孫清潔，郭 寧，胡海峰，馮吉才

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，威海 264209；2.蘇州熱工研究院，蘇州 215004)

鈦是繼鋼、鋁及鎂之后發(fā)展起來(lái)的一種金屬。鈦合金的比強(qiáng)度和比剛度高并具有良好的抗腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、抗疲勞和蠕變性能，是一種很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的材料[1]。隨著國(guó)家對(duì)深海資源開(kāi)發(fā)的重視，厚板鈦合金制耐壓殼體受到了更多的關(guān)注，目前對(duì)于厚板鈦合金加工方法多為電子束焊接[2?3]，但該方法的成本高，同時(shí)受真空室空間及大構(gòu)件裝配精度的約束。

1963年，美國(guó)Battelle研究所開(kāi)發(fā)了一種窄間隙焊接方法(Narrow gap welding, NGW)，由于坡口間隙很小，厚板焊縫截面積大幅減小，在較小焊接規(guī)范下也可以保證較高的焊接生產(chǎn)效率[4]。該技術(shù)在保留傳統(tǒng)焊接方法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)比較理想地克服了其局限性[5]。由于其線能量較低，可用于高強(qiáng)鋼、細(xì)晶粒鋼的焊接[6]，但側(cè)壁熔合不良一直是窄間隙焊接發(fā)展的瓶頸[7?8]。

20世紀(jì)末，在烏克蘭Paton焊接所實(shí)現(xiàn)將磁場(chǎng)用于焊接過(guò)程中，以此改善電弧相關(guān)特性并成功將橫向磁場(chǎng)引入到厚板的窄間隙焊接中，解決了窄間隙焊接中的側(cè)壁熔合問(wèn)題[9]。且BROWN等[10]和TSENG等[11]指出縱向磁場(chǎng)能細(xì)化晶粒以提高焊件的力學(xué)性能。而對(duì)厚板窄間隙焊接過(guò)程中磁場(chǎng)對(duì)焊后組織的影響報(bào)道較少，特別是磁場(chǎng)對(duì) Ti-6Al-4V焊后組織的影響分析鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文作者以 56 mm厚的 Ti-6Al-4V作為焊接材料，采用雙U型坡口的窄間隙磁控電弧TIG多層單道焊，分析接頭微觀組織變化，重點(diǎn)研究磁場(chǎng)對(duì)其影響機(jī)理，為厚板鈦合金的工業(yè)應(yīng)用提供可靠的理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用母材為厚度56 mm的Ti-6Al-4V鈦合金板，采用的焊絲是TA2，直徑為3.0 mm。焊前將母材對(duì)接端面開(kāi)雙U型坡口，底部圓角半徑為5 mm，坡口角度為0°，中心對(duì)稱鈍邊2 mm；用細(xì)鋼絲刷、砂紙除去母材距坡口 20 mm以內(nèi)的表面及坡口端面的油污等，再用丙酮進(jìn)行擦拭清洗。將填充材料表面用細(xì)砂紙打磨，丙酮擦拭清洗。將焊件對(duì)接點(diǎn)固，預(yù)先設(shè)置反變形5°左右。

采用直流TIG焊接電源，加載可控交變磁場(chǎng)，鎢極端部距焊道表層距離為 4 mm，磁場(chǎng)強(qiáng)度取自垂直焊接方向截面鎢極尖端處。為了實(shí)現(xiàn)窄間隙中的側(cè)壁熔合，防止焊接缺陷的產(chǎn)生，焊接過(guò)程中選取磁場(chǎng)強(qiáng)度為8 mT，頻率為10 Hz[12]，窄間隙磁控電弧焊接過(guò)程如圖1所示。

圖1 窄間隙磁控電弧焊接方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of narrow-gap controlling magnetic field TIG welding

焊后垂直焊縫方向截取金相試樣，采用金相砂紙240、500、600和800號(hào)順序打磨，然后用3 μm的金剛石拋光劑拋光，使用HF+HNO3+H2O混合的腐蝕液進(jìn)行腐蝕3～5 s。采用金相顯微鏡(OM)觀察其顯微組織形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的橫截面宏觀形貌

采用如表1所列的工藝參數(shù)(表1中v為焊絲的送進(jìn)速度，v′為焊接速度)獲得鈦合金窄間隙接頭橫截面如圖2所示。由圖2可以看出，接頭明顯地分為焊縫區(qū)(WZ)、熔合區(qū)(FZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)。層間熔合線較為明顯，整體焊接接頭的上層焊縫區(qū)的最大寬度為 11 mm，下層焊縫區(qū)的最大寬度為 12.5 mm，焊縫寬度都明顯大于初始坡口寬度，側(cè)壁熔合良好，接頭無(wú)明顯缺陷。

2.2 鈦合金母材區(qū)的組織形貌

厚板Ti-6Al-4V合金母材顯微組織如圖3所示。由圖3可知，組織細(xì)小且均勻，圖中亮白色相為初生α相，它在高溫β晶粒內(nèi)部析出，組織呈等軸結(jié)構(gòu)，β相分布在等軸的α相之間。

表1 焊接參數(shù)Table 1 Welding parameters

圖2 焊接接頭的宏觀形貌Fig.2 Macrostructure of welded joint

圖3 Ti-6Al-4V鈦合金的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure of Ti-6Al-4V titanium alloy

2.3 焊縫區(qū)的組織形貌

在窄間隙的多層單道焊接中，焊縫金屬快速冷卻，原始β相來(lái)不及通過(guò)擴(kuò)散變成平衡的α相，而是通過(guò)原子集體有規(guī)律近程遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)切變相變，從而獲得針狀馬氏體組織[13]。除針狀馬氏體α′相外，還存在極少量的殘余β相。焊接時(shí)，部分β相從高溫快速冷卻過(guò)程中來(lái)不及轉(zhuǎn)變而殘留在針狀馬氏體的晶界處[14]。焊縫呈現(xiàn)典型的籃網(wǎng)狀組織，先焊焊道及焊道交界處的熱量散失大、冷卻速度快，造成組織的迅速轉(zhuǎn)變，形成了細(xì)小雜亂的馬氏體組織(圖4(a))。而處于表層焊道、內(nèi)部焊道中心的組織為平行、粗大的馬氏體組織(圖4(b))，馬氏體針幾乎穿過(guò)整個(gè)原始凝固的β晶粒，這是焊接熱量的傳輸慢，晶粒不斷長(zhǎng)大而造成的。

圖4 焊縫區(qū)的顯微組織Fig.4 Microstructure of weld zone∶ (a)First weld and border of internal weld; (b)Surface weld and internal weld

焊縫中心處沿厚度方向的組織如圖5所示。圖5(a)所示為交界處上方1 mm處的組織；圖5(b)所示為兩道焊道交界處的組織；圖5(c)所示為交界處下方1 mm處的組織。

從圖5(b)可以看出，在表層焊道交界線上僅存在少量尺寸較大的α′相，其余組織均勻細(xì)小，其間殘留著大量未轉(zhuǎn)化的β相。圖5(a)所示的焊道交界線以上的組織中β相分布均勻并明顯多于圖5(c)所示的焊道交界線以下的組織。對(duì)于焊道交界線下的組織，焊接熱循環(huán)促使β相的轉(zhuǎn)變，而對(duì)于界線上的組織，由于焊接過(guò)程中較大的過(guò)冷度無(wú)法實(shí)現(xiàn)β相的及時(shí)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其被大量殘留。

2.4 磁場(chǎng)作用下焊縫組織的對(duì)比分析

許多相關(guān)研究[15?19]表明，外加磁場(chǎng)形成的電磁作用對(duì)液態(tài)熔池進(jìn)行攪拌，造成了焊縫金屬凝固中的樹(shù)枝晶晶臂機(jī)械斷裂，斷裂后的晶臂成為新的形核核心，提高了形核率；電磁攪拌引起強(qiáng)烈混合對(duì)流，抑制了晶粒的非均勻化生長(zhǎng)，晶粒的漂移作用增大了非均勻形核率，從而能細(xì)化晶粒。

為了更好地探究外加磁場(chǎng)對(duì)鈦合金焊縫組織的影響，對(duì)比分析磁場(chǎng)對(duì)組織的影響。圖6所示為強(qiáng)度為8 mT、頻率為10 Hz的磁場(chǎng)作用時(shí)焊縫組織。在焊縫的表層，組織呈柱狀，與普通焊接焊縫中的柱狀組織相似，但其生長(zhǎng)方向是從表層向內(nèi)部生長(zhǎng)(圖6(d))，從焊縫表層向母材過(guò)渡，其組織為明顯的等軸狀晶，只是晶粒的大小在不斷減小，直到熔合線附近。

圖6 8 mT、10 Hz磁場(chǎng)作用時(shí)的焊縫組織Fig.6 Microstructures of weld seam at magnetic field strength of 8 mT and frequency of 10 Hz∶ (a), (b), (c)Metallographs of welded joint, low magnification; (d), (e), (f)Metallographs of welded joint, high magnification

圖7所示為無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的焊縫組織。焊縫表層組織為等軸晶(圖7(e))，向母材過(guò)渡時(shí)發(fā)現(xiàn)少量的柱狀晶(圖7(f))。焊縫表層組織從不加磁場(chǎng)時(shí)的等軸晶單方向伸長(zhǎng)而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罱M織，且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的加大逐漸變得粗大，其生長(zhǎng)方向?yàn)闊崃總鲗?dǎo)方向，即晶粒從表層向內(nèi)部生長(zhǎng)。從表層向熔合線附近過(guò)渡的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，柱狀晶逐漸模糊消失，變?yōu)槊黠@的等軸晶，晶粒的大小隨著向 HAZ延伸在不斷減小，直到熔合線附近。通常情況下，Ti-6Al-4V焊縫的熔合區(qū)及熔合線附近為粗大的柱狀晶組織，如圖7(f)所示。當(dāng)熔池受到縱向磁場(chǎng)作用時(shí)，攪拌的熔池不僅導(dǎo)致液態(tài)金屬的濃度梯度大大降低，而且熔池的溫度場(chǎng)得到重新分布并趨于穩(wěn)定和均勻[20]，磁場(chǎng)的施加抑制了普通焊接情況下的由熔合線向熔池中心生長(zhǎng)方式，抑制了在熔合線內(nèi)側(cè)形成大量的柱狀晶，如圖6(e)所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在特定位置加載磁場(chǎng)后，出現(xiàn)了由柱狀晶(圖7(f))向等軸晶(圖6(e))轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，并有細(xì)化趨勢(shì)。

在磁場(chǎng)作用下，熔池除了受等離子氣流、表面張力及本身焊接電流中的電磁力作用外，磁場(chǎng)的引入增強(qiáng)了電磁力在熔池中的作用，使得熔池中液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)具有復(fù)雜的循環(huán)和渦旋的特點(diǎn)。正是由于這種復(fù)雜的液態(tài)攪拌，當(dāng)擴(kuò)散聚集層的雜質(zhì)被“沖洗”引起液相線溫度的變化已超過(guò)了由于加熱斑點(diǎn)擴(kuò)大和液態(tài)金屬攪拌引起溫度的提高時(shí)，熔池中心附近成分過(guò)冷得到提高，成分過(guò)冷誘導(dǎo)形核結(jié)晶。在電弧的周期擺動(dòng)下，結(jié)晶晶核以等軸晶的形式穩(wěn)定生長(zhǎng)，而受焊接熱輸入能量的供給，等軸晶不斷長(zhǎng)大并且不斷地將周圍的小晶粒吞噬，所以最終形成的焊縫組織，尤其是焊縫的中心表層的組織為粗大組織。

雖然鈦合金的導(dǎo)熱性較差，但是相對(duì)于表層金屬一側(cè)的空氣來(lái)說(shuō)還是較強(qiáng)的，所以這使得表層金屬具有了擇向生長(zhǎng)的特點(diǎn)，最終在其焊縫的中心表層生成粗大的柱狀晶，生長(zhǎng)方向垂直于焊道表面，如圖6(b)所示。

2.5 焊縫一次組織形成過(guò)程

為形象地描述界面層形成過(guò)程，建立了磁控作用下鈦合金焊縫金屬界面層結(jié)構(gòu)及凝固過(guò)程示意圖，如圖8所示。

熔池受電磁作用在結(jié)晶前沿以平面晶的形式結(jié)晶，在熔池內(nèi)部，尤其是焊縫中心受成分過(guò)冷而產(chǎn)生等軸晶晶核(圖8(b))。平面晶在結(jié)晶過(guò)程中釋放結(jié)晶潛熱，在結(jié)晶前沿產(chǎn)生負(fù)溫度梯度以及雜質(zhì)在運(yùn)動(dòng)的平面狀結(jié)晶前沿之前聚集促成成分過(guò)冷，導(dǎo)致平面晶“凸起”，熔池內(nèi)部的等軸晶也可生長(zhǎng)出枝晶來(lái)，但是受到周期擺動(dòng)的電弧作用，“凸起”及晶臂熔斷形成新的晶核，同時(shí)原有等軸晶不斷長(zhǎng)大。由于鈦的熱傳導(dǎo)性能差，熱量促使晶粒長(zhǎng)大，并且過(guò)程中大晶粒不斷吞噬周圍的小晶粒(圖8(c))，最終形成在焊縫表層為柱狀晶粒，向母材逐漸過(guò)渡為等軸晶粒，最后在熔合線附近為平面狀晶(圖8(d))。

圖7 無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的焊縫組織Fig.7 Microstructures of weld without magnetic field∶ (a), (b), (c), (d)Metallographs of welded joint, low magnification; (e), (f), (g)Metallographs of welded joint, high magnification

圖8 磁場(chǎng)作用下鈦合金焊縫金屬一次結(jié)晶過(guò)程示意圖Fig.8 Schematic diagram of primary crystallization process of titanium alloys weld metal under magnetic field∶ (a)Before start of primary crystallization; (b)At begin of primary crystallization; (c)During process of primary crystallization; (d)At end of primary crystallization

3 結(jié)論

1)在厚板鈦合金窄間隙多層焊接過(guò)程中，焊縫金屬為針狀馬氏體α′相與少量殘余的β相，出現(xiàn)典型的籃網(wǎng)狀組織。且焊接熱循序的誘因使得單層焊道的內(nèi)部組織也不均勻。

2)在強(qiáng)度為8 mT、頻率為10 Hz的外加磁場(chǎng)作用下，窄間隙Ti-6Al-4V焊縫組織在熔合線向內(nèi)生長(zhǎng)的位置出現(xiàn)由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的過(guò)渡現(xiàn)象，且晶粒有一定細(xì)化趨勢(shì)。但在焊縫中心處為粗大的柱狀晶，生長(zhǎng)方向垂直于焊道表面。

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