TC4合金电子束焊接接头微观组织研究

彭 周,胡永刚,陈国珠,夏 风,武玺旺,胡树兵,王亚军,肖建中

(1华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室,武汉430074; 2北京航空制造工程研究所,北京100083)

TC4合金电子束焊接接头微观组织研究

彭 周1,胡永刚1,陈国珠1,夏 风1,武玺旺1,胡树兵1,王亚军2,肖建中1

(1华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室,武汉430074; 2北京航空制造工程研究所,北京100083)

对不同工艺参数电子束流焊接TC4钛合金焊缝显微组织进行分析,结果表明:电子束流工艺参数的改变对焊缝的相组成没有影响,却使得焊缝形状及其显微组织分布发生了改变,产生了焊缝显微组织梯度。焊缝夹角越大,焊缝上中下各部位马氏体针尺寸梯度越大。焊缝中显微硬度比母材硬度高HV 30～50,热影响区中显微硬度呈梯度分布。

TC4钛合金;电子束焊;焊缝形貌;马氏体;组织梯度

钛合金具有优良的耐蚀性、高比强及较好的韧性和焊接性能,在航空航天、石油化工、造船、汽车等领域都得到成功应用[1],其中TC4钛合金更是广泛地应用于航空领域[2]。但由于钛合金的加工性能较一般金属差,对于大型的结构件来讲,采用焊接方法可以替代大型成型压力机实现制造大型构件的目的。电子束焊具有熔深大、熔宽小、焊接速度高和焊件变形小等优点,广泛应用于制造业的众多领域,特别是在大批量生产、大厚度焊接以及复杂、特殊构件的焊接中显示出独特的优越性[3,4]。

焊接接头的显微组织与其力学性能的关系已经进行了大量的研究工作,对于较大厚度的接头而言,如TC4合金的电子束流焊接,人们对焊缝中的相组成以及热处理对焊缝显微组织的影响都进行了研究[5],并且发现尽管焊接工艺参数不同,焊缝中的相组成却没有明显变化,但其接头力学性能的表现不同,尤其是接头的疲劳性能[6]。对于薄板的Ti6A l4V激光焊接,也发现焊缝形状与接头力学性能相关[7-9],这说明仅从焊缝的相组成分析接头力学性能是不够的。材料的力学性能由显微组织决定,而显微组织包括相组成与相的分布等等。本工作以TC4合金的电子束焊接为对象,研究不同电子束焊接工艺参数条件下焊接接头形状与显微组织的关系,为进一步探索焊缝形状、组织与接头力学性能之间的关系奠定基础。

1 实验材料及方法

实验材料为20mm厚的退火态TC4钛合金板材。采用ZD150230A型高压电子束焊机进行电子束焊接实验,实验过程中分别改变电子束流、聚焦电流、焊接速度等参数,以获得不同的焊缝形状[10]。焊接后分别采用PM E3光学显微镜、FEI电子显微镜对不同焊缝形状接头的显微组织进行微观组织观察与分析,并利用显微硬度计测量不同形状焊缝中显微硬度并进行比较分析。

2 实验结果及分析

2.1 不同焊接工艺参数条件下焊缝形状的变化

在不改变电子束流加速电压的条件下,分别改变电子束流、聚焦电流、焊接速度等参数,获得了各种不同的接头形貌,图1为其中典型的接头形貌,即焊缝呈以中心线为对称的扇形形状,熔凝区上部较宽而下部逐渐变窄,为便于描述,将焊缝熔合线与焊缝中心线的夹角定义为焊缝夹角θ,不同的θ代表了不同的焊缝形状。表1为不同电子束焊接工艺参数条件下焊缝夹角的变化结果。可以看出,焊缝夹角随着焊接工艺参数的变化而发生改变,而且受多个工艺参数影响。仔细比较表1中工艺参数可以看出,随电子束聚焦电流的减小(电子束流焦点在材料中位置的改变)时,焊缝夹角θ逐渐减小,即焊缝熔合线趋向平行;焊接速度越慢、聚焦电流越小(焦点越靠近样品上表面),焊缝上部越宽,因而焊缝夹角θ越大。根据电子束流焊接原理,不难理解焊缝形貌反映的是焊接热源在焊缝中的分布情况,因此焊接速度、聚焦电流、电子束流的改变使得电子束在被焊金属内部的分布发生改变,从而获得不同的焊缝形状。具体的影响因素见文献[10-12]。

图1 典型接头形貌Fig.1 The typical shapes of weld seam by EBW

表1 电子束焊接工艺参数及焊缝夹角Table 1 The weld parameters of EBW and the weld seam angle

2.2 焊缝形状与焊缝显微组织分布的关系

分别对不同焊缝夹角的接头显微组织进行观察,发现焊缝中相的组成没有大的影响,不论焊缝夹角θ的大小如何,即焊缝形状不同,焊缝均主要由α′相(马氏体)和少量β相组成,图2为焊缝典型的X射线衍射结果,可见主要为α′马氏体及极少量的β相。图3所示为TC4合金电子束焊接焊缝中的典型显微组织形貌,仔细对比焊缝上、中、下不同部位的马氏体尺寸,还会发现处于上部的马氏体组织一般较粗大,马氏体针几乎穿过整个原始凝固的β柱状晶,且呈平行生长;而在焊缝中部,特别是在焊缝根部,马氏体一方面尺寸减小;另一方面,马氏体生长方向相对较散乱,马氏体针的大小一般相对焊缝上部的马氏体针短小。

图2 焊缝中X射线衍射图Fig.2 X2ray diffraction pattern of the weld bead

图3 TC4合金电子束流焊接焊缝中典型组织 (a)焊缝上部中心的马氏体组织; (b)焊缝中部中心的马氏体组织;(c)焊缝根部中心的马氏体组织Fig.3 The typical microstructures of the welded bead (a)top of fusion area; (b)middle of fusion area;(c)root of fusion area

图4是热影响区典型的显微组织。它具有两个特征:一是热影响区为等轴状晶粒,其晶粒尺寸呈明显的梯度分布,即靠近熔合线附近晶粒较粗大,且热影响区上部较下部粗大,等轴晶区域的大小受焊缝宽度影响,焊缝越宽则热影响区越宽,等轴晶晶粒也越大;二是等轴晶内部均为马氏体组织(图4(b)),因此越靠近熔合线马氏体的尺寸越大,即马氏体尺寸随等轴晶晶粒尺寸而变化。

图4 热影响区显微组织照片 (a)焊缝上部热影响区显微组织; (b)图4(a)中热影响区中马氏体放大图;(c)焊缝中部热影响区显微组织;(d)焊缝根部热影响区显微组织Fig.4 Microstructures of the heat2affected zone(HAZ) (a)top of HAZ;(b)the amplified picture of fig.4(a); (c)middle of HAZ;(d)root of HAZ

为了研究焊缝中马氏体组织随焊缝形状的变化规律,采用定量金相方法对不同形状焊缝中马氏体的尺寸进行了测量,得出如图5所示的结果。表明在本实验条件下,焊缝中马氏体的尺寸与焊缝宽度之间存在明显的相关性,焊缝越宽马氏体的尺寸越大。

图5 马氏体针尺寸与焊缝宽度的关系Fig.5 The relationship betw een the size ofmartensite and weld bead width

将不同形状焊缝中上(距上表面3mm处)、中(距表面10mm处)、下(距下表面2mm处)三部分区域马氏体大小分布作图可以得到如图6所示的结果。从图6可以看出,焊缝夹角θ不同,即焊缝形状的不同,焊缝内上中下不同部位的马氏体针尺寸变化率不同,如果用尺寸梯度表示,即焊缝夹角θ越大焊缝上下马氏体尺寸梯度越大,换言之,焊缝夹角θ越大,焊缝上、中、下部位的显微组织分布也越不均匀,即焊缝中显微组织梯度越大,另外,结合图4也可知热影响区中马氏体尺寸也是呈梯度分布的。而且,焊缝夹角θ大小不同,焊缝中组织梯度也不同,这种接头组织梯度的不同可能是导致焊接接头力学性能变化的显微组织因素。

从图2可知,焊缝中几乎全为马氏体,说明在本实验条件下焊缝的冷却速度已超过TC4合金的马氏体临界转变速率410℃/s[13],因而整个焊缝主要获得马氏体相。尽管如此,焊缝中马氏体的大小分布在焊缝中却是不同的,如焊缝上部较宽区域的马氏体针较长,而焊缝根部较窄的区域中马氏体针相对较短,这可能与焊缝各区域的冷却速度不同以及凝固所获得的柱状

晶粒大小有关,焊缝较宽的区域由于所获得热量多,冷却速度也相对较慢,过冷度相对较小,因而马氏体形核数量相对较少,形成典型α′马氏体针较大且多为平行生长(图3(a))。而焊缝较窄的区域,由于冷却速度较快,过冷度较大,马氏体形核数量增加,所以得到的马氏体尺寸细小(图3(c))。而对于热影响区来说,由于越靠近熔合线,受热影响越大其等轴晶尺寸越大,因而随后转变的马氏体尺寸也相对越大,所以导致热影响区中马氏体呈梯度分布。

2.3 焊缝形状对焊缝中显微硬度分布的影响

对不同形状焊缝中的显微硬度测量后,发现其分布与形状存在明显的对应关系,本工作给出两种典型焊缝形状(较小和较大焊缝夹角分别为3.6°和26°)样品的显微硬度分布图,如图7,8所示。

从图7,8可知,因焊缝中主要为马氏体,两种形状焊缝中的硬度均高于热影响区和母材,对比图7(a)与图8(a),焊缝夹角θ较大的焊缝中,其上部中心部位的显微硬度略低,利用微区X射线对该区进行分析,发现该处的β相相对较多,因而其硬度略低。另外,比较图7,8还发现,热影响区中硬度呈梯度分布,且焊缝夹角θ越大,焊缝上下部位的显微硬度梯度越大,这与热影响区中马氏体尺寸梯度分布规律一致。

3 结论

(1)不同电子束流焊接工艺所得到的TC4合金的焊缝形状不同。不同形状的焊缝内上中下不同部位的显微组织呈梯度分布,焊缝中马氏体尺寸与焊缝宽度相关,焊缝越宽其马氏体针尺寸越大。焊缝夹角越大,焊缝中的显微组织梯度越大,其上中下各部位马氏体针尺寸梯度越大。

(2)TC4合金电子束流焊接接头的显微硬度比母材硬度高HV 30～50。热影响区中显微硬度呈梯度分布,其梯度大小受焊缝宽度影响,焊缝越宽,其热影响区越宽,热影响区中沿宽度方向的显微硬度梯度则越小;焊缝越窄,热影响区越窄,该区域中沿宽度方向的显微硬度梯度则越大。

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M icrostructures of TC4 A lloy Weld Joints by Electronic Beam Welding

PENG Zhou1,HU Yong2gang1,CHEN Guo2zhu1,XIA Feng1, WU Xi2w ang1,HU Shu2bing1,WANG Ya2jun2,X IAO Jian2zhong1(1 State Key Laborato ry of M aterial Processing and Die&Mould Technology,Huazhong
U niversity of Science and Technology,W uhan 430074,China;2 Beijing Aeronautical M anufacturing Technology Research Institute,Beijing 100083,China)

The microstructures of TC4 weld beads by electronic beam welding(EBW)w ith different w elding parametersw ere studied.The results show that the shapesof w eld bead are different w ith the change of the weld parameters,but the phases in weld seam are almost the same.Themicrostructure gradient in weld seam is dependent on the shape of the w eld bead.The larger the angle of seam is,the larger of the size gradient of martensite gets.The micro2hardness in weld bead is HV 30250 than that of the base material.The m icro2hardness in the different shape of w eld beads is consistent w ith the microstructures gradient in the weld bead.

TC4 alloy;EBW;weld bead shape;martensite;m icrostructure gradient

TB332

A

100124381(2010)0520047204

国家重大基础研究项目(61362)

2009211205;

2010203209

彭周(1980—),男,博士研究生,从事材料显微组织分析研究工作,联系地址:湖北武汉华中科技大学材料与工程学院材料成型与模具技术国家重点实验室(430074),E2mail:M ikepeng2003@163.com

肖建中,男,教授,联系地址:湖北武汉华中科技大学材料与工程学院材料成型与模具技术国家重点实验室(430074),E2mail:jzxiao @mail.hust.edu.cn