1、电子束焊对 TA1 中厚板微观组织及力学性能的影响 白威 攀钢集团研究院有限公司钒钛资源综合利用国家重点实验室 摘 要： 采用电子束焊对 30 mm 厚的 TA1 板开展焊接试验, 通过对接头进行宏观与微观组织观察与分析、维氏硬度、拉伸及冲击试验, 研究了焊接过程对 TA1 微观组织及力学性能的影响。结果表明, 焊接接头综合力学性能优良。在焊接热循环作用下, 接头不同区域的微观组织差异显著:TA1 中厚板母材组织为等轴 ;焊缝为由 柱状晶、锯齿 和少量针状 组成的混合组织;热影响区组织为锯齿 。与母材相比, 电子束焊使得接头焊缝及热影响区的强度、硬度及冲击韧性均有明显提高。关键词： TA1 中
2、厚板; 微电子束焊; 微观组织; 力学性能; 作者简介：白威 (1989) , 男, 辽宁沈阳人, 硕士, 工程师, 研究方向为金属材料焊接.收稿日期：2017-05-23Effect of EBW on microstructures and mechanical properties of TA1 medium plateBAI Wei State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Resources Utilization, Pangang Group Research Institute Co., Ltd.; Abstract： TA1 m
3、edium plate with a thickness of 30 mm had been welded by applying electron beam welding (EBW) . The effect of the welding process on microstructures and mechanical properties of TA1 medium plate had been investigated with the testing measures, such as macrostructure and microstructure observation an
4、d analysis, Vickers hardness, tensile test and impact test. The test results showd that the welded joint possesses excellent comprehensive mechanical properties. Under the effect of welding thermal cycles, notable microstructure differences existed in different areas of the joint. The base metal was
5、 composed of equiaxed alpha. The weld seam was composed of a hybrid microstructure, including alpha columnar crystal, serrated alpha and a bit of acicular alphas. The heat affected zone was made up entirely of serrated alpha. Compared with base metal, electron beam welding made the strength, hardnes
6、s and impact toughness of the weld seam and heat affected zone exhibited significant improvements.Keyword： TA1 medium plate; electron beam welding; microstructure; mechanical properties; Received： 2017-05-230 引言工业纯钛 TA1 是典型的全 型钛合金, 尽管强度不高, 但凭借耐腐蚀、加工塑性及焊接性能良好等特性而被视为重要的耐蚀结构材料, 大量应用于管道系统、化工热交换器及压力容器等领域
7、1。钛的化学活性高, 随加热温度逐渐升高, 材料会与环境气氛中的 H, O, N, C 等杂质元素相继发生强烈反应2。特别是在焊接高温条件下, 钛会迅速吸收 O和 N, 使接头的韧性及塑性下降3。因此, 在钛及钛合金的焊接过程中, 对焊缝采取可靠、有效的气体隔离措施是获得高品质接头的关键。电子束焊 (EBW) 作为一种近 50 年发展起来的先进焊接技术, 与传统熔焊相比, 具有能量密度高、束流穿透能力强、焊缝深宽比大、工艺重现性好等显著优点4, 可在不开坡口的情况下一次性完成大厚度金属工件的焊接。同时, 真空环境施焊能够将熔池金属与空气隔离, 从而避免焊接冶金缺陷的形成。因此, 该技术对于厚板
8、钛及钛合金来说是较为理想的焊接方法。现阶段, 关于 TA1 的报道多是采用 TIG 焊及激光焊等技术开展厚度在 10 mm 以下的薄板焊接5-6, 而涉及板厚 30 mm 及其以上厚度 TA1 的焊接研究报道相对较少。在此, 拟针对 30 mm 厚的 TA1 板开展电子束焊接试验, 通过焊后对接头进行组织结构与力学性能研究, 分析电子束焊接过程对材料微观组织及各项力学性能的影响, 为 TA1 中厚板焊接结构件在工程领域的应用奠定基础。1 试验材料母材为退火态的 30 mm 厚 TA1 热轧中厚板, 尺寸为 500 mm150 mm30 mm, 化学成分见表 1。表 1 TA1 中厚板化学成分
9、(质量分数) (%) 下载原表 焊前, 采用丙酮清洗掉试板表面及对接面的杂质及油污。采用对焊形式, I 形坡口。为保证焊接熔深及焊缝成形, 在对接试板底部添加相同材质的锁底垫板, 装配方式如图 1 所示。装配时, 通过工装夹具施加拘束, 保证两试板间以及试板与垫板间的间隙均小于 0.1 mm。图 1 焊接装配示意图 下载原图2 试验方法焊接试验在 K100-G150/300KM-CNC 型高压真空电子束焊机上进行, 设备最大加速电压 150 k V, 额定功率 30 k W。焊接作业时, 设备真空度为 510Pa, 焊接方向垂直于板材轧制方向。电子束焊焊接工艺参数见表 2。焊接时只采用小束流进
10、行三点定位焊, 防止后续深熔焊时试板变形错位影响整体焊接质量。然后, 再采用大束流进行深熔焊, 保证试板一次性焊透。焊接过程中, 采用圆波扫描模式, 起到充分搅拌熔池金属, 消除熔深不均的作用7。焊后, 工件在真空室内随炉冷却 30 min 后取出。表 2 电子束焊焊接工艺参数 下载原表 采用机加工方式除去焊接锁底垫板, X 射线探伤参照 GJB 1718A2005 要求进行。采用 OLYMPUS 光学金相显微镜对接头各区域进行微观组织观察;采用 MTS-CMT5205 型电液伺服万能拉伸试验机, 按 GB/T 228.12010 进行拉伸试验;采用 Hv S30 型数显硬度仪, 参照 ISO
11、 9015-12001 进行维氏硬度测试;采用RPSW-300 型冲击试验机, 参照 GB/T2292007, 分别在-60, -30, 0, 22 (室温) 条件下进行冲击试验。3 试验结果及分析3.1 接头宏观组织分析接头宏观组织形貌如图 2 所示。由图 2a 可看出, 焊缝呈“钉形”, 沿熔深方向宽度逐渐减小, 深宽比约 101。接头焊接质量良好, 焊缝中无气孔、夹杂及裂纹等冶金缺陷。由图 2b 可见, 母材、热影响区和焊缝 3 个区域因组织形态差异而分界明显。与母材相比, 热影响区及焊缝出现了晶粒粗化现象。其中, 焊缝组织为熔池金属快速凝固而形成的粗大柱状晶。图 2 接头横截面宏观组织
12、 下载原图3.2 接头微观组织分析焊缝微观组织如图 3 所示。由图 3a 可见, 焊缝组织主要由 柱状晶和锯齿 构成。粗大的 柱状晶分布于焊缝中心两侧, 呈对峙排列, 并朝焊缝中心生长。柱状晶内部随机分布着大量尺寸相对细小的锯齿 。图 3b 为图 3a 经放大后的微观组织, 由图 3b 可见, 焊缝组织除锯齿 相外, 还含有少量的针状相 。图 3 焊缝微观组织 下载原图图 4 为热影响区微观组织。由图 4 可见, 该区域组织为晶粒尺寸大小不一的锯齿 , 部分锯齿 晶界重叠。热影响区晶粒尺寸整体上介于母材与焊缝之间, 并且近焊缝热影响区的晶粒尺寸明显大于近母材热影响区。图 4 热影响区微观组织
13、下载原图3.3 接头力学性能焊接接头硬度曲线如图 5 所示。由图 5 可见, 不同测试区域的硬度值存在明显波动, 且焊缝及热影响区的硬度明显高于母材。其中, 焊缝硬度最高 (约HV108HV112) , 热影响区的其次 (约 HV105) , 母材的最低 (约 HV100) 。这是由于焊缝及热影响区内所富集的大量锯齿 晶界具有超出母材的硬度8。图 5 焊接接头硬度曲线 下载原图焊接接头与母材的拉伸性能见表 3。数据表明, 焊接试样的屈服强度及抗拉强度均高于母材的, 这与电子束焊焊接过程中生成的锯齿 及针状 对接头的强化作用有关9。焊接试样的拉伸断口位于母材, 进一步证实焊缝金属强度高于母材强度
14、。而焊接试样的断后伸长率低于母材的, 则是由于钛熔点高、热导率低, 焊接高温停留时间长, 致使焊接区域晶粒过热粗化引起接头塑性下降。另外, 表 3 中不同焊接试样之间的强度等级相当, 说明电子束焊接头的力学性能均匀性较好。表 3 焊接接头与母材拉伸性能对比 (室温) 下载原表 参照 GB/T 2292007 标准, 分别在-60, -30, 0, 22 (室温) 条件下对 TA1中厚板母材、焊缝及热影响区试样进行冲击试验, 测试结果如图 6 所示。图 6 母材、焊缝及热影响区冲击吸收功曲线 下载原图由图 6 可见, 在试验温度范围内, 随温度的逐渐升高, TA1 中厚板母材、焊缝及热影响区的冲
15、击吸收功均表现为先升高后下降趋势。0时, 冲击吸收功最高, 焊缝冲击吸收功高达 263 J。同时, 不同试验温度下, 焊缝及热影响区的冲击吸收功均高于母材, 表明接头冲击韧性优于母材的。另外, 即使在-60的低温环境, 焊缝及热影响区也未出现低温脆性倾向, 且冲击吸收功数值仍显著高于室温时的, 表明 TA1 接头具有良好的耐低温冲击性能。4 结论(1) 采用电子束焊可实现 30 mm 厚 TA1 中厚板的优质连接, 接头综合力学性能优良, 焊缝内部质量满足 GJB 1718A2005 中级要求。(2) TA1 中厚板母材组织为等轴 ;焊缝为由 柱状晶、锯齿 及少量针状 组成的混合组织;热影响区
16、组织则完全为锯齿 相。(3) 拉伸及硬度检验结果表明, 焊缝区域的强度及硬度最高, 热影响区的其次, 母材的最低。(4) 不同试验温度下, 焊缝及热影响区的冲击吸收功均高于母材的, 表明接头冲击韧性优于母材。在-6022范围内, 随着试验温度逐渐升高, 母材、焊缝及热影响区的冲击吸收功均为先升高后下降趋势。0时, 曲线中的冲击吸收功最高。参考文献1赵永庆, 陈永楠, 张学敏.钛合金相变及热处理M.湖南长沙:中南大学出版社, 2012. 2范逸, 郭必永.TA1 工业纯钛的 TIG 焊接J.中国高新技术企业, 2014, 21 (3) :74-75. 3李亚江, 刘坤.钛合金在航空领域的应用及其
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