TA1純鈦TIG焊的接頭組織與性能分析

郭豫鵬，狄士春，韋東波，劉 輝

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

TA1純鈦TIG焊的接頭組織與性能分析

郭豫鵬，狄士春，韋東波，劉 輝

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

采用TIG焊技術(shù)焊接TA1鈦合金，對(duì)比了5組不同焊接參數(shù)下的焊縫成形和力學(xué)性能，對(duì)力學(xué)性能最優(yōu)的試樣進(jìn)行了接頭硬度、組織、成分、耐蝕性能的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：TA1薄板焊接在較窄的電流范圍內(nèi)能獲得良好的成形與拉力性能，峰值電流38 A時(shí)拉力性能達(dá)到母材的78.9%；接頭硬度由焊縫向母材降低，焊縫至母材晶粒由等軸α晶向鋸齒狀α晶轉(zhuǎn)變；物相分析焊縫為α-Ti與少量TiFe相金屬間化合物組成；因TiFe化合物較母材更易被侵蝕，造成其焊縫耐蝕性略低于母材。

TIG；焊接接頭；耐蝕性能

鈦合金具有耐蝕性強(qiáng)、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐熱性好等優(yōu)越性能，故在熱交換器、蒸發(fā)器、海水淡化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；但鈦合金薄板因壁薄、焊接過(guò)程易氧化等因素，使其焊接技術(shù)成為工程研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-3]。

全位置非熔化極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）是新興的自動(dòng)化焊接技術(shù)，具有效率高、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)電弧電壓技術(shù)能保持電弧的穩(wěn)定，獲得良好的焊接質(zhì)量；尤其對(duì)于薄板焊接，解決了手工焊的焊縫成形不規(guī)則的問(wèn)題。本文以純鈦薄板為研究對(duì)象，研究焊接電流對(duì)接頭的影響，并對(duì)力學(xué)性能最優(yōu)的接頭進(jìn)行組織性能分析。

1 實(shí)驗(yàn)條件及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)采用150 mm×200 mm×1 mm的TA1純鈦，焊接設(shè)備為GOLD TRACK VI型自動(dòng)焊電源。峰值電流為40 A，基值電流為10 A，焊接頻率為5 Hz，占空比為50%，焊接速度為56 mm/min，氬氣流量為10 L/min；無(wú)填充絲，單面焊雙面成形。焊接時(shí)，正面與背面同時(shí)實(shí)行氬氣保護(hù)，正面拖罩保護(hù)，背面銅墊板保護(hù)。在滿足焊接要求的前提下，峰值電流分別采用34、35、36、37、38 A 5組電流參數(shù)。

焊接完成后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量焊縫寬度，在試樣正面、背面測(cè)量10個(gè)數(shù)值，取其平均值作為焊縫正面、背面的寬度。利用INSTRON 5569型電子萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行接頭拉伸性能實(shí)驗(yàn)，得出最優(yōu)焊接

電流，對(duì)該焊接參數(shù)下的接頭組織性能進(jìn)行分析。利用HVS-5Z型數(shù)顯自動(dòng)轉(zhuǎn)塔維氏硬度計(jì)測(cè)量接頭硬度分布；將試樣拋光、清洗、烘干、鑲嵌后，由硝酸和氫氟酸混合溶液進(jìn)行侵蝕，再用JX06型金相顯微鏡觀察焊縫截面組織。利用D/max-rB型X射線衍射儀（XRD）對(duì)母材、焊縫進(jìn)行物相分析。利用CHI604C型電化學(xué)分析儀分析接頭耐蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫成形

焊接電流對(duì)焊縫成形的影響見(jiàn)圖1。隨著焊接電流的增大，熱輸入量增加，焊縫正面與背面的寬度均增加。當(dāng)焊接電流為37～38 A時(shí)，焊縫成形趨近穩(wěn)定。當(dāng)焊接電流大于38 A時(shí)，在薄板焊接中會(huì)因電流過(guò)大而使工件燒穿，不能滿足焊接基本要求。因此，對(duì)于薄板焊接，焊縫寬度隨電流增大而增加，在較窄的電流范圍內(nèi)能獲得良好的焊縫成形。

圖1 焊接電流對(duì)焊縫寬度的影響

2.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)

不同焊接電流下的接頭力學(xué)性能見(jiàn)圖2。接頭的力學(xué)性能隨著電流密度的增大而增強(qiáng)。當(dāng)焊接電流為34 A時(shí)，拉伸應(yīng)力為370.1 MPa，斷面收縮率為22.86%。當(dāng)峰值電流為38 A時(shí)，力學(xué)性能最優(yōu)，達(dá)到425.28 MPa，斷面收縮率為39.25%，達(dá)到母材拉力性能的78.9%。通過(guò)對(duì)比可知，采用第5組焊接參數(shù)（峰值電流38 A），能獲得良好的力學(xué)性能。

圖2 焊接電流對(duì)接頭拉力性能的影響

2.3 硬度分析

對(duì)第5組焊接參數(shù)下的接頭測(cè)試其硬度，圖3是接頭各區(qū)硬度分布的測(cè)量結(jié)果?？煽闯?，接頭焊縫硬度高于熱影響區(qū)與母材，最大為271 HV。沿焊縫中心（0點(diǎn)）向外為熱影響區(qū)、母材，熱影響區(qū)硬度隨著距焊縫中心距離的增大而逐漸下降，且高于母材硬度，在距離2 mm處為245 HV，距離4 mm處為214 HV；母材硬度最低，為209 HV。分析可得，在焊接過(guò)程中，焊縫硬度提高較大，硬度分布隨著距焊縫中心距離的增加而減小。

圖3 TA1焊接接頭顯微硬度分布

2.4 顯微組織分析

圖4是接頭金相組織。圖4a是母材（Base Material，BM）等軸α晶組織；圖4b是母材向過(guò)渡熱影響區(qū)（Heat-Affected Zone，HAZ）轉(zhuǎn)變，晶粒逐漸增大；圖4c是焊縫組織（Weld Joint，WJ）鋸齒狀α晶。可看出，母材組織均勻，為典型的等軸α晶。在焊接熱循環(huán)作用下，晶粒由等軸α晶逐漸增長(zhǎng)，在焊縫中心處形成粗大的鋸齒狀α晶。因焊接過(guò)程中焊縫急速升溫、急速冷卻，冷卻梯度存在差異，從而造成焊縫枝狀組織無(wú)方向性地生長(zhǎng)為大小不均勻的鋸齒狀晶粒。在TA1純鈦TIG無(wú)填充絲焊接中，焊縫與熱影響區(qū)不存在明顯的晶粒界線，為逐漸過(guò)渡的晶粒分布，在焊接熱輸入下，母材熔化后再凝固形成焊縫，晶粒尺寸存在較大變化。

圖4 接頭各區(qū)域金相

2.5 XRD分析

圖5是焊縫和母材的XRD物相分析。在焊縫中存在α-Ti相，表明材料在焊接后保持了原有的物相成分。而存在TiFe型金屬間化合物，是由于TA1材料中Fe含量為0.25%，根據(jù)Ti-Fe系相圖，F(xiàn)e在Ti中的溶解度為0.05%～0.1%，因此，F(xiàn)e在α組織中以過(guò)飽和形式存在；因焊接過(guò)程的高溫和急速冷卻作用，焊縫的富鐵區(qū)未及時(shí)擴(kuò)散而存在于α晶界和晶面間，從而形成TiFe相金屬間化合物。

Microstructure and Properties Analysis of TA1 Joint in TIG Welding

Guo Yupeng，Di Shichun，Wei Dongbo，Liu Hui
（Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Mechanical properties of 5 group TA1 joints welded by TIG welding technology under differentwelding parameters are compared.The jointhardness，microstructure，XRD，corrosion resistance of test sample with optimal mechanical properties is studied.Experiment results show that TA1 sheet welding can obtain good formability and mechanical properties in a narrow range of current. When peak of welding current is 38 A，the tensile of the joint reach to 78.9%of the parent material in hardness.The joint hardness reduce from the welding seam to the parent metal，and the equiaxed alpha crystal transform to the jagged alpha crystal.The microstructure of welding seam is composed of α-Ti and a small amount of TiFe.Because the TiFe compound's corrosion resistance is lower，the corrosion resistance of the welding seam is slightly lower than base metal.

TIG；weld joint；corrosion resistance

TG457

A

1009－279X（2014）03－0056-02

2014-01-19

郭豫鵬，男，1986年生，博士研究生。