TC4钛合金TIG焊接接头的组织和力学性能研究.pdf

辽宁科技学院学报 第 卷文章编号:():./.钛合金 焊接接头的组织和力学性能研究高晓刚梁建明王 烁贾慧慧任少博(河北建筑工程学院 机械工程学院河北 张家口)摘要:通过改变焊接工艺参数在不同的焊接热输入条件下对 厚 钛合金进行钨极氩弧焊焊接焊后观察了接头组织测试了显微硬度、抗拉强度和弯曲强度并结合断口形貌特征分析了接头的断裂方式和焊缝元素成分 试验结果表明:在四种焊接热输入条件下焊缝组织均为单一的针状 马氏体编织而成的网篮状组织焊缝中心部位的显微硬度值最大在热影响区存在一个明显的软化区焊接接头的抗拉性能良好弯曲性能普遍不佳延伸率和断面收缩率值偏低接头塑韧性较差接头断裂方式以脆性断裂为主焊缝区的主要元素成分为、无其他元素的出现表明焊接过程中保护效果良好关键词:钛合金钨极氩弧焊组织性能断口形貌中图分类号:文献标识码:引言()钛合金具有低密度、高强度、良好的抗蚀性能和高温抗氧化性能等突出的优点在航天航空、化工、电力等工业领域具有广泛的应用 因钛合金性质活泼高温下溶解氮、氢、氧的能力大导致其焊接性能较差焊条电弧焊、气体保护焊等常规焊接方法并不适合于钛及其合金的焊接 目前最常用的焊接方法有钨极氩弧焊()、激光焊()、电子束焊()和等离子弧焊()但激光焊和电子束焊等先进焊接技术在焊件尺寸和焊接位置(平焊、立焊、横焊、仰焊)方面存在局限性且焊接的成本较高因此考虑焊接成本且可实现全位置焊接钨极氩弧焊仍旧是钛及其合金最常用的焊接方法 钛合金在氩弧焊焊接过程中容易产生接头区脆化、晶粒粗大、焊接裂纹和气孔等焊接缺陷导致其焊接接头的力学性能变差 为进一步优化 钛合金焊接工艺试验通过改变焊接工艺参数:焊接电流、焊接速度在四种热输入条件下对 厚度 钛合金进行 焊接焊后采用.收稿日期:基金项目:河北省教育厅科学技术研究项目资助 青年基金项目“活性剂对 钛合金 焊接接头组织和性能的影响规律研究”()河北建筑工程学院博士科研启动基金项目“氯化物对钛合金 焊熔深和电弧行为的影响规律研究”()河北省高等教育教学改革研究与实践项目“三全育人理念下高校课程思政建设路径及效果提升策略研究”().作者简介:高晓刚()男山西忻州人博士讲师.研究方向:先进焊接技术.通讯作者:任少博()女河北张家口人本科讲师.研究方向:先进焊接技术.蔡司光学显微镜观察了焊缝组织采用 型万能试验机测试了焊接接头的拉伸、弯曲性能采用显微硬度仪测量了接头区域的硬度分布采用/型 射线衍射仪对焊缝区进行物相分析采用 扫描电子显微镜观察拉伸试样的断口形貌采用 能谱仪对断口的典型位置进行了元素成分分析研究了在四种焊接热输入条件下的焊接接头组织和性能的变化规律所得试验结果对 钛合金的焊接生产具有一定的指导意义 试验材料与方法试验选用上海创端实业有限公司生产的 厚 试板试板的化学成分及力学性能测试值见表 和表 焊丝为与母材成分相同的 实芯焊丝焊接设备为美国 焊机焊前对试板和焊丝表面酸洗去除钛合金表层氧化物和杂质拿取时应戴洁净的白手套防止油污污染待焊试件表面 焊接方式使用电源直流正接法电极为.铈钨极喷嘴为 的铜质喷嘴 为了避免焊接过程中高温熔池与氧、氮、氢等元素发生冶金反应焊接试验在纯度为.的充氩玻璃箱内进行设定焊枪氩气流量 焊接过程中通过调整焊接参数(电流、焊接速度)得到了四组焊接热输入数据分别为:、表 钛合金化学成分(质量分数)元素允许范围.余量测试值.余量第 卷 第 期 年 月辽宁科技学院学报 .表 钛合金力学性能抗拉强度/屈服强度(.)/延伸率冷弯角无损探伤允许范围 测试值.合格合格 试验结果与分析.接头组织分析图 为 钛合金 焊接接头的微观组织形貌 因不论在何种热输入条件下焊接焊接接头的组织转变过程和晶粒度变化的规律基本一致明显的 区 别 在 组 织 形 态 和 晶 粒 大 小 上 现 以热输入条件下的焊接试样为例分析焊接接头各区的组织转变过程及特征 从图中看出焊接接头在经历焊接热循环以后组织可以分为母材区()、过渡区()、细晶区()、粗晶区()和焊缝区()母材区组织为等轴状的 相和 相的机械混合物过渡区、细晶区和粗晶区属于热影响区在强烈的 电弧热冲击作用下原始 相和 相开始逐步熔合向高温 相转变冷却后只有部分 相形成 马氏体相组织组成物为 相焊缝区中的高温 相通过晶格重构形式向针状 马氏体转变生成了 马氏体并相互交织成网篮状组织结构见图 此外从图 中还可以看出随着越靠近焊缝中心区 晶粒的粗化程度逐渐变大圆整度也变差且晶粒长大具有突变特性 通过 射线衍射物相分析在四种热输入条件下的焊缝组织均为单一的 马氏体相见图 这表明焊接过程中冷速较快 相来不及向 相转变只能形成它们之间的一种亚稳态过渡相 马氏体相因具有很高的硬度和强度从而使焊缝表现出优良的抗拉性能图 焊接头的微观组织形貌母材()、过渡区()、细晶区()、粗晶区()和焊缝区()图 接头焊缝区微观组织图 焊缝区组织 射线衍射图谱.显微硬度分析图 为在四种热输入条件下 钛合金 焊接接头的显微硬度变化曲线其中横坐标为到焊缝中心线的距离纵坐标为接头处的显微硬度测试值 从图中看出随着离开焊缝中心距离的增加四组接头试样的显微硬度均呈现先降低后升高的趋势 其中焊缝区域的硬度值最高平均硬度值在 表明该区域具有较高的强度和变形阻力这是因为在焊接热循环作用下焊缝区生成了大量由针状 相组成的网篮状马氏体组织的缘故在热影响区即距离焊缝中心 处存在一个软化区该区域内的硬度值最低其平均硬度值在 之间表明在该区域较容易发生断裂是焊接接头性能比较薄弱的一个区域母材区的硬度值恒定在 之间变化 试样 的焊接热输入值是一个递增的关系图中进一步可看出随着热输入的增加四组试样焊缝区的硬度值呈现升高的趋势热影响区位置的软化区逐步向母材侧移动且软化区的硬度值也均呈现升高的趋势即在高的焊接热输入下其软化区的硬度值相比低的焊接热输入要高 焊接接头软化区组织由 相、相和 相组成其中针状 马氏体的含量和分布综合决定了该区硬度值的大小 辽宁科技学院学报 第 卷图 钛合金 接头显微硬度分布曲线.拉伸、弯曲力学性能测试表 为在四种热输入条件下焊接接头的拉伸和弯曲力学性能测试数据 在每种焊接热输入条件下焊接 个试样取平均值作为最终测试值 在拉伸试验中大部分试样的断裂位置均处在焊缝熔合线附近并偏向热影响区()侧其中有 组试样断裂在焊缝区()从图 看出随着焊接热输入的增大焊接接头的抗拉强度值在单调递增 在最大热输入值 时焊接接头的平均抗拉强度值为 达到了母材抗拉强度的基本接近 母 材 的 抗 拉 强 度 值 在 最 小 焊 接 热 输 入 时焊接接头的平均抗拉强度值为 也达到了母材抗拉强度的 表明在四种热输入工艺下焊接接头的拉伸性能良好 进一步通过 软件中的多项式回归拟合方法对焊接热输入与焊接接头的抗拉强度的关系曲线进行拟合得到回归方程:.(其中 为抗拉强度值 为焊接热输入值)用来表征抗拉强度与热输入大小关系的数学模型 从图中可看出在实验中给定的热输入范围内焊接接头抗拉强度随焊接热输入的增加在单调递增表明在制定工艺时还可以增大焊接热输入以进一步提高焊接接头的力学性能 这对 钛合金 焊接工艺的制定及优化具有一定的借鉴和指导作用表 焊接接头力学性能数据试样编号热输入/抗拉强度/抗拉强度均值/延伸率/断面收缩率/抗弯强度/抗弯强度均值/.续表 试样编号热输入/抗拉强度/抗拉强度均值/延伸率/断面收缩率/抗弯强度/抗弯强度均值/.图 焊接接头抗拉强度与热输入的关系此外从表 中可知焊接接头的平均弯曲强度值随焊接热输入增加先降后增相比 母材的弯曲强度值 试样弯曲性能最大测试值也仅达到了 说明 钛合金 焊接接头的弯曲性能普遍不佳试样的延伸率随热输入的增加而增加断面收缩率则先降低后增加总体来看其值偏低 在经历不同的焊接热输入后其焊接接头的塑韧性严重变差这是由于在经历焊接热循环后焊缝和热影响区的晶粒粗大以及生成 马氏体脆硬相导致的.断口形貌及能谱分析图 是在四种热输入条件下焊接接头拉伸试样的断口形貌图 从图中看出四组拉伸试样的断口形貌具有共同的特征均表现为断面齐平且与正应()试样 ()试样()试样 ()试样图 试样拉伸断口形貌第 卷 第 期 年 月辽宁科技学院学报 .力的方向相互垂直图中还可观察到解离面和解离台阶的存在以及在撕裂棱处大小不一的韧窝 总体来看韧窝尺寸均较小和较浅虽然存在一定的塑性变形能力但塑性变形的程度很小这些小而浅韧窝在拉伸过程中不足以吸收足够多的能量客观上仍旧以脆性断裂为主 这也是焊接接头的断面收缩率和伸长率偏低的原因所在利用能谱仪对试样进行 能谱分析可以确定元素组成及含量能进一步检验焊缝在受热过程中的保护效果同样可解释拉伸试样的微观断裂机理 图 为焊缝区的能谱分析结果从图中可知焊缝区的主要元素组成为、这些元素属于基体元素并无其他元素出现表明焊接过程中保护效果良好 此外、三种元素含量比例与母材成分元素比例两者差别较大表明焊接过程中出现了元素的烧损和偏析 作为 相稳定元素 作为 相稳定元素 元素的烧损可以使 相变的稳定在焊缝金属冷却凝固及后续固态相变过程中图 试样能谱分析结果 相转变为焊缝和热影响区中针状 相的量减少也会在一定程度上影响焊接接头的综合力学性能 结论()经历焊接热循环后 钛合金 焊接接头组可以分为母材区()、过渡区()、细晶区()、粗晶区()和焊缝区()在四种焊接热输入条件下焊缝组织为单一的针状 马氏体相编织成的网篮状组织保证了焊缝具有优良的抗拉性能()焊接接头中焊缝区硬度值最高在热影响区存在一个明显的软化区 随着焊接热输入的增加四组试样焊缝区的硬度值呈现升高的趋势热影响区位置的软化区逐步向母材侧移动且软化区硬度值也均呈现升高的趋势()随焊接热输入增加焊接接头抗拉强度值在单调递增 试验中最小的抗拉强度平均值也达到了母材抗拉强度的 表明在四种热输入工艺下焊接接头的抗拉性能均良好焊接接头的弯曲性能普遍不佳延伸率和断面收缩率值偏低表明焊接接头的塑韧性较差()拉伸断口分析结果显示断口处存在大量的解离面和解离台阶且韧窝小而浅断裂形式仍以脆性断裂为主焊缝区的主要元素组成为、无其他元素出现表明焊接过程中保护效果良好参考文献:闫晶张荣霞吴为等.航空液压钛合金导管组件制造关键技术应用.航空制造技术():.肖珺雷一鼎陈树君等.基于多点柔性支撑的钛合金激光焊接变形控制.焊接学报():.苗金芳王爱琴吕逸帆等.厚 钛合金电子束焊接头组织和性能.焊接():.孙伟强.钛合金管道全位置等离子弧焊组织性能研究.沈阳:沈阳工业大学.郝晓虎.钛合金/不锈钢薄板钨极氩弧焊接头组织及性能研究.大连:大连理工大学.张婧杜伟王孟果等.钛合金激光 电弧复合焊接头组织性能.金属加工(热加工)():.高晓刚.影响 钛合金 焊接头力学性能的因素研究.呼和浩特:内蒙古工业大学.杜勇李峰夏希玮等.钛合金窄间隙激光填绞股焊丝焊接接头组织及性能.焊接():.魏祺吴家云马秀萍等.热输入对 钛合金电子束焊接接头组织和力学性能的影响.中国有色金属学报():.孙文君.大厚度 钛合金电子束焊接头显微组织与力学性能评估.南昌:南昌航空大学.():.(下转第 页)第 卷 第 期 年 月辽宁科技学院学报 .的蜕变直至目前使用的新型复合砖 随着水泥回转窑产量的逐年增大国家要向技术创新、生产技术标准化控制等多元化发展耐火材料作为水泥工业的基础性消耗材料每年都面临着巨大消耗 明确水泥窑用耐火材料的损坏机理减少停窑频次是提高水泥窑运转率的有效方法参考文献:张福彪.优质水泥窑耐火砖的实际生产技术.中国高新技术企业():.袁林 王杰曾.新型干法水泥窑用耐火材料的现状与发展.耐火材料 ():.():.():.张鹏.无铬耐火衬料在.回转窑上的应用.水泥():.周伟 岳月红 康华荣 等.新型干法水泥窑高温带用无铬砖的研制及应用.中国水泥():.章道运.大型干法水泥窑用镁格砖的研制与应用研究.西安:西安建筑科技大学.漆亮.直镁砖在华新 /预分解窑上的使用.水泥工程():.张芸 关岩 张玲.含铁添加剂对水泥窑方镁石 尖晶石砖性能的影响.鞍山钢铁学院学报 ():.袁林 陈雪峰 陈松林 等.水泥窑用 复合耐火材料的研究.水泥():.():.惠建秋.添加剂改善白云石耐火材料烧结性能的研究.建材世界 ():.张国平 欧阳世翕 钟香崇 等.水泥窑用碱性耐火材料的高温力学性能研究.郑州大学学报(工学版)():.王杰曾 袁林.新形势下水泥窑用耐火材料的研究与开发进展.硅酸盐通报 ():.马淑龙 苏玉柱 张康康 等.水泥窑用低导热单晶相莫来石砖的研制.耐火与石灰 ():.孔祥魁 邓华翔 杨利晓.大型干法水泥窑用高性能镁铁铝尖晶石砖的研发.耐火与石灰 ():.尹春明.水泥窑用耐火材料损坏的原因及预防措施.建材发展导向 ():.(.):.:(上接第 页).: