TA1纯钛TIG焊的接头组织与性能分析

郭豫鹏，狄士春，韦东波，刘 辉

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

TA1纯钛TIG焊的接头组织与性能分析

郭豫鹏，狄士春，韦东波，刘 辉

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

采用TIG焊技术焊接TA1钛合金，对比了5组不同焊接参数下的焊缝成形和力学性能，对力学性能最优的试样进行了接头硬度、组织、成分、耐蚀性能的研究。实验结果表明：TA1薄板焊接在较窄的电流范围内能获得良好的成形与拉力性能，峰值电流38 A时拉力性能达到母材的78.9%；接头硬度由焊缝向母材降低，焊缝至母材晶粒由等轴α晶向锯齿状α晶转变；物相分析焊缝为α-Ti与少量TiFe相金属间化合物组成；因TiFe化合物较母材更易被侵蚀，造成其焊缝耐蚀性略低于母材。

TIG；焊接接头；耐蚀性能

钛合金具有耐蚀性强、比强度高、导热系数低、耐热性好等优越性能，故在热交换器、蒸发器、海水淡化等领域得到了广泛应用；但钛合金薄板因壁薄、焊接过程易氧化等因素，使其焊接技术成为工程研究的热点问题[1-3]。

全位置非熔化极惰性气体保护焊（TIG）是新兴的自动化焊接技术，具有效率高、操作简便、自动化程度高等优点，其自动调节电弧电压技术能保持电弧的稳定，获得良好的焊接质量；尤其对于薄板焊接，解决了手工焊的焊缝成形不规则的问题。本文以纯钛薄板为研究对象，研究焊接电流对接头的影响，并对力学性能最优的接头进行组织性能分析。

1 实验条件及过程

实验采用150 mm×200 mm×1 mm的TA1纯钛，焊接设备为GOLD TRACK VI型自动焊电源。峰值电流为40 A，基值电流为10 A，焊接频率为5 Hz，占空比为50%，焊接速度为56 mm/min，氩气流量为10 L/min；无填充丝，单面焊双面成形。焊接时，正面与背面同时实行氩气保护，正面拖罩保护，背面铜垫板保护。在满足焊接要求的前提下，峰值电流分别采用34、35、36、37、38 A 5组电流参数。

焊接完成后，用游标卡尺测量焊缝宽度，在试样正面、背面测量10个数值，取其平均值作为焊缝正面、背面的宽度。利用INSTRON 5569型电子万能材料实验机进行接头拉伸性能实验，得出最优焊接

电流，对该焊接参数下的接头组织性能进行分析。利用HVS-5Z型数显自动转塔维氏硬度计测量接头硬度分布；将试样抛光、清洗、烘干、镶嵌后，由硝酸和氢氟酸混合溶液进行侵蚀，再用JX06型金相显微镜观察焊缝截面组织。利用D/max-rB型X射线衍射仪（XRD）对母材、焊缝进行物相分析。利用CHI604C型电化学分析仪分析接头耐蚀性能。

2 结果与讨论

2.1 焊缝成形

焊接电流对焊缝成形的影响见图1。随着焊接电流的增大，热输入量增加，焊缝正面与背面的宽度均增加。当焊接电流为37～38 A时，焊缝成形趋近稳定。当焊接电流大于38 A时，在薄板焊接中会因电流过大而使工件烧穿，不能满足焊接基本要求。因此，对于薄板焊接，焊缝宽度随电流增大而增加，在较窄的电流范围内能获得良好的焊缝成形。

图1 焊接电流对焊缝宽度的影响

2.2 力学实验

不同焊接电流下的接头力学性能见图2。接头的力学性能随着电流密度的增大而增强。当焊接电流为34 A时，拉伸应力为370.1 MPa，断面收缩率为22.86%。当峰值电流为38 A时，力学性能最优，达到425.28 MPa，断面收缩率为39.25%，达到母材拉力性能的78.9%。通过对比可知，采用第5组焊接参数（峰值电流38 A），能获得良好的力学性能。

图2 焊接电流对接头拉力性能的影响

2.3 硬度分析

对第5组焊接参数下的接头测试其硬度，图3是接头各区硬度分布的测量结果。可看出，接头焊缝硬度高于热影响区与母材，最大为271 HV。沿焊缝中心（0点）向外为热影响区、母材，热影响区硬度随着距焊缝中心距离的增大而逐渐下降，且高于母材硬度，在距离2 mm处为245 HV，距离4 mm处为214 HV；母材硬度最低，为209 HV。分析可得，在焊接过程中，焊缝硬度提高较大，硬度分布随着距焊缝中心距离的增加而减小。

图3 TA1焊接接头显微硬度分布

2.4 显微组织分析

图4是接头金相组织。图4a是母材（Base Material，BM）等轴α晶组织；图4b是母材向过渡热影响区（Heat-Affected Zone，HAZ）转变，晶粒逐渐增大；图4c是焊缝组织（Weld Joint，WJ）锯齿状α晶。可看出，母材组织均匀，为典型的等轴α晶。在焊接热循环作用下，晶粒由等轴α晶逐渐增长，在焊缝中心处形成粗大的锯齿状α晶。因焊接过程中焊缝急速升温、急速冷却，冷却梯度存在差异，从而造成焊缝枝状组织无方向性地生长为大小不均匀的锯齿状晶粒。在TA1纯钛TIG无填充丝焊接中，焊缝与热影响区不存在明显的晶粒界线，为逐渐过渡的晶粒分布，在焊接热输入下，母材熔化后再凝固形成焊缝，晶粒尺寸存在较大变化。

图4 接头各区域金相

2.5 XRD分析

图5是焊缝和母材的XRD物相分析。在焊缝中存在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型金属间化合物，是由于TA1材料中Fe含量为0.25%，根据Ti-Fe系相图，Fe在Ti中的溶解度为0.05%～0.1%，因此，Fe在α组织中以过饱和形式存在；因焊接过程的高温和急速冷却作用，焊缝的富铁区未及时扩散而存在于α晶界和晶面间，从而形成TiFe相金属间化合物。

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

郭豫鹏，男，1986年生，博士研究生。