TA18(Ti-3Al-2.5Ｖ)是美國20世紀(ji)60年代末(mo)研制的(de)一種(zhong)近α型鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)，因(yin)其具有良(liang)好(hao)的(de)力學性(xing)能(neng)、加(jia)工性(xing)能(neng)和(he)優于(yu)TC4鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)焊接性(xing)能(neng)，被廣(guang)泛用作航(hang)空管(guan)(guan)材(cai)[1]。相比不銹鋼或鋁(lv)合(he)(he)金(jin)管(guan)(guan)材(cai)，TA18鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)管(guan)(guan)材(cai)不僅能(neng)承受更(geng)大的(de)工作壓(ya)力，還能(neng)滿(man)足航(hang)空航(hang)天領域對可靠(kao)性(xing)及持久性(xing)的(de)要求[2]。

在(zai)工程(cheng)應用(yong)過程(cheng)中(zhong)，鈦(tai)合(he)金管(guan)材(cai)、板(ban)材(cai)和型材(cai)均會受到空(kong)間位置及(ji)裝配精度(du)的(de)限制，勢必要(yao)采用(yong)合(he)適的(de)焊接方(fang)法對其進行連(lian)接[3－4]。在(zai)實(shi)際(ji)應用(yong)中(zhong)，TA18鈦(tai)合(he)金管(guan)材(cai)常以無縫(feng)管(guan)的(de)形式使用(yong)，因而對于TA18鈦(tai)合(he)金的(de)研究主要(yao)集中(zhong)在(zai)軋制及(ji)無縫(feng)管(guan)加工方(fang)面(mian)[5－7]。

隨著鈦焊管制備技術的發展，相比無縫鈦管，鈦焊管在制造成本、綠色高效、壁厚均勻一致性等方面顯示出一定的優勢，并已在某些領域取代無縫鈦管獲得應用[8]。然而，現階段針對TA18鈦合金焊管的研究較少，尤其是焊縫對服役性能的影響有待深入研究。因此，分別采用鈦焊管工業生產中常用的直流鎢極氬弧焊(直流TiG)、脈沖鎢極氬弧焊(脈沖TiG)和激光焊接工藝對TA18鈦合金板材進(jin)(jin)行焊(han)接，研(yan)究不同焊(han)接工藝對焊(han)縫幾何形狀、顯微(wei)組織及力(li)學性能的(de)(de)(de)影響(xiang)，以期為TA18鈦(tai)合金(jin)焊(han)管的(de)(de)(de)研(yan)發提供一定(ding)的(de)(de)(de)理論依據和技術參(can)考，推進(jin)(jin)鈦(tai)合金(jin)焊(han)管的(de)(de)(de)生產應用(yong)。

1、實驗

實驗材料為2mm厚的TA18鈦合金冷軋(ya)帶卷，其(qi)化學成分(fen)如表1所(suo)示。從冷軋(ya)鈦帶卷上切取試樣(yang)，規(gui)格為500mm×100mm×2mm。

采用直流TiG、脈沖TiG和激光焊接3種方式分別沿著板材軋制方向焊接TA18鈦合金板材(cai)。施焊前(qian)，用砂紙打磨試樣表面，然后(hou)用酒精沖洗，烘干(gan)。

TiG焊(han)接(jie)和激光焊(han)接(jie)過程中均(jun)采用純氬氣(qi)對高溫焊(han)接(jie)熔池區域(yu)進(jin)行雙面保護(hu)(hu)，其中鎢極保護(hu)(hu)噴嘴(zui)氣(qi)體流量(liang)(liang)為8L/min，焊(han)接(jie)拖(tuo)罩氣(qi)體流量(liang)(liang)為10L/min，背面保護(hu)(hu)氣(qi)體流量(liang)(liang)為10L/min。

TiG焊(han)機型(xing)號為(wei)(wei)松下ＹＣ-400ＴＸ4型(xing)，激光器為(wei)(wei)6000Ｗ光纖(xian)激光器，焊(han)接(jie)工(gong)藝參數如表(biao)(biao)2所示。在使(shi)用脈(mo)(mo)沖TiG焊(han)接(jie)時，基值電(dian)(dian)流是峰(feng)值電(dian)(dian)流的(de)20％，同(tong)時脈(mo)(mo)沖頻率設(she)定為(wei)(wei)200Hz，有利于降低焊(han)接(jie)總(zong)體的(de)熱輸入，方(fang)便控制熔池的(de)形(xing)貌和(he)尺寸(cun)，使(shi)得焊(han)道表(biao)(biao)面紋(wen)理光滑。脈(mo)(mo)沖TiG焊(han)接(jie)的(de)平均(jun)電(dian)(dian)流為(wei)(wei)180Ａ，直流TiG焊(han)接(jie)的(de)電(dian)(dian)流為(wei)(wei)215Ａ。

按(an)圖1所示，采用(yong)(yong)激光切(qie)割(ge)機在TA18鈦合金(jin)焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)位置截取(qu)金(jin)相試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)和力(li)學性(xing)能試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)。金(jin)相試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)經過磨拋后，用(yong)(yong)Kroll試(shi)(shi)劑進行腐蝕。采用(yong)(yong)ＸＪＺ-6Ａ型光學顯(xian)(xian)微(wei)鏡觀(guan)察焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)組織，并用(yong)(yong)402ＭＶＡ型顯(xian)(xian)微(wei)硬度(du)(du)計測量焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)不(bu)同位置的顯(xian)(xian)微(wei)硬度(du)(du)，加(jia)載載荷為(wei)(wei)9.8Ｎ，持續時間為(wei)(wei)15s。拉伸試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)按(an)照GB/T 2651—2008加(jia)工，標距長度(du)(du)為(wei)(wei)100mm。采用(yong)(yong)ＣＭＴ5105型萬能試(shi)(shi)驗(yan)機進行室溫拉伸性(xing)能測試(shi)(shi)，拉伸速率(lv)在試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)屈服之前為(wei)(wei)0.2mm/min，之后增加(jia)至20mm/min。彎曲試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)按(an)照GB/T 2653—2008加(jia)工，壓(ya)頭(tou)直徑為(wei)(wei)6mm，下(xia)壓(ya)頭(tou)間距為(wei)(wei)12mm，彎曲速率(lv)為(wei)(wei)60mm/min。

2、結果與分析

2.1宏觀形貌

圖2為不同焊(han)(han)接(jie)工藝下TA18鈦合金焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭表面的宏(hong)觀形貌(mao)，焊(han)(han)縫(feng)及(ji)熱影響區寬度如表3所示。

從圖2可以看出，TiG焊接和激光焊接都可實現TA18鈦合金板材雙面良好成形(xing)，焊(han)(han)縫(feng)(feng)正面和背面均(jun)(jun)連續均(jun)(jun)勻。由于直流TiG焊(han)(han)接(jie)熱(re)輸入(ru)較(jiao)大，焊(han)(han)縫(feng)(feng)寬(kuan)度達到(dao)8.72mm；采用脈(mo)沖(chong)(chong)TiG焊(han)(han)接(jie)時，高(gao)頻脈(mo)沖(chong)(chong)促使電弧(hu)能量(liang)集(ji)中，整體的(de)焊(han)(han)接(jie)熱(re)輸入(ru)減小，焊(han)(han)縫(feng)(feng)寬(kuan)度降低至(zhi)7.40mm；而激(ji)光(guang)焊(han)(han)接(jie)過程中激(ji)光(guang)束具有更(geng)強的(de)穿透性(xing)且激(ji)光(guang)能量(liang)更(geng)加集(ji)中，致使激(ji)光(guang)焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭焊(han)(han)縫(feng)(feng)和熱(re)影響區寬(kuan)度均(jun)(jun)明顯降低，焊(han)(han)縫(feng)(feng)寬(kuan)度僅(jin)為2.66mm，相比于直流TiG焊(han)(han)接(jie)降低約69.5％。

激(ji)(ji)光焊接具(ju)有最快的(de)熔池(chi)加熱和(he)冷(leng)卻速度，熔池(chi)高溫停留(liu)時(shi)間短，液(ye)(ye)態金屬流動性差，熔池(chi)中心(xin)的(de)液(ye)(ye)態金屬不能及時(shi)回(hui)流到焊縫兩側(ce)，導致(zhi)焊縫兩側(ce)咬(yao)邊缺陷(xian)增加。而(er)脈沖(chong)TiG焊接可對(dui)焊接熔池(chi)的(de)流動性進(jin)行(xing)調(diao)控(kong)，因而(er)能夠更好地(di)控(kong)制焊縫熔透行(xing)為、焊縫寬度和(he)咬(yao)邊。相(xiang)比激(ji)(ji)光焊接，脈沖(chong)TiG焊縫中心(xin)位(wei)置熔池(chi)下塌降(jiang)低，熱影(ying)響區位(wei)置的(de)熔池(chi)咬(yao)邊也得(de)到一定削弱。

2.2顯微組織

圖(tu)3為(wei)不同(tong)焊(han)(han)(han)接(jie)工藝下TA18鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭的(de)(de)(de)橫(heng)截面形(xing)貌。圖(tu)4為(wei)TA18鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭橫(heng)截面組成區(qu)(qu)域示意圖(tu)。由圖(tu)4可以(yi)看出，TA18鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭主(zhu)(zhu)要分為(wei)母材(ｂａｓｅｍｅｔAl，ＢＭ)、熱(re)(re)(re)(re)影響(xiang)(xiang)(xiang)區(qu)(qu)(ｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ，ＨＡＺ)和(he)焊(han)(han)(han)縫(feng)區(qu)(qu)(ｗｅｌｄｚｏｎｅ，ＷＺ)，而(er)熱(re)(re)(re)(re)影響(xiang)(xiang)(xiang)區(qu)(qu)根(gen)據受熱(re)(re)(re)(re)情況(kuang)分為(wei)粗晶(jing)(jing)熱(re)(re)(re)(re)影響(xiang)(xiang)(xiang)區(qu)(qu)(ｃｏａｒｓｅｇｒａｉｎｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ，ＣＧＨＡＺ)和(he)細晶(jing)(jing)熱(re)(re)(re)(re)影響(xiang)(xiang)(xiang)區(qu)(qu)(ｆｉｎｅｇｒａｉｎｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ，ＦＧＨＡＺ)。從(cong)圖(tu)3可以(yi)看出，直流(liu)TiG焊(han)(han)(han)接(jie)接(jie)頭粗晶(jing)(jing)熱(re)(re)(re)(re)影響(xiang)(xiang)(xiang)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)呈現鑄(zhu)態組織特征。脈(mo)沖TiG焊(han)(han)(han)接(jie)方式能(neng)夠降(jiang)低(di)焊(han)(han)(han)縫(feng)熔(rong)(rong)(rong)池(chi)的(de)(de)(de)整體熱(re)(re)(re)(re)輸(shu)入，同(tong)時峰(feng)值(zhi)電流(liu)和(he)基值(zhi)電流(liu)交替對熔(rong)(rong)(rong)池(chi)液態金(jin)(jin)屬進行加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)(re)(re)和(he)冷卻，有(you)利于加(jia)(jia)(jia)強對焊(han)(han)(han)接(jie)熔(rong)(rong)(rong)池(chi)的(de)(de)(de)攪拌作用，細化(hua)粗大的(de)(de)(de)柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)粒(li)。激(ji)光(guang)焊(han)(han)(han)接(jie)具有(you)較快的(de)(de)(de)加(jia)(jia)(jia)熱(re)(re)(re)(re)和(he)冷卻速率(lv)，熔(rong)(rong)(rong)池(chi)液態金(jin)(jin)屬主(zhu)(zhu)要依附(fu)于熱(re)(re)(re)(re)影響(xiang)(xiang)(xiang)區(qu)(qu)半熔(rong)(rong)(rong)化(hua)晶(jing)(jing)粒(li)形(xing)核長大，熔(rong)(rong)(rong)池(chi)高溫停留時間相(xiang)對較短，晶(jing)(jing)粒(li)來不及長大便凝(ning)固；焊(han)(han)(han)縫(feng)柱(zhu)(zhu)狀晶(jing)(jing)區(qu)(qu)晶(jing)(jing)粒(li)呈45°夾角從(cong)兩側對稱向焊(han)(han)(han)縫(feng)中心位置生長，具有(you)較大的(de)(de)(de)長寬比。

圖(tu)(tu)5為TA18鈦合(he)金焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)位(wei)置的(de)金相(xiang)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。從圖(tu)(tu)5可以看出，雖然(ran)直流(liu)TiG、脈沖TiG、激光焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)的(de)熱源形(xing)式有所差異，但焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)區(qu)(qu)域的(de)微觀組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)特征基本(ben)相(xiang)似。TA18鈦合(he)金母材組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)為等軸α相(xiang)，當焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)加熱溫(wen)度超過α/β轉(zhuan)(zhuan)變溫(wen)度時，母材中(zhong)的(de)α相(xiang)向(xiang)β相(xiang)轉(zhuan)(zhuan)變，高溫(wen)下β晶粒快(kuai)速(su)長大[9－10]。在(zai)(zai)(zai)隨后的(de)快(kuai)速(su)冷卻(que)過程中(zhong)，焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)熔池(chi)內粗大的(de)β晶粒保存至固相(xiang)，并形(xing)成(cheng)針(zhen)狀(zhuang)馬氏體α′相(xiang)[11]。直流(liu)TiG焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭(tou)中(zhong)除針(zhen)狀(zhuang)馬氏體α′相(xiang)之外(wai)，還存在(zai)(zai)(zai)大量先共析α相(xiang)，其中(zhong)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)區(qu)(qu)內先共析α相(xiang)占(zhan)比(bi)最大且(qie)呈(cheng)(cheng)塊(kuai)狀(zhuang)團聚分布(bu)，這表明即(ji)使在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)熔池(chi)快(kuai)速(su)冷卻(que)的(de)過程中(zhong)，熔池(chi)內局部區(qu)(qu)域仍存在(zai)(zai)(zai)較大溫(wen)差，導致不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)位(wei)置的(de)冷卻(que)速(su)度不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)，造成(cheng)焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)區(qu)(qu)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)位(wei)置顯(xian)微組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)存在(zai)(zai)(zai)差異。與直流(liu)TiG焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)中(zhong)存在(zai)(zai)(zai)較大的(de)塊(kuai)狀(zhuang)α相(xiang)不(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)，脈沖TiG焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)(feng)中(zhong)的(de)針(zhen)狀(zhuang)馬氏體α′相(xiang)更加細(xi)小(xiao)，呈(cheng)(cheng)交(jiao)錯(cuo)的(de)網籃組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)形(xing)態。

激光焊接焊縫區(qu)顯(xian)微組(zu)織主要為原始β晶界隔開的針(zhen)狀馬氏(shi)體(ti)α′相(xiang)及少量的塊(kuai)狀相(xiang)變(bian)α相(xiang)，且網籃(lan)狀排列的針(zhen)狀馬氏(shi)體(ti)α′相(xiang)占比(bi)最大，組(zu)織最細。

粗晶熱影(ying)響區為針狀馬(ma)氏(shi)體α′相(xiang)(xiang)和更(geng)加(jia)細(xi)小(xiao)、彌(mi)散分布(bu)的(de)塊狀轉變α相(xiang)(xiang)。隨著距離(li)熱源中心位置的(de)增加(jia)，細(xi)晶熱影(ying)響區的(de)加(jia)熱溫度(du)較(jiao)低(di)且冷卻速度(du)快(kuai)，晶粒(li)尺(chi)寸仍然(ran)較(jiao)小(xiao)，僅有部(bu)分α相(xiang)(xiang)轉變為高溫β相(xiang)(xiang)(深色(se))，隨后冷卻過程中形成α＋α′相(xiang)(xiang)組織。

2.3力學性能

由(you)于(yu)TA18鈦合(he)金(jin)直流TiG、脈沖(chong)(chong)TiG和激(ji)光焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭微觀(guan)組(zu)織(zhi)存在(zai)差異，導(dao)致焊(han)縫(feng)顯微硬(ying)度也有(you)所不(bu)同。TA18鈦合(he)金(jin)母(mu)材顯微硬(ying)度值(zhi)為(wei)(wei)2.17GPa，激(ji)光焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭焊(han)縫(feng)區的平均顯微硬(ying)度值(zhi)達(da)到2.73GPa，顯著高于(yu)直流TiG和脈沖(chong)(chong)TiG(焊(han)縫(feng)區的平均顯微硬(ying)度值(zhi)分別為(wei)(wei)2.53、2.57GPa)。這是(shi)因為(wei)(wei)激(ji)光焊(han)接(jie)(jie)具(ju)有(you)較快(kuai)的冷卻速(su)率，導(dao)致焊(han)縫(feng)區形成大量細小(xiao)的網籃狀排列(lie)的針狀馬氏體(ti)α′相(xiang)，而(er)網籃狀排列(lie)的針狀馬氏體(ti)α′相(xiang)是(shi)提高焊(han)縫(feng)強度和硬(ying)度的主要組(zu)織(zhi)[9，12]。

圖(tu)6為(wei)(wei)TA18鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)室溫拉伸(shen)試(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)照片，圖(tu)7為(wei)(wei)不(bu)同(tong)(tong)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)下(xia)TA18鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)室溫拉伸(shen)性能。從圖(tu)6可以(yi)看到(dao)，不(bu)同(tong)(tong)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)下(xia)拉伸(shen)試(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)斷裂位置均位于母(mu)材(cai)處。TA18鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)母(mu)材(cai)的(de)(de)(de)抗拉強(qiang)(qiang)度為(wei)(wei)659MPa，屈服強(qiang)(qiang)度為(wei)(wei)626MPa，延伸(shen)率為(wei)(wei)22.0％。從圖(tu)7可知(zhi)，焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)對TA18鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭抗拉強(qiang)(qiang)度及屈服強(qiang)(qiang)度的(de)(de)(de)影響不(bu)大。激(ji)光(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)下(xia)，焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)(de)延伸(shen)率最高，達到(dao)20.5％，為(wei)(wei)母(mu)材(cai)的(de)(de)(de)93％；直(zhi)流TiG焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)下(xia)的(de)(de)(de)延伸(shen)率最低，為(wei)(wei)16.0％，是(shi)母(mu)材(cai)的(de)(de)(de)72％。這是(shi)因為(wei)(wei)激(ji)光(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭焊(han)(han)縫區(qu)和熱影響區(qu)的(de)(de)(de)寬度要顯著(zhu)小于TiG焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)，在拉伸(shen)試(shi)樣(yang)標距范圍內母(mu)材(cai)的(de)(de)(de)變形協調區(qu)間更大。

TA18鈦合金焊(han)接接頭的彎(wan)曲性能如表4所(suo)示。

從表(biao)4可見，激(ji)光(guang)焊接(jie)接(jie)頭的(de)彎曲角度普遍低于(yu)TiG焊接(jie)接(jie)頭，這是由于(yu)激(ji)光(guang)焊縫中的(de)針(zhen)狀馬氏體α′相較多，造成焊接(jie)接(jie)頭硬度增加。

3、結論

(1)與直流TiG焊接(jie)(jie)工藝(yi)相比，脈沖TiG焊接(jie)(jie)工藝(yi)的電弧(hu)能量集中(zhong)，整體的焊接(jie)(jie)熱(re)輸入(ru)減(jian)小，焊縫熔(rong)寬降(jiang)低(di)；激光焊接(jie)(jie)工藝(yi)可顯著降(jiang)低(di)焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)的寬度，與直流TiG焊接(jie)(jie)工藝(yi)相比焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)寬度減(jian)少約69.5％。

(2)TA18鈦(tai)合(he)金激(ji)光焊接(jie)接(jie)頭(tou)顯微(wei)組織主要為原始(shi)β晶(jing)界隔開的(de)針狀(zhuang)(zhuang)馬氏體α′相及(ji)少量的(de)塊狀(zhuang)(zhuang)相變α相，且網籃狀(zhuang)(zhuang)排列的(de)針狀(zhuang)(zhuang)馬氏體α′相占(zhan)比最(zui)(zui)大，組織最(zui)(zui)細(xi)。

(3)3種焊接(jie)(jie)工藝(yi)(yi)下(xia)拉伸(shen)試樣(yang)的(de)斷裂位置均(jun)位于母材處，其(qi)中，激(ji)光焊接(jie)(jie)工藝(yi)(yi)下(xia)焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭的(de)延伸(shen)率最高，為20.5％，達(da)到母材的(de)93％。與TiG焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭相(xiang)比，激(ji)光焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭具有更高的(de)顯微(wei)硬度(du)，但(dan)其(qi)彎曲性能相(xiang)對較低。

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