TIG焊接Ti－6Al－4V钛合金薄板工艺与组织分析

陈茂军，靳全胜，苗高蕾

（西安航空职业技术学院，陕西西安 710089）

TIG焊接Ti－6Al－4V钛合金薄板工艺与组织分析

陈茂军，靳全胜，苗高蕾

（西安航空职业技术学院，陕西西安 710089）

为探索更合理的焊接工艺方法，作者采用TTG焊接1．2mm的钛合金薄板，分别采用焊接电流为65A、60A、50A和55A焊接四组试样，并对焊件进行外观分析、无损检测、拉伸性能测试、金相扫描等检测，通过对比，采用焊接电流为65A，焊接速度为173mm/min，正反面Ar气的流量为10L/min，钨极直径为φ1．6mm，焊丝直径φ1．6mm的工艺参数来焊接1．2mm的TC4钛合金较为合理。

TIG焊;工艺参数;组织;拉伸试验

钛合金的比强度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料［1］。钛合金TIG焊接结构在航空、航天、航海、石油，化工等领域具有广阔的应用前景，钛合金焊接接头质量是影响焊接结构寿命的重要因素之一［2］。在本文中，采用TTG焊接1．2mm的钛合金薄板，为探索更合理的工艺方法，采用几组不同的工艺参数进行试验，利用X射线检验焊缝的内部缺陷，用万能拉伸试验机进行拉伸试验，并对断口的组织形貌进行分析，切取试样磨制成金相，用扫描电镜（SEM）观察分析其焊缝组织，通过综合分析，从而对焊接工艺参数进行合理评价。

1 试验方法

焊接所用TC4钛合金板，厚度为1．2mm，规格为300 mm×75 mm×1．2 mm，化学成分为：Al 5．5～6．8%，V 3．5～4．5%，Fe 0．3%，C 0．08%，N 0．05%，H 0．015%，O 0．20%，Ti为余量，其他0．4%;焊丝材料为TC1钛合金，规格为φ1．6mm，化学成分：Al 1．0～2．5%，Mn 1．0～2．5%，Fe 0．3%，C 0．08%，N 0．05%，H 0．012%，O 0．15%，Ti为余量，其他0．4%。

焊接之前要进行酸洗，然后采用钢丝刷去除待焊区氧化膜，并用丙酮擦拭干净。试验在WSE－ 315焊接手工钨极氩弧焊机上进行，焊接工艺参数［3］如表1所示。

表1 焊接工艺参数

2 试验结果与讨论

2．1 X射线探伤

按照HB5386－87对Ti－6Al－4V钛合金焊接接头进行X射线探伤检测，结果表明，严格按照航空工业标准HB/Z120－87钛及钛合金钨极氩弧焊接工艺，焊前对试件及接头进行清理和准备，Ti－6Al－4V常规TIG焊接接头质量都符合航空一级标准［4］，钛合金TC4母材及焊缝如图1所示。

图1 钛合金TC4母材及焊缝

从图1焊缝照片得知，A、B、C和D试件焊缝正面成形良好，外形尺寸符合要求，但是从它们的反面可以看出，A试件的反面成形较好，B、C和D试件反面成形较差，A、B、C和D试件的焊接电流分别为65A，60A、50A和55A，说明焊接电流对焊缝的反面成形有影响。对它们进行X射线无损检测，探伤检验结果如图2所示。

图2 X射线探伤结果

从图2无损探伤的结果得知，焊缝中没有出现严重的缺陷，只在B和C试件中出现少量的小气孔，在图3的金相组织分析的图片中清晰可见。

图3 焊缝中不同区域的显微组织特征

2．2 接头组织观察

利用JSM－6390A扫描电镜进行观察分析焊缝的组织特征。图3为A、B、C、D焊缝区和热影响区显微组织特征。TC4母材的显微组织是由等轴的晶粒和晶间分布的β两相组织组成，白色为α相，黑色为β相，两相呈层状分布，焊后其组织均发生了明显的变化，形成了无规则分布的交叉片状或针状组织［3］。A的金相组织中形成了无规则的交叉或针状组织，B的金相组织中出现条状晶枝，并且出现较多的小孔，C和D的焊缝中出现板块状晶粒，这是由于焊接电流的减小，使得焊缝中的金属熔合的不充分所致。

从图3得知，对于试件A的焊缝，焊接电流为65A，焊缝区域与热影响区的晶粒细小均匀;对于试件B的焊缝，焊接电流为60A，焊缝区域的晶粒粗大，并且晶粒之间出现明显的边界，在热影响区中出现较多孔洞;对于试件C的焊缝，焊接电流为50A，它的焊缝中出现交叉无规则的晶体组织，并且出现一些空洞;对于试件D的焊缝，焊接电流为55A，晶粒交叉且不规则，晶粒粗大并且出现明显的晶界。通过对A、B、C和D的焊缝组织结构进行比较，当采用焊接电流为65A，焊接速度为173mm/ min，正反面气体流量为10L/min，钨极直径为1．6 mm，焊丝直径为1．6mm的焊接参数进行焊接1．2 mmTC4钛合金薄板时焊缝显微组织结构最好。

2．3 接头力学性能测试

表2为不同焊接工艺条件下的焊接接头的室温拉伸性能，A、B、C、D和母材M的抗拉强度分别为1023Mpa，1021Mpa，982Mpa，980Mpa和1012Mpa，而A、B、C和D的焊接电流分别为65A，60A，50A和55A。试件A和B焊缝的抗拉强度高于母材M。分析它们的延伸率，母材M的延伸率最好，A和B的延伸率低于母材而高于C和D试件的延伸率。对于A、B、C、D和母材M的断面收缩率分别为12．19%，10．24%，3．51%，14．84%和11．21%，D试样的断面收缩率最大为14．84%，C最小为3．51%，A试样的断面收缩率为12．19%与母材M的断面收缩率11．21%相接近。从而得知焊接电流为65A的A试件和焊接电流为60A的B试件的综合力学性能比C和D试件优良，与母材M相比基本相近。

表2 拉伸试验结果

2．4 接头断口分析

图4是不同工艺参数钛合金接头拉伸断口晶界处韧窝的SEM照片。其中韧窝的大小、深浅不一，与采用不同的焊接工艺参数密切相关。焊接工艺参数不同，TC4钛合金熔池液态金属凝固时，β相晶粒尺寸以及β相相变产生的α相与针状α'相的大小都会有所差异［5－7］，从而影响沿晶断裂处的韧窝形貌。图4A所示，由于焊接电流较大，断口表面出现大量的塑性变形产生的撕裂棱，撕裂棱上布满了大小不等的圆形或者椭圆形韧窝，这一特征与母材拉伸试样断口撕裂棱基本一致，对于4B、4C和4D所示，拉伸试样断口表面出现的塑性变形撕裂棱较少，断口的均匀性和韧性比4A差，脆性组织增加，对于图4M所示，在断口组织表面出现撕裂棱，而撕裂棱上所布满的圆形或椭圆形韧性窝比较均匀，与4A的断口组织形貌图相比基本接近，对于4B、4C和4D的断口组织形貌图出现的结果，主要由于较小的焊接电流，在焊接过程中熔池的温度较低，存在的时间较短，结晶的速度较快，焊缝的脆性增加所致。

图4 拉伸试样断口组织形貌

3 结论

采用TIG焊接1．2mm钛合金时，分成四组不同的工艺参数制成四组拉伸试样，对试样进行拉伸试验，通过分析比较，焊接电流为65A的焊件A和焊接电流为60A的焊件B的抗拉强度、断面收缩率和延伸率与母材M相接近;截取焊缝金相试样镶嵌磨制成金相，利用扫描电镜进行观察分析焊缝的组织特征，焊接试件A焊缝显微组织晶粒组织细小均匀，形成无规则的针状组织，组织结构良好，无空洞;对于拉伸试样断口形貌的分析，在A试样的拉伸断口表面出现大量的塑性变形产生的撕裂棱，撕裂棱上布满了大小不等的圆形或者椭圆形韧窝，这一特征与母材M拉伸试样断口撕裂棱基本一致。因此，采用焊接电流为65A焊接速度为173mm/min，正反面Ar气的流量为10L/min，钨极直径为φ1．6mm，焊丝直径φ1．6mm的工艺参数来焊接1．2mm的TC4钛合金较为合理。

［1］田锦．活性氩弧焊对钛合金焊缝成形的影响［J］．热加工工艺，2010，（5）．

［2］周水亮，赵海涛，齐铂金．Ti－6Al－4V钛合金超音频脉冲TIG焊［J］．焊接学报，2010，（10）．

［3］陈茂军．TIG焊接TC4工艺参数对熔合区显微组织特征影响研究［J］．长沙航空职业技术学院学报，2013，（3）．

［4］周荣林，郭德伦，李从卿，等．TC4钛合金电弧超声TIG焊［J］．焊接学报，2004，（6）．

［5］Elmer JW，Palmer TA．Phase transformation dynamics during welding of Ti－6Al－4V［J］．Journal of applied physics，2004，（12）．

［6］（德）C．莱茵斯，M．皮特尔斯编，陈振华等译．钛与钛合金［M］．北京：化学工业出版社，2005．

［7］Ahmed T，Rack H J．Phase transformation during cooling inα+βtitanium alloys［J］．Materials Science＆Engineering（A），1998，（3）．

［编校：杨琴］

Analysis of Ti－6Al－4V Titanium Alloy Thin PlateWelding Process and Microstructure of TIG

CHEN Maojun，JIN Quansheng＆MIAO Gaolei
（xi＇an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi＇an Shanxi 710089）

In order to exploremore reasonablemethod of the welding process，Titanium alloy sheet based on TTG 1．2mm welding are adopted，by having appearance analysis，nondestructive test，tensile test and metallographic scanning of four groups of specimens with the welding current of 65A，50A of 60A and 55A．By contrast，it ismore reasonable that1．2 mm TC4 titanium alloy iswelded by adopting such process parameters，that is，thewelding current is65A，welding speed 173mm/min，frontback Ar gas flow rate 10L/min，tungsten electrode phidiameter1．6mm，and wieldingwire＇s diameter 1．6mm．

TIG welding;technology parameters;microstructure;tensile tests

TG442

A

1671－9654（2014）01－062－06

2014－02－15

陈茂军（1978－），男，湖南邵阳人，讲师，工学硕士，研究方向为焊接技术。

本文为西安航空职业技术学院院级课题“薄板钛合金TIG焊接工艺、性能及焊缝显微组织研究”（编号：12XK－ZL001）阶段性研究成果。

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