蘇允海，劉治宇，劉政軍，王同歡

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

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TA2鎢極氬弧焊焊接工藝的優(yōu)化*

蘇允海，劉治宇，劉政軍，王同歡

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

為了研究TA2鎢極氬弧焊的最佳工藝參數(shù)，采用自動TIG焊對厚度為5 mm的TA2試板進行了焊接實驗.焊后對焊接接頭進行了拉伸實驗和硬度實驗，并對焊接接頭的顯微組織和拉伸斷口進行了觀察.結(jié)果表明，在焊接電流為170 A、焊接速度為2.0 mm/s的最優(yōu)參數(shù)條件下，焊接接頭的抗拉強度為598.3 MPa，斷后伸長率為26.7%，斷面收縮率為38.5%，焊縫硬度為209 HB，熱影響區(qū)硬度為182 HB.適宜的焊接工藝參數(shù)能夠減少焊接接頭中馬氏體和魏氏組織的產(chǎn)生，并提高焊接接頭的強度和塑性.

TA2工業(yè)純鈦；鎢極氬弧焊；焊接接頭；力學(xué)性能；顯微組織；拉伸斷口；焊縫；熱影響區(qū)

鈦及鈦合金是極其重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料.由于具有密度小、比強度高、耐蝕性好和生物相容性好等優(yōu)點，鈦及鈦合金廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛工程、建筑化工和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，因而被稱為“太空金屬”、“海洋金屬”和“智能金屬”.近年來，隨著我國航空航天領(lǐng)域和汽車行業(yè)的高速發(fā)展，人們對高強度輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的需求量日益增多.2014年我國的海綿鈦產(chǎn)量達到了1.5×105t[1].由于鈦具有易被氧化的特點，因此，鈦的焊接技術(shù)已經(jīng)成為焊接工程領(lǐng)域的熱點研究問題[2-5].焊接質(zhì)量直接影響鈦產(chǎn)品的使用性能，因而制定適宜的焊接工藝是非常必要的.目前，大量科研工作者對鈦合金的不同焊接技術(shù)進行了研究，研究內(nèi)容包括等離子弧焊、攪拌摩擦焊、激光焊[6-9]、電子束焊和鎢極氬弧焊[10]等.由于鎢極氬弧焊具有設(shè)備低廉、工藝簡單的特點，實際上鈦合金的焊接主要以鎢極氬弧焊為主.

本文采用自動鎢極氬弧焊的焊接方法，對厚度為5 mm的TA2工業(yè)純鈦試板進行了焊接.在焊接過程中，通過改變焊接電流和焊接速度來調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù).焊后對不同工藝參數(shù)下的試板進行力學(xué)性能測試和顯微組織觀察，并對焊接頭的性能進行對比分析，從而得到能夠獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的焊接工藝參數(shù).

1　實驗材料及方法

1.1實驗材料

采用退火態(tài)TA2工業(yè)純鈦作為母材，母材的加工尺寸為150 mm×100 mm×5 mm，母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、2所示.由于鈦合金易被空氣氧化，而使其表面形成一層致密的氧化膜.因此，實驗前需要用砂紙對試板表面進行打磨，并用丙酮進行清洗.實驗選用直徑為1.2 mm的TA1焊絲，其化學(xué)成分如表3所示.

表1　TA2母材的化學(xué)成分(w)

表2　TA2母材的力學(xué)性能

表3　TA1焊絲的化學(xué)成分(w)

1.2實驗方法

實驗采用直流正接的鎢極氬弧焊方法.由于在焊接過程中，鈦合金易被空氣污染，并從250、400、600℃分別開始吸收氫、氧和氮，因而易造成焊接接頭的脆化，并增大焊接區(qū)的裂紋傾向，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔.因此，在試板的焊接過程中，需要施加正面保護罩和背面保護槽，其示意圖如圖1所示.在正面保護罩和背面保護槽中通入純度為99.99%的氬氣，且氬氣流量為18 L/min.可以通過焊后焊縫的顏色對其保護效果進行判斷.若焊縫顏色為銀白色和金黃色，則表明保護效果良好，焊接質(zhì)量合格；若焊縫顏色為藍色和暗灰色，則表明保護效果極差，焊接質(zhì)量不合格.

圖1　保護裝置

為了保證試件焊透，焊前利用刨床將母材加工出60°的V型坡口，焊接時用卡具將試件固定在背面保護槽上以防止試件變形.在焊接過程中，分別改變焊接電流和焊接速度，具體工藝參數(shù)如表4所示.

表4　焊接工藝參數(shù)

焊后對試樣進行力學(xué)性能測試和顯微組織觀察.將試件加工成尺寸為15 mm×10 mm×5 mm的金相試樣后，進行鑲嵌、磨制、拋光和腐蝕處理.采用光學(xué)顯微鏡和布氏硬度計對焊接接頭的不同區(qū)域分別進行顯微組織觀察和硬度測試.另外，在每個試件上加工出兩個標(biāo)準拉伸試樣，用以測試焊接接頭的抗拉強度，伸長率及斷面收縮率.

2　實驗結(jié)果與分析

2.1焊接電流對焊接接頭力學(xué)性能的影響

為了研究不同焊接電流對焊接接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，對不同電流下的焊接接頭進行了拉伸測試和硬度測試，且實驗發(fā)現(xiàn)拉伸斷裂部位均為熱影響區(qū).

圖2為焊接電流對焊接接頭拉伸性能的影響曲線.由圖2可見，隨著焊接電流的增加，焊接接頭的抗拉強度、伸長率和斷面收縮率曲線呈現(xiàn)出高度的一致性，均遵循先增大后減小的規(guī)律，且均在焊接電流(I)為170 A時達到最大值.由圖2可知，抗拉強度、伸長率和斷面收縮率的最大值分別為595.5 MPa、23.5%和35.6%.

圖2　焊接電流對焊接接頭拉伸性能的影響

圖3為焊接電流對焊接接頭硬度的影響曲線.由圖3可見，在不同焊接電流下，母材、焊縫和熱影響區(qū)(HAZ)三者之間的硬度關(guān)系為：母材>焊縫>熱影響區(qū).隨著焊接電流的增加，焊縫和熱影響區(qū)的硬度均先減小后增大，并均在I=170 A時達到最小值，此時焊縫硬度為206 HB，熱影響區(qū)硬度為173.5 HB.

圖3　焊接電流對焊接接頭硬度的影響

由于鈦及鈦合金并非主要作為耐磨材料應(yīng)用，且隨著焊接電流的變化，焊縫和熱影響區(qū)的硬度值變化并不是很大，因此，不需要將硬度值作為主要的力學(xué)性能指標(biāo)，但可將其作為參考指標(biāo).由圖2、3可知，當(dāng)I=170 A時，焊接接頭的力學(xué)性能最好.

2.2焊接電流對焊接接頭顯微組織的影響

2.2.1焊接電流對焊縫組織的影響

圖4為當(dāng)焊接速度為1.5 mm/s時，不同焊接電流下焊縫的顯微組織.在焊接過程中，焊縫處發(fā)生凝固結(jié)晶.當(dāng)焊接電流較小時，熱輸入較小，焊縫在高溫區(qū)間停留的時間較短，冷卻速度較快，因而可以形成較多的板條狀鈦馬氏體(見圖4a).馬氏體是高溫β相以很快的速度冷卻下來，以非擴散形式轉(zhuǎn)變成的過飽和非平衡六方晶格α相，鈦馬氏體并不像鋼中馬氏體那樣具有顯著的強化作用，因而其強化作用并不明顯.當(dāng)焊接電流為170 A時，焊縫的顯微組織主要由無序鋸齒狀α相和少量板條狀α相構(gòu)成(見圖4b).因為焊接是一個急熱急冷的過程，焊縫凝固過程中晶界來不及長大，所以α相呈現(xiàn)鋸齒狀.當(dāng)焊接電流繼續(xù)增大到190 A時，焊接熱輸入較大，焊縫處于高溫狀態(tài)的時間較長，焊縫組織比較粗大，且處于過熱狀態(tài)中的焊縫在冷卻過程中形成了典型的魏氏組織(見圖4c).魏氏組織是高溫條件下在β晶粒內(nèi)形成的長而平直且位向一致的α集束，由于晶界的比表面積較大，因而具有一定的晶界強化作用.

2.2.2焊接電流對熱影響區(qū)組織的影響

圖5為當(dāng)焊接速度為1.5 mm/s時，不同焊接電流下熱影響區(qū)的顯微組織.由圖5可見，隨著焊接電流的增加，焊接熱輸入增大，α相組織越來越粗大.當(dāng)焊接電流較小時，熱輸入較小，熱影響區(qū)的冷卻速度較快，沿著α晶界形成了一定數(shù)量的鈦馬氏體(見圖5a).當(dāng)焊接電流為170 A時，焊接熱輸入較為適中，α晶粒尺寸比較均勻(見圖5b)，此時焊接接頭的塑性和韌性均較好，且抗拉強度也較大.當(dāng)焊接電流達到190 A時，熱影響區(qū)處于過熱狀態(tài)，因而在隨后的冷卻過程中容易在晶粒內(nèi)部形成魏氏組織(見圖5c).

圖4　焊接電流對焊縫組織的影響

圖5　焊接電流對熱影響區(qū)組織的影響

2.3焊接速度對焊接接頭力學(xué)性能的影響

2.3.1焊接速度對拉伸性能的影響

為了確定最佳電流(I=170 A)下不同焊接速度對焊接接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，對不同焊接速度下的焊接接頭進行了拉伸測試和硬度測試，且實驗發(fā)現(xiàn)拉伸試件均在熱影響區(qū)處斷裂.

圖6為焊接速度對焊接接頭拉伸性能的影響曲線.

圖6　焊接速度對焊接接頭拉伸性能的影響

由圖6可見，隨著焊接速度的提高，焊接接頭的抗拉強度、伸長率和斷面收縮率變化規(guī)律一致，變化趨勢均為先增大后減小.當(dāng)焊接速度(v)為2.0 mm/s時，焊接接頭的抗拉強度、伸長率和斷面收縮率均達到最大值，且分別為598.3 MPa、26.7%和38.5%.

2.3.2焊接速度對硬度的影響

圖7為焊接速度對焊接接頭硬度的影響曲線.由圖7可見，隨著焊接速度的加快，母材的硬度先降低后升高，但硬度的整體變化幅度不大；焊縫和熱影響區(qū)硬度呈現(xiàn)上升的趨勢，但上升的速度比較緩慢.結(jié)合圖6可知，當(dāng)I=170 A、v=2.0 mm/s時，焊接接頭的綜合性能最好，此時焊縫硬度為209 HB，熱影響區(qū)硬度為182 HB.

2.4焊接速度對焊接接頭顯微組織的影響

2.4.1焊接速度對焊縫組織的影響

圖8為當(dāng)焊接電流為170 A時，不同焊接速度下焊縫的顯微組織.當(dāng)焊接速度由1.5 mm/s增加至2.0 mm/s時，焊接熱輸入減小，焊縫處于高溫狀態(tài)的時間縮短，焊縫組織得到明顯細化，且焊縫中形成了較少的鈦馬氏體(見圖8a、b).當(dāng)焊接速度繼續(xù)增加到3.0 mm/s時，一方面，冷卻速度較快，形成了較多的鈦馬氏體；另一方面，較快的焊接速度使得電弧力對熔池的攪拌作用下降，導(dǎo)致形成的焊縫組織比較粗大(見圖8c).

圖7　焊接速度對焊接接頭硬度的影響

2.4.2焊接速度對熱影響區(qū)組織的影響

圖9為當(dāng)焊接電流為170 A時，不同焊接速度下熱影響區(qū)的顯微組織.由圖9可見，隨著焊接速度的加快，熱影響區(qū)的晶粒尺寸逐漸減小.當(dāng)焊接速度為1.5 mm/s時，熱影響區(qū)中產(chǎn)生了少量的鈦馬氏體(見圖9a).隨著焊接速度的增大，電弧作用于焊接接頭的時間縮短，熱影響區(qū)的冷卻速度加快，導(dǎo)致形成鈦馬氏體的數(shù)量隨之增多(見圖9b、c)，此時熱影響區(qū)的硬度增大，但焊接接頭的塑性和韌性變差.

圖8　焊接速度對焊縫組織的影響

圖9　焊接速度對熱影響區(qū)組織的影響

2.5拉伸斷口分析

圖10為不同工藝參數(shù)下母材與焊接接頭的拉伸斷口形貌.圖10a為母材的拉伸斷形貌口.可見，母材斷口中韌窩數(shù)量較多且尺寸較小，表明母材的塑性很好.當(dāng)焊接電流為170 A、焊接速度為2.0 mm/s時，焊接接頭的塑性較好.由圖10b可以觀察到，此時斷口中存在大量的韌窩，但相對于母材的韌窩而言，焊接接頭的韌窩尺寸明顯增大很多，表明焊接接頭的塑性低于母材.當(dāng)焊接電流為190 A、焊接速度為1.5 mm/s時，由圖10c可以觀察到，斷口中韌窩的數(shù)量大幅度減小，取而代之的是大量準解理面的出現(xiàn)，導(dǎo)致焊接接頭的塑性明顯下降.

3　結(jié)　論

針對TA2工業(yè)純鈦的鎢極氬弧焊焊接工藝進行了研究，并對焊接接頭進行了力學(xué)性能測試和顯微組織觀察，從而確定了最佳焊接工藝參數(shù).通過實驗分析，可以得到如下結(jié)論：

圖10　不同工藝參數(shù)下母材與焊接接頭的拉伸斷口

1) TA2鎢極氬弧焊的最佳焊接工藝參數(shù)為I=170 A、v=2.0 mm/s；此時焊接接頭的抗拉強度為598.3 MP，斷后伸長率為26.7%，斷面收縮率為38.5%，焊縫硬度為209 HB，熱影響區(qū)硬度為182 HB.

2) 當(dāng)焊接熱輸入過小或過大時，焊接接頭組織中會分別出現(xiàn)馬氏體和魏氏組織，從而導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能下降；當(dāng)焊接熱輸入適中時，焊接接頭中不會產(chǎn)生馬氏體和魏氏組織，此時焊接接頭的力學(xué)性能最好.

3) TA2母材的塑性很好，斷口中存在大量細小的韌窩；最佳工藝參數(shù)下焊接接頭的塑性低于母材，斷口中韌窩較為粗大；當(dāng)斷口中出現(xiàn)大量的準解理面時，焊接接頭的塑性較差.

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(責(zé)任編輯：尹淑英英文審校：尹淑英)

Optimization of tungsten argon arc welding technology for TA2

SU Yun-hai,LIU Zhi-yu,LIU Zheng-jun,WANG Tong-huan

(School of Materials Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

In order determine the optimum technological parameters of tungsten argon arc welding for TA2,the welding test for the TA2 test plate with a thichness of 5mm was performed with automatic TIG welding.The tensile test and hardness test as well as the observations on the microstructure and tensile fracture surface were performed for the welded joints.The results show that under the optimum condition with the welding current of 170 A and the welding speed of 2.0 mm/s,the ultimate tensile strength of welded joint is 598.3 MPa,the elongation to failure is 26.7%,the reduction rate in area is 38.5%,the hardness of welded seam is 209 HB,and the hardness of heat affected zone is 182 HB.The appropriate welding parameters can reduce the formation of martensite and widmanstatten structures in the welded joints,and improve the strength and plasticity of welded joints.

TA2 commercial pure titanium; tungsten argon arc welding; welded joint; mechanical property; microstructure; tensile fracture; welded seam; heat affected zone (HAZ)

2015-07-13.

遼寧省博士啟動基金資助項目(20131017).

蘇允海(1980-)，男，遼寧大連人，講師，博士，主要從事材料焊接及表面強化等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.06

TG 444

A

1000-1646(2016)02-0153-06

*本文已于2015-12-07 16∶20在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1620.048.html