母材中的α相向β相轉(zhuǎn)變,高溫下β晶粒快速長大[９－１0]。在隨后的快速冷卻過程中,焊縫熔池內(nèi)粗大的β晶粒保存至固相,并形成針狀馬氏體α′相[１１]。直流TIG焊接接頭中除針狀馬氏體α′相之外,還存在大量先共析α相,其中焊縫區(qū)內(nèi)先共析α相占比最大且呈塊狀團聚分布,這表明即使在焊縫熔池快速冷卻的過程中,熔池內(nèi)局部區(qū)域仍存在較大溫差,導(dǎo)致不同位置的冷卻速度不同,造成焊縫區(qū)不同位置顯微組織存在差異。與直流TIG焊縫中存在較大的塊狀α相不同,脈沖TIG焊縫中的針狀馬氏體α′相更加細小,呈交錯的網(wǎng)籃組織形態(tài)。

激光焊接焊縫區(qū)顯微組織主要為原始β晶界隔開的針狀馬氏體α′相及少量的塊狀相變α相,且網(wǎng)籃狀排列的針狀馬氏體α′相占比最大,組織最細。

粗晶熱影響區(qū)為針狀馬氏體α′相和更加細小、彌散分布的塊狀轉(zhuǎn)變α相。隨著距離熱源中心位置的增加,細晶熱影響區(qū)的加熱溫度較低且冷卻速度快,晶粒尺寸仍然較小,僅有部分α相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪?深色),隨后冷卻過程中形成α＋α′相組織。

2.3 力學性能

由于TA18鈦合金直流TIG、脈沖TIG和激光焊接接頭微觀組織存在差異,導(dǎo)致焊縫顯微硬度也有所不同。TA18鈦合金母材顯微硬度值為2.17GPa,激光焊接接頭焊縫區(qū)的平均顯微硬度值達到2.73GPa，顯著高于直流TIG和脈沖TIG(焊縫區(qū)的平均顯微硬度值分別為2.53、2.57GPa)。這是因為激光焊接具有較快的冷卻速率,導(dǎo)致焊縫區(qū)形成大量細小的網(wǎng)籃狀排列的針狀馬氏體α′相,而網(wǎng)籃狀排列的針狀馬氏體α′相是提高焊縫強度和硬度的主要組織[9，12]。

圖6為TA18鈦合金室溫拉伸試樣的照片,圖７為不同焊接工藝下TA18鈦合金焊接接頭的室溫拉伸性能。從圖6可以看到,不同焊接工藝下拉伸試樣的斷裂位置均位于母材處。TA18鈦合金母材的抗拉強度為659MPa,屈服強度為626MPa,延伸率為22.0％。從圖７可知,焊接工藝對TA18鈦合金焊接接頭抗拉強度及屈服強度的影響不大。激光焊接工藝下,焊接接頭的延伸率最高,達到20.5％,為母材的93％；直流TIG焊接工藝下的延伸率最低,為16.％,是母材的72％。這是因為激光焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的寬度要顯著小于TIG焊接,在拉伸試樣標距范圍內(nèi)母材的變形協(xié)調(diào)區(qū)間更大。

TA18鈦合金焊接接頭的彎曲性能如表４所示。

從表４可見,激光焊接接頭的彎曲角度普遍低于TIG焊接接頭,這是由于激光焊縫中的針狀馬氏體α′相較多,造成焊接接頭硬度增加。

3、結(jié)論

(1)與直流TIG焊接工藝相比,脈沖TIG焊接工藝的電弧能量集中,整體的焊接熱輸入減小,焊縫熔寬降低；激光焊接工藝可顯著降低焊接接頭的寬度,與直流TIG焊接工藝相比焊接接頭寬度減少約69.5％。

(2)TA18鈦合金激光焊接接頭顯微組織主要為原始β晶界隔開的針狀馬氏體α′相及少量的塊狀相變α相,且網(wǎng)籃狀排列的針狀馬氏體α′相占比最大，組織最細。

(3)3種焊接工藝下拉伸試樣的斷裂位置均位于母材處,其中,激光焊接工藝下焊接接頭的延伸率最高,為20.5％,達到母材的93％。與TIG焊接接頭相比,激光焊接接頭具有更高的顯微硬度,但其彎曲性能相對較低。

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