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Welding of Non-Ferrous Light Metal | Views : 357 Downloads: 328 CSCD: 0

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    • Effect of Large-Thickness TC4 Titanium Alloy Narrow Gap Weld Structure on Mechanical Properties of Joints

    • YANG Qingfu

      12 ,

      ZENG Caiyou

      12 ,

      ZHANG Yupeng

      1 ,

      QI Bojin

      2 ,

      CONG Baoqiang

      2 ,

      WU Pengbo

      3
    • Vol. 53, Issue 8, Pages: 8-15(2023)   

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.08.02     

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  • YANG Qingfu, ZENG Caiyou, ZHANG Yupeng, et al.Effect of Large-Thickness TC4 Titanium Alloy Narrow Gap Weld Structure on Mechanical Properties of Joints[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(8): 8-15. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.08.02.
    Sections

    Abstract

    A comparative study was conducted focusing on the microstructural inhomogeneities and their effect on the mechanical behavior of magnetically controlled narrow gap TIG welding (MCNG-TIG) and vacuum electron beam welding (EBW) of large-thickness TC4 titanium alloy joints. The microstructure of different regions, including the weld zone and heat affected zone, in the middle of the two joints was characterized using scanning electron microscopy. Moreover, the micro-hardness distribution and room temperature tensile properties of the joint sections were measured. The results showed that the weld zone of both joints had a basketweave structure. But the α lath width in the MCNG-TIG weld was finer than that of the EBW weld. The heat-affected zone is a mixture of primary α phase + β-transformed structure. The content of β-transformed structure decreases with increasing distance from weld seam center. β-transformed structure in the MCNG-TIG heat affected zone is finer than that in the EBW heat affected zone. The average hardness distribution of the MCNG-TIG joints is: heat affected zone > base metal > weld seam; the average hardness value distribution of the EBW joints is: weld seam > heat affected zone > base metal. The room temperature tensile strength coefficients of both joints were above 0.9, and the strength and elongation of EBW joints were slightly higher than those of MCNG-TIG joints. The room tensile fracture location of MCNG-TIG joints was located in the heat-affected zone near the base metal, while the fracture location of EBW joints was in the weld seam center. The tensile strain evolution results showed that in the early stage of tensile testing, the MCNG-TIG joints showed both peak strain regions in the weld and in the heat affected zone near the base material. As the tensile proceeds, the double strain peak region feature disappears and the plastic strain is mainly concentrated in the heat-affected zone near the base metal.

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    Keywords

    titanium alloy; large-thickness plate; narrow gap welding; EBW; microstructure inhomogeneity; mechanical properties

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    0 前言

    双相TC4（Ti6Al4V）钛合金具有优异的综合力学性能和良好的抗腐蚀性，是重要的海洋工程结构材料之一，已广泛应用于舰艇船舶、深潜器、海上平台等海洋装备中［

    1］。在大型海工装备制造领域，大厚度钛合金的焊接需求不断增大，其接头质量直接决定了整体结构的服役性能。与常规开大角度坡口进行多层多道焊接工艺相比，采用窄间隙焊接工艺有利于减小焊缝宽度、降低焊接热输入、提高接头力学性能［2］。目前，针对大厚度钛合金的连接，常用的焊接工艺方法主要有磁控窄间隙TIG焊接（Magnetically-controlled narrow gap TIG welding， MCNG-TIG）和真空电子束焊接（Electron beam welding，EBW）［3］。其中，MCNG-TIG焊接通过施加横向交变磁场使得电弧作周期性摆动，促进电弧热量在两坡口侧壁间的分配，有效解决了侧壁熔合不良的问题。此工艺具有设备成本低、工艺适应性强和对工况环境要求低等优点，但同时也存在焊接效率较低以及焊接变形大等不足［4-5］。而EBW工艺在真空环境中通过高能电子束将大厚度钛合金焊件一次性熔透，在实现高效连接的同时能有效避免焊缝高温氧化［6］。但此工艺的设备成本高，同时对焊接环境要求严苛，且难以实现全位置焊接。
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    由于钛合金导热性较差，大厚板熔化焊接易导致不同区域显著差异化的热循环过程，焊缝和热影响区的不同区域发生非平衡凝固或不同类型的固态相变反应，形成典型的异质微观组织结构［

    7］。崔庆龙［8］通过热电偶测定了窄间隙TIG焊接厚板TC4钛合金焊件底部不同位置的热循环。结果表明，距焊缝中心越远的区域，热循环峰值温度越低，随熔敷层数增加，不同区域的热循环差异和峰值温度逐渐减小。方乃文［9］等人研究发现窄间隙激光填丝焊厚板TC4钛合金接头上中下三部分热影响区宽度和针状马氏体半条宽度逐渐减小。有研究［10］发现电子束焊接厚板钛合金接头热影响区内易形成梯度变化的异质结构，随着距熔合区距离增大，热影响区中的β转变组织含量逐渐降低，初生α相含量逐渐升高。
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    此外，不同的焊接工艺方法也会产生不同的热循环特征，从而引发焊缝区域显著的微观组织不均匀性。乔亮［

    11］等人研究发现，由于热输入的差异，激光-MIG焊相对于单激光焊、激光填丝焊的TC4焊缝网篮状组织尺寸较大，且焊缝硬度最小。安飞鹏［12］对比了40 mm厚TA31合金窄间隙TIG焊接和电子束焊接接头组织和冲击性能。结果表明，窄间隙TIG焊接接头上下部组织均匀，而电子束接头上下部分组织差异明显，焊缝区上部为粗大柱状晶，下部为等轴晶。窄间隙TIG焊焊缝冲击值大于电子束焊接接头，而热影响区冲击值小于电子束焊接接头。
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    现有研究结果充分表明，厚板钛合金焊接接头组织不均匀性显著，且对接头力学性能有重要影响，需要格外重视。基于此，本文对100 mm厚TC4钛合金MCNG-TIG和EBW焊接接头微观组织构成进行了对比研究，并探究了焊接热循环对微观组织演化的影响，分析了造成不同接头力学行为差异的微观机制。

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    1 试验材料及方法

    试验母材为100 mm厚TC4钛合金板，尺寸为650 mm×300 mm×100 mm，其合金成分和微观组织分别如表1、图1所示。母材微观组织为典型的热塑性成形+退火态双相（α+β）组织，由大量均匀等轴α相和少量β相组成。

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    表1  TC4钛合金母材合金成分（质量分数，%）
    Table 1  Chemical composition of TC4 titanium alloy base metal（wt.%）
    AlVFeCNHOTi
    6.06 3.92 0.3 0.013 0.014 0.014 0.15 余量
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    fig

    图1  TC4母材微观组织

    Fig.1  Microstructure of TC4 alloy base metal

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    分别采用MCNG-TIG和EBW工艺进行大厚板对接焊，焊接工艺过程如图2所示。MCNG-TIG焊采用乌克兰巴顿焊接研究所研发的PLAZER-AD238-M120型焊接设备，填充材料采用直径3 mm的TC4同质实心焊丝。采用直流焊接，电流幅值为480 A，电弧电压12.5 V，焊接速度5 m/h，送丝速度9 m/h，横向外加磁场强度为6 mT，交变频率6 Hz。100 mm厚TC4板MCNG-TIG接头焊缝金属总层数共19层，平均层高为5~6 mm，层间温度控制在100 ℃以下。采用反变形焊接工艺，焊前对焊件进行背底成形垫块、引弧块和熄弧块点焊和装配，坡口底部宽度设定为10 mm，坡口初始张开角度为30°，焊接过程中定期对工装进行卸力以便适应焊件变形，最终形成良好的I型焊缝。

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    fig
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    图2  100 mm厚TC4钛合金MCNG-TIG和EBW窄间隙焊接工艺

    Fig.2  Schematical illustrations of the MCNG-TIG and EBW welding process of 100 mm-thickness TC4 titanium alloy

    EBW焊可实现单面焊双面成形，不预设坡口和焊件间隙。真空电子束焊接设备为德国SST K100，焊接工艺参数为：焊接电压150 kV、焊接速度5 mm/s、束流50 mA、聚焦电流2 542 mA、腔室真空度8.0×10-3~1.4×10-2 Pa、电子枪真空度3.5×10-3 Pa。

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    采用扫描电子显微镜（SEM， FEI QuantaTM 250）对母材和接头微观组织构成进行观察。SEM样品通过电解抛光进行制备，电解液配比为CH4O∶CH3（CH2）3OH∶HClO4=6∶3∶1，电解时间60 s，电解电压27.5 V。通过维氏显微硬度仪（VH1202）测定接头硬度分布，下压载荷500 gf，保持时间10 s。接头室温拉伸性能通过电子万能试验机（Zwick BT2-FR250SN.A4K）进行测定，拉伸速率0.5 mm/min，拉伸样品为板条狗骨头状，厚度2.0 mm，平行段长度32 mm。并通过数字图像关联技术（Digital Image Correlation，DIC）记录拉伸过程中试样表面应变分布，DIC设备型号为新拓三维XTOM-MATRIX-M。

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    2 结果与讨论

    2.1 接头宏观形貌

    厚板钛合金焊接时易出现侧壁未熔合等问题，严重威胁接头质量。为研究MCNG-TIG和EBW焊接工艺对整体成形的影响，利用无损探伤检测设备对焊接接头进行检测，无损检测结果显示，两者接头均未出现气孔和未熔合等缺陷，成形良好。通过金相显微镜对MCNG-TIG和EBW焊缝成形机尺寸进行观测，结果如图3所示。由图3a可知，MCNG-TIG焊缝形貌整体较为均匀，宽度保持一致，焊道宽为17 mm，热影响区宽度为2~3 mm，每一层焊道清晰可见。这是由于电弧在磁场中受洛伦兹力的作用，实现电弧的周期性摆动，有效解决了侧壁热输入不足所导致的未熔合缺陷。同时，交变磁场改变了熔池的流动，热量分布更加均匀，前一道在后一道的热作用下，效果类似热处理，因此焊缝宏观形貌整体保持一致。图3b为EBW焊缝形貌，呈上宽下窄的“钉子型”，底部宽度最小（13 mm），顶部宽度最大（21 mm）。这是因为电子束焊接时，焊缝顶部吸收电子束能量最多，热量最大，焊缝宽度大；中部和下部相比于上部吸热较少，所以焊缝宽度减小。

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    图3  100 mm厚TC4钛合金焊接接头宏观形貌

    Fig.3  Morphology of 100 mm-thick TC4 titanium alloy welded joints

    2.2 接头微观组织

    接头显微组织的形貌和相成分直接影响其力学性能。所以对MCNG-TIG和EBW焊接接头不同区域的微观组织进行表征，比较两者焊缝和热影响区的显微组织特征，分析其组织演化行为。MCNG-TIG和EBW焊缝区域的微观组织如图4所示。由图4a、4b可知，MCNG-TIG焊缝区主要为细长的α相和马氏体组织，在原始β晶界处分布着不连续的晶界α；晶内则为针状α交错而成的网篮组织，α相间存在残余β相。由图4c、4d可知，EBW焊缝区的原始β晶界上形成晶界α相，晶内为魏氏组织和网篮组织混合而成。这是由于焊缝是熔池中的液态金属冷却凝固，β相最先析出，温度降至α+β相相区时，由于冷却速度较慢，原始β晶界上形成了不连续的晶界α，α相优先在晶界α与β晶界处形核并生长长大，不同取向的α相将抑制其生长，形成集束α，随着冷却凝固过程的继续，不同生长方向的集束α在β晶界内部存在择优取向，形成取向不一的片状α相。

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    图4  不同接头焊缝区微观组织

    Fig.4  Microstructure in the welded seam region of different welded joints

    焊接过程中，熔池与基板金属之间存在温度梯度，靠近焊缝位置的温度最高，越靠近基板，温度越低［

    14］。因此，热影响区不同位置经历的焊接热循环特征存在着显著差异，进而导致热影响区组织构成复杂。TC4钛合金MCNG-TIG焊缝热影响区显微组织如图5所示。由图可知，近焊缝区的温度高，最高温度高于β相转变温度，初生α转变为β相。在冷却过程中，β相进一步发生固态相变，形成由细小针状α相和β相的β转变组织。热影响区中部位置，初生α相转变为β相，该区域温度降低，且冷却速度增大，初生α相部分转变；近母材区温度最低，冷却速度最大，因此初生α相来不及转变为β相，主要为初生α相以及少量的层间条状β相。
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    图5  MCNG-TIG接头热影响区显微组织

    Fig.5  Microstructure of the HAZ of MCNG-TIG welded joint

    TC4钛合金EBW焊缝热影响区显微组织如图6所示。近焊缝区温度超过β转变温度，最开始形成粗大的β相，随后冷却至α+β两相区时，在原始β晶界处形成晶界α，晶界α沿着β晶界扩展成连续的晶界α。升温过程中由于加热时间较短，部分初生α相未来得及完全转化为β相，持续冷却过程中α相在β晶粒内部生长，形成取向不一的α集束。热影响区中部温度降低，同时冷却速度增大，更多的初生α相被保留，只有少部分转变为β相，少量的β相与次生α相形成了β转变组织。靠近母材区受熔池温度影响最小，组织为初生α相与β转变组织。

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    图6  EBW接头热影响区显微组织

    Fig.6  Microstructure of the HAZ of EBW welded joint

    综上所述，MCNG-TIG和EBW接头的微观组织存在差异，MCNG-TIG接头的焊缝区与热影响区晶粒尺寸更为细小，这得益于磁场对熔池的震荡搅拌作用。焊接时，电弧在外加磁场作用下，受洛伦兹力作用发生周期性横向摆动，熔池流动也随之改变，因此在冷却凝固时抑制了晶粒的进一步长大［

    15］。与此同时，MCNG-TIG属于单道多层焊接，前一道在后一道的热作用下，焊缝区的马氏体被分解成针状α相，焊缝区域的晶粒得到细化。
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    2.3 力学性能

    2.3.1 显微硬度

    两种焊接接头的显微硬度如图7所示。MCNG-TIG接头的显微硬度分布呈现“M”形，如图7a所示。热影响区（HAZ）硬度显著高于母材（BM）和焊缝（WM）的显微硬度，该区域为显著硬化区，焊缝区域显微硬度略高于母材。EBW接头显微硬度分布与MCNG-TIG接头有较大差别，热影响区和焊缝两个区域的显微硬度显著高于母材硬度，且两个区域的硬度分布较为均匀。EBW接头的硬化区域宽度更大，包含热影响区和焊缝两个区域。焊接过程中，快速凝固过程导致焊缝和热影响区中存在大量针状马氏体相，促进了硬度的升高。MCNG-TIG接头由多层多道焊接过程制备得到，焊缝区经历反复热循环处理，使得焊缝区组织发生回火软化，导致了焊缝区硬度相较热影响区更低。

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    图7  不同接头硬度分布

    Fig.7  Hardness differential diagram of welded joints under different processes

    2.3.2 室温拉伸性能

    对MCNG-TIG接头和EBW接头进行室温拉伸试验，拉伸性能结果如表2所示。由表2可知，母材的抗拉强度为950±9 MPa，延伸率为11%±0.5%，这说明经过热锻和退火的母材具有较好的塑性。MCNG-TIG接头的抗拉强度为893±5 MPa，延伸率5.5%±0.5%，接头强度系数达到94%。EBW接头抗拉强度为923±14 MPa，延伸率为7.0±15，接头强度系数达到97%。两种焊接接头的抗拉强度均略低于母材，且塑性显著降低。

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    表2  100 mm厚TC4窄间隙焊接接头拉伸性能
    Table 2  Tensile properties of 100mm-thickness TC4 titanium alloy narrow-gap welded joints
    类别抗拉强度/MPa断后伸长率/%强度系数
    TC4母材 950±9 11±0.5 —
    MCNG-TIG接头 893±5 5.5±0.5 0.94
    EBW接头 923±14 7.0±1 0.97
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    采用SEM表征断口形貌，拉伸断口形貌如图8所示。MCNG-TIG接头断裂位置为热影响区近母材区，焊缝区域主要为原始β晶粒和网篮组织，热影响区中部为β转变组织，β转变组织具有较高的强度，而在热影响区近母材区发生部分再结晶，其强度最低，因此断裂位置在热影响区近母材区。图7a中可以观察到裂纹以穿晶断裂和沿晶断裂混合模式进行扩展。而EBW接头断裂位置为焊缝中心，这取决于焊接接头中的晶界α，晶界α的存在降低了其抗拉强度，受力过程中阻碍位错滑移，导致应力集中产生裂纹并扩展至断裂［

    16］。
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    图8  不同接头拉伸断裂位置

    Fig.8  Fracture position of different welded joints tensile samples

    通过应变分布结果进一步说明接头的拉伸变形行为，不同接头拉伸应变演化如图9所示。图9a中，当应变达到材料屈服阶段，MCNG-TIG热影响区与母材交界处出现了局部高应变，这说明已发生有局部塑性变形。随着载荷的增大，塑性变形只局限于热影响区与母材交界处附近区域，接头其他区域保持较低的塑性应变水平，拉伸试样整体塑性变形来源于局部区域有限的塑性应变。由图9b可知，当应变达到材料屈服阶段时，EBW接头未出现应变集中的现象，接头整体塑性变形，随着载荷的增加，在焊缝中心出现局部高应变，最终在焊缝区域位置发生断裂。

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    图9  不同接头拉伸应变演化

    Fig.9  Tensile strain evolution of different welded joints

    3 结论

    采用磁控窄间隙TIG焊接（MCNG-TIG）和真空电子束焊接（EBW）工艺对100 mm厚TC4钛合金进行了平板对接焊。对比研究了两种窄间隙焊接接头的微观组织特征，并分析了接头微观结构不均匀性对力学行为的影响。主要结论如下：

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    （1）两种接头焊缝区皆为网篮组织；热影响区皆为梯度变化的混合组织（初生α相+β转变组织），随着距焊缝中心的距离增大，β转变组织含量降低。MCNG-TIG焊缝中α板条宽度比EBW焊缝更加细小。MCNG-TIG热影响区中β转变组织比EBW热影响区更加细小。

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    （2）MCNG-TIG接头显微硬度呈现“M”分布特征，各区域平均硬度值分布为：热影响区＞母材＞焊缝。不同的是，EBW接头平均硬度值分布为：焊缝＞热影响区＞母材。MCNG-TIG和EBW接头强度系数分别为0.94和0.97，MCNG-TIG接头的抗拉强度（893 MPa）和延伸率（5.5%）均低于EBW接头（923 MPa和7.0%）。

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    （3）MCNG-TIG接头室温拉伸断裂位置位于热影响区近母材区，而EBW接头断裂位置位于焊缝中心。MCNG-TIG接头在拉伸早期阶段在焊缝中和靠近母材的热影响区同时出现了应变峰值区域。随着拉伸进行，双应变峰值区特征消失，塑性应变主要集中在靠近母材的热影响区。

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    Harbin Welding Institute Limited Company
    Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Advanced Friction Welding Technology and Equipment
    CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd.
    School of Material Science and Engineering, Dalian Jiaotong University
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