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      選用連續(xù)施焊、焊層冷至室溫后再焊接下一層、焊道冷至室溫后再焊接下一道3種層間溫度控制方案和730，600℃ 2種焊后退火溫度，通過顯微組織、拉伸性能和疲勞性能確定了大厚度TC4鈦合金鑄造板鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)的最優(yōu)工藝，并研究了最優(yōu)工藝下焊接接頭的力學(xué)性能。結(jié)果表明：焊層冷至室溫后再焊接下一層得到的焊接接頭焊縫組織最為細(xì)小，疲勞壽命最高，在730℃下退火后的焊接接頭拉伸性能更好，故確定為最優(yōu)工藝；最優(yōu)工藝下，GTAW接頭的焊縫硬度略高于母材，屬于高匹配接頭，在拉伸和疲勞過程中接頭均在母材處發(fā)生斷裂，但焊縫的抗疲勞開裂能力低于母材。

 

1Part.1試樣制備與試驗方法

 

1試樣制備

 

     母材選用厚度為8mm的TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金鑄造板，其顯微組織主要為由片狀初生α相和晶間β相組成的網(wǎng)籃組織，維氏硬度(載荷為9.8N)為350 HV，抗拉強度為850MPa，斷后伸長率為4.5%。焊絲選用直徑為3mm的TA17(Ti-4Al-2V)鈦合金絲材。使用組成為HCl、HNO3、HF+H2O的酸洗液對TC4鈦合金鑄造板進(jìn)行酸洗以去除表面氧化膜和油污，酸洗后用清水沖洗，干燥。采用交直流脈沖氬弧焊機(jī)進(jìn)行鎢極惰性氣體保護(hù)焊，電極采用直徑3mm鈰鎢極，直流電源正接，保護(hù)氣體為純度在99.99%以上的氬氣。接頭坡口形貌和熔敷順序見圖1，坡口角度為40±4°，坡口底部半徑為4mm，坡口底部距離焊件底部1mm。打底焊層(焊道1)采用小焊接電流(75~80A)和電壓(11~13 V)；填充焊層(焊道2~5)和蓋面焊層(焊道6~7)的焊接電流為120~130A，電壓為13~15V。焊接速度均為2mm·s-1。采用3種層間溫度控制方案：方案1為連續(xù)填充焊接；方案2為每層焊完冷卻至室溫后再進(jìn)行下一層的焊接，填充焊層和蓋面焊層間的焊道為連續(xù)施焊；方案3為每道焊完冷卻至室溫后再進(jìn)行下一道的焊接。

 

     焊后分別進(jìn)行2種退火處理，一種是目前采用的常規(guī)退火處理，退火溫度為730°C，保溫2h，空冷至室溫；另一種為去應(yīng)力退火處理,退火溫度為600°C，保溫2h，空冷至室溫。

 

 

圖1 接頭坡口形貌及熔敷順序

 

2試驗方法

 

     在接頭焊縫處取樣，經(jīng)打磨、拋光，用凱勒試劑腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。采用數(shù)顯維氏硬度計測試焊接接頭各區(qū)域的維氏硬度，載荷為9.8N，保載時間為15s，測2次取平均值。

 

 

圖2 拉伸和疲勞試樣尺寸

 

     按照GB/T 2651—2008和GB/T 3075—2008，在接頭上以焊縫為中心取全厚度拉伸試樣和疲勞試樣，2種試樣的形狀相同，如圖2所示，去除余高使焊縫區(qū)厚度與母材相同，標(biāo)距段打磨至表面粗糙度為0.8μm，其他區(qū)域表面粗糙度為1.6μm。按照GB/T 6398—2000，在焊縫區(qū)和母材上各取1個尺寸如圖3所示的緊湊拉伸(CT)試樣，預(yù)制裂紋長度為10mm，位于焊縫中心。使用電液伺服疲勞試驗機(jī)分別在室溫下進(jìn)行單軸單調(diào)拉伸試驗、高周疲勞試驗和疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗。拉伸試驗時的拉伸速度為0.5mm·min-1，測2次取平均值；高周疲勞試驗采用恒幅載荷，應(yīng)力幅為275MPa，最大應(yīng)力為500MPa，載荷波形為橫幅正弦波，加載頻率為15Hz，測3次取平均值；疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗的應(yīng)力比為0.1，應(yīng)力幅為275MPa，最大應(yīng)力為500MPa，載荷波形為橫幅正弦波，加載頻率為15Hz，試驗過程中記錄每級應(yīng)力強度因子幅ΔK對應(yīng)的裂紋長度a(由柔度法檢測)和循環(huán)次數(shù)N，采用割線法計算裂紋擴(kuò)展速率da/dN 。

 

 

圖3 緊湊拉伸試樣尺寸

 

2Part.2試驗結(jié)果與討論

 

1層間溫度控制方案的確定

 

 

圖4 不同層間溫度控制方案下焊接接頭焊縫的顯微組織

 

     由圖4可以看出，3種層間溫度控制方案下焊接接頭焊縫(焊態(tài))的顯微組織均以α'馬氏體+針狀或片狀(α+β)相為主。連續(xù)填充焊接(方案1)時的層間溫度較高，冷卻速率較慢，焊縫冷卻后形成塊狀α'馬氏體、針狀(α+β)相和片狀(α+β)相組織，且針狀和片狀組織均較為粗大；焊層冷至室溫再焊接下一層(方案2)和焊道冷至室溫再焊接下一道(方案3)時的層間溫度較低，冷卻速率較快，焊縫冷卻后組織未充分生長，形成較多塊狀α'馬氏體，且形成的針狀(α+β)相組織較為細(xì)小。

 

表1 不同層間溫度控制方案下焊接接頭的拉伸性能和疲勞壽命

 

 

     由表1可以看出，層間溫度的差異對焊接接頭拉伸性能的影響很小，層間溫度控制方案2下的疲勞壽命最高。結(jié)合圖4和表1，在層間溫度控制方案2下可以同時得到細(xì)小的顯微組織和良好的力學(xué)性能，故被選為最優(yōu)方案。

 

2焊后退火工藝的確定

 

 

圖5 不同溫度焊后退火處理焊接接頭焊縫的顯微組織

 

     由圖5可知，采用層間溫度控制方案2，在730℃和600℃下退火后焊接接頭焊縫組織均主要以α'馬氏體+針狀(α+β)相為主，2種焊后退火溫度對焊縫組織的影響不大。

 

     730℃和600℃下焊后退火處理后的拉伸試樣均在母材區(qū)發(fā)生斷裂。在730℃下焊后退火處理焊接接頭的抗拉強度、斷后伸長率分別為909MPa，5.9%，均高于600℃下焊后退火處理后的抗拉強度(864MPa)和斷后伸長率(5.1%)。因此，最優(yōu)焊后退火處理溫度確定為730℃。

 

3最優(yōu)工藝下的組織與性能

 

2.3.1 顯微組織

 

 

圖6 在優(yōu)化工藝下焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織

 

     由圖6可見，由母材向熱影響區(qū)和焊縫過渡時晶粒尺寸出現(xiàn)了明顯突變。母材由等軸晶粒組成，熱影響區(qū)組織與母材類似，焊縫晶粒粗化，由母材的等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮闹鶢罹?，這主要與熔池冷卻凝固時的溫度梯度有關(guān)。由于在焊接過程中采用了多層多道焊，前一焊道受后一焊道焊接時的熱影響，熱量輸入大，β相在高溫下容易長大，最終形成粗大的柱狀晶；此外，TC4鈦合金的熱導(dǎo)率較小，熔池冷卻速率較慢，進(jìn)一步加劇了晶粒的長大。另外，由于采用多層多道焊,焊縫上部(距焊縫上表面3.5mm內(nèi))、中部(距焊縫上表面3.5~6.5mm)和下部(距焊縫上表面6.5~7.5mm)經(jīng)過不同次數(shù)的熱循環(huán)，所產(chǎn)生的顯微組織有所不同，距焊縫上表面距離越小，形成的柱狀晶越粗大。

 

2.3.2 顯微硬度

 

 

  圖7 距焊縫上表面不同距離處焊接接頭的顯微硬度分布

 

     焊接接頭不同區(qū)域的顯微硬度分布如圖7所示，由于熱影響區(qū)寬度很小，且顯微組織與母材類似，故未在圖7中標(biāo)出。由圖7可以看出：距焊縫上表面最遠(yuǎn)(7.5mm)處的焊縫硬度最高，這是由于多層多道焊后，焊縫下部晶粒較細(xì)??；此外，焊縫的硬度略高于TC4合金母材，屬于高匹配接頭，基本滿足飛機(jī)用復(fù)雜結(jié)構(gòu)的“等強度”設(shè)計與服役要求。

 

2.3.3 疲勞性能

 

 

圖8 焊接接頭焊縫和母材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

 

     由圖8可以看出，隨著應(yīng)力強度因子幅值的增加，焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展速率先高于母材，而后與母材相當(dāng)。由單調(diào)拉伸和高周疲勞試驗可知，焊接接頭的斷裂位置均位于母材，表明母材是焊接接頭力學(xué)性能的薄弱環(huán)節(jié)，但對于斷裂行為，母材抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力要優(yōu)于焊縫。在圖8中近門檻值區(qū)令疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN =10-10m·周次-1，截斷得到母材和焊縫的長裂紋擴(kuò)展門檻值分別為7.22，6.16MPa·m1/2。由此可見，盡管焊接接頭為典型的高匹配接頭，但焊縫抗疲勞開裂能力低于母材，仍是需要重點監(jiān)控的部位。

 

3Part.3

 

結(jié) 論

 

     (1) 與連續(xù)施焊、焊道冷至室溫后再焊接下一道這兩種層間溫度控制方案相比，焊層冷至室溫后再焊接下一層得到的大厚度TC4鈦合金鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)接頭焊縫組織最為細(xì)小、疲勞壽命最高，故確定為最優(yōu)層間溫度控制方案；730℃下退火后的焊接接頭拉伸性能比600℃下退火后更好，故確定為最優(yōu)焊后退火溫度。

 

     (2) 在最優(yōu)工藝下，TC4鈦合金GTAW接頭母材的組織為等軸晶，焊縫為柱狀晶；焊縫硬度略高于母材，屬于高匹配接頭；接頭拉伸試驗和疲勞試驗后均在母材處發(fā)生斷裂，母材是焊接接頭力學(xué)性能的薄弱環(huán)節(jié)；焊縫的長裂紋擴(kuò)展門檻值(6.16MPa·m1/2)低于母材(7.22MPa·m1/2)，焊縫的抗疲勞開裂能力較弱。

 

引用本文：

 

 

朱麗，胡雅楠，吳圣川，等.大厚度TC4鈦合金鑄件鎢極惰性氣體保護(hù)焊的最優(yōu)工藝確定及其接頭力學(xué)性能[J].機(jī)械工程材料，2022，46（5）：58-63.