分享：大厚度TC4钛合金铸件钨极惰性气体保护焊的 最优工艺确定及其接头力学性能

摘 要:选用连续施焊、焊层冷至室温后再焊接下一层、焊道冷至室温后再焊接下一道3种层间 温度控制方案和730,600 ℃ 2种焊后退火温度,通过显微组织、拉伸性能和疲劳性能确定了大厚 度 TC4钛合金铸造板钨极惰性气体保护焊(GTAW)的最优工艺,并研究了最优工艺下焊接接头 的力学性能。结果表明:焊层冷至室温后再焊接下一层得到的焊接接头焊缝组织最为细小,疲劳寿 命最高,在730 ℃下退火后的焊接接头拉伸性能更好,故确定为最优工艺;最优工艺下,GTAW 接 头的焊缝硬度略高于母材,属于高匹配接头,在拉伸和疲劳过程中接头均在母材处发生断裂,但焊 缝的抗疲劳开裂能力低于母材。

关键词:钛合金铸件;钨极惰性气体保护焊;层间温度;焊后退火处理;疲劳 

中图分类号:TG146.2 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)05-0058-06

0 引 言 

钛合金具有高比强度、低密度、优异的高温性能 和出色的耐腐蚀性,广泛应用于航空航天和生物医 学领域,尤其适用于结构轻量化零件的加工生产。

目前,航空航天工业多采用大厚度钛合金结构件,以 实现装备结构轻量化,提升装备性能和可靠性[1-2]。 飞机大厚度钛合金复杂结构件一般通过钨极惰性气 体保护焊(GTAW)工艺连接而成。在 GTAW 过程 中,由于工艺参数选择不同,焊接接头可能会出现缺 陷、变形及热裂纹等现象[3-5],影响焊接质量。目前, GTAW 工艺按照 HB/Z120-2011《钛及钛合金钨 极氩弧 焊 工 艺 及 质 量 检 验》执 行,结 构 校 核 按 照 HB5376-1987《钛及钛合金钨极氩弧焊质量检验》 执行[6]。然而,大厚度钛合金铸造件的实际焊接厚 度达到了6~12 mm,超过了 HB/Z120-2011和 HB5376-1987 中 厚 度 5 mm 的 限 值;而 超 过 5mm 厚度的钛合金钨极氩弧焊尚无相关标准明确 列出焊接工艺规范及质量检测程序。近年来,已有 学者尝试采用激光焊接[7-8]、电子束焊接[9-1]、等离子 焊接[12-13]和窄间隙焊接[14]等工艺对钛合金结构件 进行焊接,但这些工艺在运用于飞机大型复杂结构 件上仍不及 GTAW 工艺经济、高效[5-6,8,15]。因此, 研究 GTAW 工艺参数对大厚度(6~12 mm)钛合 金复杂结构件焊接接头性能的影响十分有必要。

目前,已有研究人员对焊接电流和氩气流量等 GTAW 工艺参数对大厚度 TC4钛合金钨极氩弧焊 接头力学性能的影响进行了研究[16],但对于层间温 度和焊后退火处理温度的影响研究较少。作者研究 了层间温度和退火温度对大厚度(8mm)TC4钛合 金 GTAW 接头显微组织和力学性能的影响,确定 了最优的层间温度控制方案和退火温度,并测试了 最优工艺下接头的性能,为规范飞机大厚度零件的 焊接制造提供了技术支持。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

母材选用攀钢集团研究院有限公司生产的厚度 为8mm 的 TC4(Ti-6Al-4V)钛合金铸造板,其显微 组织主要为由片状初生α相和晶间β相组成的网篮 组织,维氏硬度(载荷为9.8N)为350 HV,抗拉强 度为850MPa,断后伸长率为4.5%。焊丝选用北京 航空材料研究院提供的直径为3mm 的 TA17(Ti- 4Al-2V)钛合金丝材。使用组成(体积分数)为24% HCl+38% HNO3 +11% HF+H2O 的酸洗液对 TC4钛合金铸造板进行酸洗以去除表面氧化膜和 油污,酸洗后用清水冲洗,干燥。采用林肯375型交 直流脉冲氩弧焊机进行钨极惰性气体保护焊,电极采用直径3mm 铈钨极,直流电源正接,保护气体为 纯度在99.99%以上的氩气。接头坡口形貌和熔敷 顺序见图1,坡口角度为40°±4°,坡口底部半径为 4mm,坡口 底 部 距 离 焊 件 底 部 1 mm。打 底 焊 层 (焊道1)采用小焊接电流(75~80A)和电压(11~ 13V);填充焊层(焊道2~5)和盖面焊层(焊道6~ 7)的焊接电流为120~130A,电压为13~15V。焊 接速度均为2mm·s-1。采用3种层间温度控制方 案:方案1为连续填充焊接;方案2为每层焊完冷却 至室温后再进行下一层的焊接,填充焊层和盖面焊 层间的焊道为连续施焊;方案3为每道焊完冷却至 室温后再进行下一道的焊接。

焊后分别 进 行 2 种 退 火 处 理,一 种 是 目 前 采 用的常规退火处理,退火温度为730°C,保温2h, 空冷至室温;另一种为去应力退火处理,退火温度 为600°C,保温2h,空冷至室温。

1.2 试验方法 

在接头焊缝处取样,经打磨、抛光,用凯勒试剂 (1mL氢氟酸+1.5mL盐酸+2.5mL硝酸+95mL 水)腐蚀后,在 ZeissAx10Axio型光学显微镜下观 察显微组织。采用 HVS-30型数显维氏硬度计测试 焊接接头各区域的维氏硬度,载荷为9.8N,保载时 间为15s,测2次取平均值。 图2 拉伸和疲劳试样尺寸 

按照 GB/T2651-2008和 GB/T3075-2008, 在接头上以焊缝为中心取全厚度拉伸试样和疲劳试 样,2种试样的形状相同,如图2所示,去除余高使焊缝区厚度与母材相同,标距段打磨至表面粗糙度 为0.8μm,其他区域表面粗糙度为1.6μm。按照 GB/T6398-2000,在焊缝区和母材上各取1个尺 寸如图3所示的紧凑拉伸(CT)试样,预制裂纹长度 为10mm,位于焊缝中心。使用 MTS810型电液伺 服疲劳试验机分别在室温下进行单轴单调拉伸试验、 高周疲劳试验和疲劳裂纹扩展速率试验。拉伸试验 时的拉伸速度为0.5mm·min-1,测2次取平均值;高 周 疲劳试验采用恒幅载荷,应力幅为275MPa,最大 图3 紧凑拉伸试样尺寸 Fig.3 Dimensionofcompacttensilespecimen 应力为500MPa,载荷波形为横幅正弦波,加载频率 为15Hz,测3次取平均值;疲劳裂纹扩展速率试验 的应力比为 0.1,应 力 幅 为 275 MPa,最 大 应 力 为 500 MPa,载 荷 波 形 为 横 幅 正 弦 波,加 载 频 率 为 15Hz,试验过程中记录每级应力强度因子幅 ΔK 对应的裂纹长度a(由柔度法检测)和循环次数 N, 采用割线法计算裂纹扩展速率da/dN。 

2 试验结果与讨论

2.1 层间温度控制方案的确定

由图4可以看出,3种层间温度控制方案下焊 接接头焊缝(焊态)的显微组织均以 α'马氏体+针 状或片状(α+β)相为主。连续填充焊接(方案1)时 的层间温度较高,冷却速率较慢,焊缝冷却后形成块 状α'马氏体、针状(α+β)相和片状(α+β)相组织,且 针状和片状组织均较为粗大;焊层冷至室温再焊接 下一层(方案2)和焊道冷至室温再焊接下一道(方 案3)时的层间温度较低,冷却速率较快,焊缝冷却 后组织未充分生长,形成较多块状 α'马氏体,且形 成的针状(α+β)相组织较为细小。

由表1可以看出,层间温度的差异对焊接接头 拉伸性能的影响很小,层间温度控制方案2下的疲 劳寿命最高。结合图4和表1,在层间温度控制方 案2下可以同时得到细小的显微组织和良好的力学性能,故被选为最优方案。 

2.2 焊后退火工艺的确定

由图5可知,采用层间温度控制方案2,在730℃ 和600℃下退火后焊接接头焊缝组织均主要以α'马 氏体+针状(α+β)相为主,2种焊后退火温度对焊 缝组织的影响不大。 

730 ℃和600 ℃下焊后退火处理后的拉伸试样 均在母材区发生断裂。在730℃下焊后退火处理焊 接接头的抗拉强度、断后伸长率分别为 909 MPa, 5.9%,均高于600 ℃下焊后退火处理后的抗拉强度 (864MPa)和断后伸长率(5.1%)。因此,最优焊后 退火处理温度确定为730 ℃。  

2.3 最优工艺下的组织与性能

2.3.1 显微组织 

由图6可见,由母材向热影响区和焊缝过渡时 晶粒尺寸出现了明显突变。母材由等轴晶粒组成, 热影响区组织与母材类似,焊缝晶粒粗化,由母材的 等轴晶转变为粗大的柱状晶,这主要与熔池冷却凝 固时的温度梯度有关。由于在焊接过程中采用了多 层多道焊,前一焊道受后一焊道焊接时的热影响,热 量输入大,β相在高温下容易长大,最终形成粗大的 柱状晶;此外,TC4钛合金的热导率较小,熔池冷却速 率较慢,进一步加剧了晶粒的长大。另外,由于采用 多层多道焊,焊缝上部(距焊缝上表面3.5mm 内)、中 部(距焊缝上表面3.5~6.5mm)和下部(距焊缝上 表面6.5~7.5mm)经过不同次数的热循环,所产生 的显微组织有所不同,距焊缝上表面距离越小,形成 的柱状晶越粗大。

2.3.2 显微硬度

焊接接头不同区域的显微硬度分布如图 7 所 示,由于热影响区宽度很小,且显微组织与母材类 似,故未在图7中标出。由图7可以看出:距焊缝上 表面最远(7.5mm)处的焊缝硬度最高,这是由于多 层多道焊后,焊缝下部晶粒较细小;此外,焊缝的硬 度略高于 TC4合金母材,属于高匹配接头,基本满 足飞机用复杂结构的“等强度”设计与服役要求。

2.3.3 疲劳性能

由图8可以看出,随着应力强度因子幅值的增 加,焊缝的疲劳裂纹扩展速率先高于母材,而后与母 材相当。由单调拉伸和高周疲劳试验可知,焊接接头的断裂位置均位于母材,表明母材是焊接接头力 学性能的薄弱环节,但对于断裂行为,母材抵抗疲劳 裂纹扩展的能力要优于焊缝。在图8中近门槛值区 令疲劳裂纹扩展速率da/dN =10-10 m·周次-1,截 断得到 母 材 和 焊 缝 的 长 裂 纹 扩 展 门 槛 值 分 别 为 7.22,6.16 MPa·m1/2[13]。由此可见,尽管焊接接头 为典型的高匹配接头,但焊缝抗疲劳开裂能力低于 母材,仍是需要重点监控的部位。

3 结 论 

(1)与连续施焊、焊道冷至室温后再焊接下一 道这两种层间温度控制方案相比,焊层冷至室温后 再焊接下一层得到的大厚度 TC4钛合金钨极惰性 气体保护焊(GTAW)接头焊缝组织最为细小、疲劳 寿命最高,故确定为最优层间温度控制方案;730 ℃ 下退火后的焊接接头拉伸性能比600℃下退火后更 好,故确定为最优焊后退火温度。 (2)在最优工艺下,TC4钛合金 GTAW 接头 母材的组织为等轴晶,焊缝为柱状晶;焊缝硬度略高 于母材,属于高匹配接头;接头拉伸试验和疲劳试验 后均在母材处发生断裂,母材是焊接接头力学性能 的薄弱环节;焊缝的长裂纹扩展门槛值(6.16 MPa· m1/2)低于母材(7.22 MPa·m1/2),焊缝的抗疲劳开 裂能力较弱。

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