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。

 

1Part.1试样制备与试验方法

 

1试样制备

 

     母材选用厚度为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%。焊丝选用直径为3mm的TA17(Ti-4Al-2V)钛合金丝材。使用组成为HCl、HNO3、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1mm。打底焊层(焊道1)采用小焊接电流(75~80A)和电压(11~13 V)；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。

 

 

图1 接头坡口形貌及熔敷顺序

 

2试验方法

 

     在接头焊缝处取样，经打磨、抛光，用凯勒试剂腐蚀后，在光学显微镜下观察显微组织。采用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/T 2651—2008和GB/T 3075—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/T 6398—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275MPa，最大应力为500MPa，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 。

 

 

图3 紧凑拉伸试样尺寸

 

2Part.2试验结果与讨论

 

1层间温度控制方案的确定

 

 

图4 不同层间温度控制方案下焊接接头焊缝的显微组织

 

     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。

 

表1 不同层间温度控制方案下焊接接头的拉伸性能和疲劳寿命

 

 

     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焊后退火工艺的确定

 

 

图5 不同温度焊后退火处理焊接接头焊缝的显微组织

 

     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909MPa，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℃。

 

3最优工艺下的组织与性能

 

2.3.1 显微组织

 

 

图6 在优化工艺下焊接接头不同区域的显微组织

 

     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

 

 

  图7 距焊缝上表面不同距离处焊接接头的显微硬度分布

 

     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

 

 

图8 焊接接头焊缝和母材的疲劳裂纹扩展速率

 

     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 =10-10m·周次-1，截断得到母材和焊缝的长裂纹扩展门槛值分别为7.22，6.16MPa·m1/2。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。

 

3Part.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(6.16MPa·m1/2)低于母材(7.22MPa·m1/2)，焊缝的抗疲劳开裂能力较弱。

 

引用本文：

 

 

朱丽，胡雅楠，吴圣川，等.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[J].机械工程材料，2022，46（5）：58-63.

 

来源：机械工程材料

关键词： TC4钛合金 钨极 惰性气体保护焊