BT22高强钛合金电子束焊接工艺研究

罗添元，周琦，彭勇，郭顺，向阳

(南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

BT22钛合金是俄罗斯研制的高强钛合金，中国的牌号是TC18。其名义成分为Ti5Al5Mo5V1Cr1Fe，是一种α+β双相钛合金，合金相变点在850 ℃～870 ℃。其综合性能优异，特点是强度高、断裂韧性高并且具有较高的淬透性。BT22钛合金是目前代表国际先进水平并在飞机上获得实际应用的高强钛合金之一，适于作为大型厚截面航空构件,特别适用于制造飞机机身及起落架结构的大型锻件[1]，是飞机特殊承力部件的优选结构材料[2]。真空电子束焊接作为一种高能束焊接技术，已经广泛应用于航空材料的焊接,其焊接接头具有深宽比大、热影响区窄、变形小等优点[3-4]。但是电子束焊接同样是一个复杂的热物理化学冶金过程，会造成焊接接头部位材料组织和力学组织性能的不均匀性[5]。本文通过对BT22电子束焊接工艺研究，分析了不同工艺条件下焊缝的宏观形貌、微观组织和力学性能，可以为TB22钛合金电子束焊接工艺的选择提供合理的依据并应用于实际生产中。

1 试验方法

取2块70mm×35mm×4mm的BT22焊接试板，并做焊前打磨、酸洗，电子束沿2块试板对接的中心线施焊。

实验采用真空电子束焊机(ZD60-6A 5001型)。电子束参数设定：高压U=-60 kV，灯丝设定I灯=650 mA，运动速度v=3 mm/s,工作距离D=295mm。通过调节焊接束流Ib，调整聚焦电流If，研究工艺参数对BT22电子束焊接宏观形貌的影响，从而确定出合适的工艺参数值。从焊接试板上线切割切取试样在真空炉中进行焊后退火处理，观察比较焊态和退火态不同条件下焊接接头的金相组织。

金相试样制备过程包括线切割、砂纸打磨和抛光，抛光采用W1金刚石研磨膏。腐蚀液为HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7，在OLYMPUS GX41倒置光学显微镜下观察显微组织并照相。实验用HVS-1000Z数显显微硬度计对焊接试样进行显微硬度测试。室温拉伸在SANS CMT 5105万能试验机上进行。

2 结果与分析

2.1 宏观形貌

根据钛合金电子束焊接的线能量可以计算出所需束流的粗略值，为减少试验次数，由正交试验结果可以得到如下的参数值范围。

1)束流Ib=24mA，If=678mA

从焊缝正反面宏观焊缝成形情况可以看出焊件的成形情况较差，焊件焊接时飞溅较大，焊缝正面存在明显的咬边缺陷。由焊件反面可以看出焊缝已被焊漏。

2)束流Ib=23mA,If=681mA

焊接束流稍大，试板焊透，焊缝正面存在轻微咬边缺陷。

3)束流Ib=22mA，If=680mA

焊缝仍不够饱满,但由焊缝反面可以得出焊件焊漏程度良好，可以初步认为为刚焊透情况。

4)束流Ib=21mA，If=680mA

由焊缝的正反面可以看出正面焊缝较宽，焊缝的成形较差，飞溅比较明显，由反面可以看出焊件并未被焊透，电流偏小。

由以上试验可以得到，Ib=22mA，If=680mA为最佳工艺参数值。

2.2 金相组织

采用Ib=22mA的焊板制作金相试样进行金相观察。金相试样制备过程包括砂纸打磨和抛光，抛光采用W1金刚石研磨膏。腐蚀液为HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7，在光学显微镜下观察显微组织，将未经热处理与热处理状态下的显微组织进行对比。焊后热处理制度为真空状态下450 ℃退火处理。

图1给出了BT22焊接接头未经热处理状态的显微组织。焊缝区域的柱状晶粗大较为明显，焊缝附近晶粒粗化严重。焊缝组织为亚稳态β相，由于电子束热循环非常快，焊态下看不到晶粒析出。母材β晶粒内存在着细小的网篮状α片，被β晶粒包围着。晶界α片较粗且有不同程度的断续。热影响区在焊接过程中的高温下部分固溶，之前的α片轮廓变粗。

图1 BT22电子束接头焊态组织

图2给出了BT22焊接接头退火后的显微组织。在焊缝区和热影响区的晶粒中析出细小的α片，同一集束的α片的趋向为各向同性。具有强化和降低β过饱和的作用。母材的晶内α片粗大。

图2 TC18电子束接头焊后退火组织

2.3 硬度试验

对BT22对接束流Ib=22mA的退火处理后的试样进行硬度试验。试样打点如图3所示，沿图3所绘1、2两条线进行打点。实线1在垂直于焊缝上等间距打点，具体打点是按照点间距1mm，打点19个。实线2是在焊缝上等距离打点，点间距是0.5mm，打点7个。

图3 打点区域

实线1硬度值的总体变化折线图用origin制图表示，如图4所示。

图4 垂直于焊缝上直线1硬度曲线

实线2硬度值的总体变化折线图(从正面到反面，正面距离为正)用origin制图表示，如图5所示。

图5 焊缝上直线2硬度曲线

由图5可以看出焊缝处硬度值在275 HV1左右，BT22钛合金母材的硬度值高于焊缝区域。

2.4 拉伸性能

从参数Ib=22mA退火后的焊接试板上取2个拉伸试样进行拉伸性能测试。由于BT22钛合金硬度较高，拉伸试验机上的普通夹具无法装夹，设计了一套夹具满足试验要求。拉伸试样也与普通的试样不同,如图6所示。

图6 夹具与拉伸试验

拉伸试验结果如表1所示。

表1 拉伸试验结果

将2次经过热处理的拉伸试验得到的抗拉强度取平均值，得到接头平均拉伸性能为938.4MPa。

3 结语

1)由焊缝的宏观形貌可以获得最佳的焊接工艺参数为高压U=-60 kV，灯丝设定I灯=650 mA，运动速度v=3mm/s,工作距离D=295mm，电子束流Ib=22mA，聚焦电流If=680mA。

2)焊后热处理可以改善焊缝的组织, 在焊缝区和热影响区的晶粒中析出细小的α片，同一集束的α片的趋向为各向同性。α片具有强化和降低β过饱和的作用。母材的晶内α片粗大。

3)焊后热处理的BT22钛合金母材的硬度值高于焊缝区域。接头平均拉伸性能为938.4 MPa。

[1] 王金雪,袁鸿,余槐,等. 冷却速度对TC18钛合金焊接热模拟均温区组织和性能的影响[J]. 航天制造技术,2008(3):19-21.

[2] 中国航空信息中心《世界飞机手册》编写组．世界飞机手册2000[M]. 北京：航空工业出版社，2001.

[3] 戚云莲,洪权,刘向,等. 钛及钛合金焊接技术[J]. 钛工业进展,2004,21(6):25-29.

[4] 王亚军. 电子束焊接技术在航空工业中的应用[J]. 航空制造技术,2004(增刊):20-25.

[5] 高莹，于顺兵，李德富，等. 热处理制度对TB2钛合金焊接接头性能的影响[J]. 稀有金属，2005，29(5):631-634.