航空工程用TA18钛合金板材焊接工艺对比研究

TA18(Ti-3Al-2.5V)是美国20世纪60年代末研制的一种近α型钛合金,因其具有良好的力学性能、加工性能和优于TC4钛合金的焊接性能,被广泛用作航空管材[１]。相比不锈钢或铝合金管材,TA18钛合金管材不仅能承受更大的工作压力,还能满足航空航天领域对可靠性及持久性的要求[2]。

在工程应用过程中,钛合金管材、板材和型材均会受到空间位置及装配精度的限制,势必要采用合适的焊接方法对其进行连接[３－４]。在实际应用中，TA18钛合金管材常以无缝管的形式使用,因而对于TA18钛合金的研究主要集中在轧制及无缝管加工方面[５－７]。

随着钛焊管制备技术的发展,相比无缝钛管，钛焊管在制造成本、绿色高效、壁厚均匀一致性等方面显示出一定的优势,并已在某些领域取代无缝钛管获得应用[８]。然而,现阶段针对TA18钛合金焊管的研究较少,尤其是焊缝对服役性能的影响有待深入研究。因此,分别采用钛焊管工业生产中常用的直流钨极氩弧焊(直流TIG)、脉冲钨极氩弧焊(脉冲TIG)和激光焊接工艺对TA18钛合金板材进行焊接,研究不同焊接工艺对焊缝几何形状、显微组织及力学性能的影响,以期为TA18钛合金焊管的研发提供一定的理论依据和技术参考,推进钛合 金焊管的生产应用。

1、实验

实验材料为2mm厚的TA18钛合金冷轧带卷，其化学成分如表1所示。从冷轧钛带卷上切取试样，规格为500mm×100mm×2mm。

采用直流TIG、脉冲TIG和激光焊接3种方式分别沿着板材轧制方向焊接TA18钛合金板材。施焊前,用砂纸打磨试样表面,然后用酒精冲洗,烘干。

TIG焊接和激光焊接过程中均采用纯氩气对高温焊接熔池区域进行双面保护,其中钨极保护喷嘴气体流量为８L/min,焊接拖罩气体流量为10L/min,背面保护气体流量为10L/min。

TIG焊机型号为松下ＹＣ-４00ＴＸ４型,激光器为6000W光纤激光器,焊接工艺参数如表2所示。在使用脉冲TIG焊接时,基值电流是峰值电流的20％，同时脉冲频率设定为200Hz,有利于降低焊接总体的热输入,方便控制熔池的形貌和尺寸,使得焊道表面纹理光滑。脉冲TIG焊接的平均电流为180A，直流TIG焊接的电流为215A。

按图１所示,采用激光切割机在TA18钛合金焊接接头位置截取金相试样和力学性能试样。金相试样经过磨抛后,用Ｋｒｏｌｌ试剂进行腐蚀。采用ＸＪＺ-6Ａ型光学显微镜观察焊接接头组织,并用４02ＭＶＡ型显微硬度计测量焊接接头不同位置的显微硬度，加载载荷为9.8Ｎ,持续时间为15s。拉伸试样按照ＧＢ/Ｔ26５１—200８加工,标距长度为100mm。采用ＣＭＴ５１0５型万能试验机进行室温拉伸性能测试,拉伸速率在试样屈服之前为0.2mm/min,之后增加至20mm/min。弯曲试样按照GB/T2653-2008加工，压头直径为6mm,下 压头间距为12mm,弯曲速率为60mm/min。

2、结果与分析

2.1宏观形貌

图2为不同焊接工艺下TA18钛合金焊接接头表面的宏观形貌,焊缝及热影响区宽度如表3所示。

从图2可以看出,TIG焊接和激光焊接都可实现TA18钛合金板材双面良好成形,焊缝正面和背面均连续均匀。由于直流TIG焊接热输入较大,焊缝宽度达到8.72mm；采用脉冲TIG焊接时,高频脉冲促使电弧能量集中,整体的焊接热输入减小,焊缝宽度降低至7.40mm；而激光焊接过程中激光束具有更强的穿透性且激光能量更加集中,致使激光焊接接头焊缝和热影响区宽度均明显降低,焊缝宽度仅为2.66mm,相比于直流TIG焊接降低约69.5％。

激光焊接具有最快的熔池加热和冷却速度,熔池高温停留时间短,液态金属流动性差,熔池中心的液态金属不能及时回流到焊缝两侧,导致焊缝两侧咬边缺陷增加。而脉冲TIG焊接可对焊接熔池的流动性进行调控,因而能够更好地控制焊缝熔透行为、焊缝宽度和咬边。相比激光焊接,脉冲TIG焊缝中心位置熔池下塌降低,热影响区位置的熔池咬边也得到一定削弱。

2.2显微组织

图3为不同焊接工艺下TA18钛合金焊接接头的横截面形貌。图４为TA18钛合金焊接接头横截面组成区域示意图。由图4可以看出,TA18钛合金焊接接头主要分为母材(ｂａｓｅｍｅｔAl,ＢＭ)、热影响区ｈｅａｔａｆFeｃｔｅｄｚｏｎｅ,ＨＡＺ)和焊缝区(ｗｅｌｄｚｏｎｅ,ＷＺ)，而热影响区根据受热情况分为粗晶热影响区(ｃｏａｒｓｅｇｒａｉｎｈｅａｔａｆFeｃｔｅｄｚｏｎｅ,ＣＧＨＡＺ)和细晶热影响区(ｆｉｎｅｇｒａｉｎｈｅａｔａｆFeｃｔｅｄｚｏｎｅ,ＦＧＨＡＺ)。从图３可以看出,直流TIG焊接接头粗晶热影响区的晶粒呈现铸态组织特征。脉冲TIG焊接方式能够降低焊缝熔池的整体热输入,同时峰值电流和基值电流交替对熔池液态金属进行加热和冷却,有利于加强对焊接熔池的搅拌作用,细化粗大的柱状晶粒。

激光焊接具有较快的加热和冷却速率,熔池液态金属主要依附于热影响区半熔化晶粒形核长大,熔池高温停留时间相对较短,晶粒来不及长大便凝固；焊缝柱状晶区晶粒呈４５°夹角从两侧对称向焊缝中心位置生长,具有较大的长宽比。

图５为TA18钛合金焊接接头不同位置的金相组织。从图５可以看出,虽然直流TIG、脉冲TIG、激光焊接的热源形式有所差异,但焊接接头不同区域的微观组织特征基本相似。TA18钛合金母材组织为等轴α相,当焊接加热温度超过α/β转变温度时，母材中的α相向β相转变,高温下β晶粒快速长大[９－１0]。在随后的快速冷却过程中,焊缝熔池内粗大的β晶粒保存至固相,并形成针状马氏体α′相[１１]。直流TIG焊接接头中除针状马氏体α′相之外,还存在大量先共析α相,其中焊缝区内先共析α相占比最大且呈块状团聚分布,这表明即使在焊缝熔池快速冷却的过程中,熔池内局部区域仍存在较大温差,导致不同位置的冷却速度不同,造成焊缝区不同位置显微组织存在差异。与直流TIG焊缝中存在较大的块状α相不同,脉冲TIG焊缝中的针状马氏体α′相更加细小,呈交错的网篮组织形态。

激光焊接焊缝区显微组织主要为原始β晶界隔开的针状马氏体α′相及少量的块状相变α相,且网篮状排列的针状马氏体α′相占比最大,组织最细。

粗晶热影响区为针状马氏体α′相和更加细小、弥散分布的块状转变α相。随着距离热源中心位置的增加,细晶热影响区的加热温度较低且冷却速度快,晶粒尺寸仍然较小,仅有部分α相转变为高温β相(深色),随后冷却过程中形成α＋α′相组织。

2.3 力学性能

由于TA18钛合金直流TIG、脉冲TIG和激光焊接接头微观组织存在差异,导致焊缝显微硬度也有所不同。TA18钛合金母材显微硬度值为2.17GPa,激光焊接接头焊缝区的平均显微硬度值达到2.73GPa，显著高于直流TIG和脉冲TIG(焊缝区的平均显微硬度值分别为2.53、2.57GPa)。这是因为激光焊接具有较快的冷却速率,导致焊缝区形成大量细小的网篮状排列的针状马氏体α′相,而网篮状排列的针状马氏体α′相是提高焊缝强度和硬度的主要组织[9，12]。

图6为TA18钛合金室温拉伸试样的照片,图７为不同焊接工艺下TA18钛合金焊接接头的室温拉伸性能。从图6可以看到,不同焊接工艺下拉伸试样的断裂位置均位于母材处。TA18钛合金母材的抗拉强度为659MPa,屈服强度为626MPa,延伸率为22.0％。从图７可知,焊接工艺对TA18钛合金焊接接头抗拉强度及屈服强度的影响不大。激光焊接工艺下,焊接接头的延伸率最高,达到20.5％,为母材的93％；直流TIG焊接工艺下的延伸率最低,为16.％,是母材的72％。这是因为激光焊接接头焊缝区和热影响区的宽度要显著小于TIG焊接,在拉伸试样标距范围内母材的变形协调区间更大。

TA18钛合金焊接接头的弯曲性能如表４所示。

从表４可见,激光焊接接头的弯曲角度普遍低于TIG焊接接头,这是由于激光焊缝中的针状马氏体α′相较多,造成焊接接头硬度增加。

3、结论

(1)与直流TIG焊接工艺相比,脉冲TIG焊接工艺的电弧能量集中,整体的焊接热输入减小,焊缝熔宽降低；激光焊接工艺可显著降低焊接接头的宽度,与直流TIG焊接工艺相比焊接接头宽度减少约69.5％。

(2)TA18钛合金激光焊接接头显微组织主要为原始β晶界隔开的针状马氏体α′相及少量的块状相变α相,且网篮状排列的针状马氏体α′相占比最大，组织最细。

(3)3种焊接工艺下拉伸试样的断裂位置均位于母材处,其中,激光焊接工艺下焊接接头的延伸率最高,为20.5％,达到母材的93％。与TIG焊接接头相比,激光焊接接头具有更高的显微硬度,但其弯曲性能相对较低。

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