激光疊焊接頭顯微組織及力學(xué)性能分析

1、程東海第30卷第3期焊 接 學(xué) 報(bào)Vol. 30 No. 32 0 0 9 年 3 月TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION March2 0 0 9激光疊焊接頭顯微組織及力學(xué)性能分析程東海1 ,黃繼華1 ,楊靜J張華1 ,郭和平2（1.北京科技大學(xué)，北京100083; 2.北京航空制造工程研究所，北京100024）摘 要：采用OM ,SEM分析了 TC4鈦合金激光疊焊接頭各部分顯微組織特征，研究了接頭力學(xué)性能.結(jié)果表明,TC4鈦合金激光疊焊接頭顯微組織由焊縫及熱影響區(qū)組成,焊縫為針狀馬氏體a '交織成的網(wǎng)籃狀組織.0. 8 mm厚T

2、C4鈦合金薄板激光疊焊最佳工 藝參數(shù)為功率1 8002 350 W,焊接速度為1. 52. 5 mUnin，此時(shí)拉伸試樣平均單位長 度焊縫承載力為458 Nnnm ,連接焊縫最大抗剪強(qiáng)度達(dá)732 MPa.拉伸過程焊縫截面軸線偏轉(zhuǎn)角9與接頭承載能力相關(guān),9角越大，接頭承載能力越強(qiáng).關(guān)鍵詞：鈦合金；激光疊焊；組織性能中圖分類號：TG405文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0253 - 360X（2009）03- 0085 - 041試驗(yàn)方法E1 1994-2&D9 China Acduzvik： Junimjl EIjlicItimix 九hlishitr tlkjusi!. All rishis

3、reserved.hlipTzww_E1 1994-2&D9 China Acduzvik： Junimjl EIjlicItimix 九hlishitr tlkjusi!. All rishis reserved.hlipTzww_Ti26Al24V具有比重輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性和高 溫抗蠕變性能好等特點(diǎn)，已成為航空航天工業(yè)和電力工業(yè)中最具魅力的材料.現(xiàn)階段可用于TC4鈦合 金的焊接方法有鎢極氬弧焊、等離子弧焊、激光焊、 真空電子束焊及擴(kuò)散焊.而激光焊接因具有能量密 度高和焊接速度快、焊縫成形好、焊件變形小、易實(shí) 現(xiàn)自動化、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為焊接鈦合 金的主要方法.在飛行器的

4、制造過程中，有些蒙皮 與桁架的連接采用疊焊接頭可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)、提高材料利用率、減少零件重量.還有一些結(jié)構(gòu)件的制 作需要將疊焊焊接與其它成形工藝組合，能減少成形工序，提高材料利用率、降低成本，如超塑n旱接成 形.目前超塑I擴(kuò)散焊成形組合工藝是研究的重點(diǎn)，但擴(kuò)散焊接使工件高溫停留時(shí)間長，晶粒長大嚴(yán)重， 影響零件的力學(xué)性能.而激光焊接接頭組織細(xì)小,性能優(yōu)良且不存在上述缺點(diǎn).因此激光焊接I超塑 成形組合工藝具有很大的應(yīng)用前景，對激光疊焊接頭組織與性能的研究具有重要意義 .關(guān)于TC4鈦合 金激光焊接焊縫組織性能的報(bào)道已有一些 1-3,但 是對TC4鈦合金激光疊焊接頭力學(xué)性能的研究還 未見報(bào)道.因此,文中

5、分析了 TC4激光疊焊接頭焊 縫各區(qū)域顯微組織、焊縫組織對接頭力學(xué)性能的影 響以及疊焊接頭拉伸過程中的受力變形過程.收稿日期:2008 - 01 - 21試驗(yàn)材料為0.8 mm厚的TC4鈦合金薄板，其化 學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）為Al 5. 506. 75,V 3. 50 4150 ,Fe <0. 5 ,C <0. 1 ,O <0. 20 ,N <0. 05，接頭形式 為疊焊接頭.焊前板材清理工序:5 %10% NaOH酒精堿溶液清洗除油，清水沖洗,5 %HF + 30 %HNQ水溶液酸洗去除表面氧化物，清水沖洗，烘干并保存 在干潔器皿中.試驗(yàn)使用CO2快軸激光器，功率范

6、圍為100 4 000 W ,模式為TEM01模，透鏡聚焦，焦距為 190. 5 mm,聚焦后的光斑直徑 <0.2 mm.試驗(yàn)工藝參 數(shù)為離焦量-0. 8 mm,激光功率為 1 4002 350 W. 焊接速度為1.53. 0 mimin.焊接過程氣體保護(hù)良 好，焊縫成銀白或淡黃色，經(jīng)X射線探傷儀檢測焊縫內(nèi)部沒有觀察到氣孔和裂紋.拉伸試驗(yàn)在 MTS810力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸如圖1所 示.金相試樣打磨拋光后用5 %HF + 10 %HNQ水溶液侵蝕，使用imagetool軟件測量晶粒尺寸及焊縫 寬度.拉伸過程中疊焊接頭受拉伸 、彎曲、剪切等多種 應(yīng)力作用，受力情況復(fù)雜且斷裂位置不

7、同，不能用常 規(guī)的強(qiáng)度來表征接頭的性能.因此，采用單位長度 接頭所能承受的載荷來表征疊焊接頭的承載能力.研究發(fā)現(xiàn)，疊焊接頭拉伸過程中焊縫截面軸線會發(fā) 生一定偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)角度9與連接焊縫寬度、連接焊 縫所受剪切力以及接頭承載能力相關(guān)，于是對焊縫E1 1994-2&D9 China Acduzvik： Junimjl EIjlicItimix 九hlishitr tlkjusi!. All rishis reserved.hlipTzww_86焊接學(xué)報(bào)第30卷截面軸線偏轉(zhuǎn)角0進(jìn)行了研究90疏始試樣圖1疊焊試樣拉伸變形示意圖（mm）FigllScheme of deforming sampl

8、es2試驗(yàn)結(jié)果及討論2. 1母材及疊焊接頭顯微組織TC4鈦合金母材組織為等軸a + B相，B相分布在a晶粒邊界處，晶粒尺寸在5 um左右，如圖2a所 示.疊焊接頭顯微組織由焊縫和熱影響區(qū)兩部分組 成.焊縫中是粗大的原始 B柱狀晶粒.熔池凝固過 程中，原始B晶粒在熔合區(qū)以半熔化金屬為基底形 核,并沿?zé)崃鱾鬟f相反方向長大，最終形成取向各異的粗大柱狀晶粒，圖2b所示為接頭截面組織，三維 晶粒的不同取向使二維截面組織中的晶粒呈各種不 同形態(tài).合金元素在3相區(qū)溫度范圍內(nèi)的擴(kuò)散速率 是在a相區(qū)擴(kuò)散速率的100倍左右，柱晶區(qū)焊縫高 溫停留時(shí)間長，原始3晶粒粗大，晶粒尺寸在0.3 0.8 mm,是母材晶粒尺寸

9、的4060倍.焊縫快速冷卻過程中，原始3晶粒內(nèi)部發(fā)生馬 氏體相變，馬氏體a'是合金元素在a相中的過飽和 固溶體.針狀a'馬氏體相在原始3柱狀晶內(nèi)部形核 長大,先形成一根或若干根互相平行的一次a',并在長距離內(nèi)擴(kuò)展貫穿整個(gè)晶粒，遇晶界停止.接著形成一系列相對細(xì)小的二次針狀a',遇晶界或一次馬氏體而停止，導(dǎo)致焊縫形成了典型的網(wǎng)籃狀組 織4.其塑性、蠕變抗力及高溫持久強(qiáng)度等綜合性 能都較好.馬氏體對焊縫產(chǎn)生界面強(qiáng)化，使焊縫強(qiáng)硬度升高，塑韌性略有降低.焊縫熱影響區(qū)（HAZ）組織為a + 3 + a'相，上板 熱影響區(qū)寬0.6 mm左右，下板熱影響區(qū)略窄 ，寬約

10、0.55 mm.熱影響區(qū)針狀組織沒有焊縫區(qū)域多 ，且分布不均勻.靠近熔合線部分較之遠(yuǎn)離熔合線的區(qū)域 晶粒更為粗大，針狀馬氏體數(shù)量多且更密集（圖2c,d）.針狀馬氏體的生成增加了熱影響區(qū)的強(qiáng)硬度，但粗大原始3晶粒同時(shí)增加了熱影響區(qū)脆性.（M）心材（B）fth:）說近邯材（d）能近熔合區(qū)的HAE圖2疊焊接頭各區(qū)域顯微組織Fig12 Micro structure of weld joints2. 2TC4鈦合金激光疊焊接頭拉伸力學(xué)性能TC4鈦合金激光疊焊接頭拉伸性能試驗(yàn)采用單© 1994-2009 ChinaJonmiLsI Eltelri-mit: PuhlisiiLtigAll ri

11、豈tw reiDOil.ww.tnki.nel第3期程東海，等：激光疊焊接頭顯微組織及力學(xué)性能分析87位長度接頭所能承受的最大載荷表征疊焊接頭的承 載能力，如式(1)所示試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.J=*(1)式中:J為單位長度接頭所承受的載荷；F為試樣所受的載荷；1為試樣中接頭的長度當(dāng)焊接速度高，中間連接焊縫寬度較窄時(shí)，試樣 在連接焊縫處斷裂當(dāng)焊接速度低，中間連接焊縫 寬度較寬時(shí)，連接層的承載能力足夠大，試樣斷裂在 熱影響區(qū).0.8mmTC4鈦合金板激光疊焊試樣承載 能力均較高，最佳工藝參數(shù)為：功率1 8002 350 W.速度1.52.5 mltnin，平均單位長度焊縫 承載力為458 Nltnm

12、，中間焊縫最大剪切應(yīng)力為732 MPa.第3期程東海，等：激光疊焊接頭顯微組織及力學(xué)性能分析#第3期程東海，等：激光疊焊接頭顯微組織及力學(xué)性能分析#表1 TC4鈦合金激光疊焊接拉伸性能Table 1 Mechanical propertie s of TC4 la ser lap joints編號焊接功率PIW焊接速率eT-y 帀 *0 P.1*vn(m?mi n -1)連接焊縫寬度bHnm偏轉(zhuǎn)角ert °連接焊縫抗剪強(qiáng)度RrlMPa單位長度焊縫承載能力Jgm-1)斷裂位置11 4001.50. 76. 5> 579408HAZ21 4002.00. 74> 608428

13、HAZ31 4002.50.682607413連接焊縫41 6001.50. 766. 5> 515394HAZ51 6002.00.646688442連接焊縫61 8001.50. 919> 512471HAZ71 8002.00. 758> 589446HAZ81 8002.50.658. 5> 652429HAZ91 8003.00. 64. 5722435連接焊縫102 0001.51.0510> 471502HAZ112 0002.00. 727> 570414HAZ122 0002.50. 7210> 655479HAZ132 0003.0

14、0.6616> 609418HAZ142 3501.51.359> 332453HAZ152 3502.01.036. 5> 475492HAZ162 3502.50.654. 5732398連接焊縫172 3503.00. 582599426連接焊縫第3期程東海，等：激光疊焊接頭顯微組織及力學(xué)性能分析#第3期程東海，等：激光疊焊接頭顯微組織及力學(xué)性能分析88試樣拉伸過程中，焊縫兩側(cè)所受拉力不同軸時(shí) (圖1),接頭截面軸線會發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度與焊縫寬度及所受拉力大小有關(guān) .圖3a所示為連 接焊縫寬度與焊縫軸線偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系 ，隨連接 焊縫寬度增加偏轉(zhuǎn)角增加，到10。后

15、持平.圖3b所示為焊縫軸線偏轉(zhuǎn)角與連接焊縫抗剪強(qiáng)度之間的關(guān) 系，連接焊縫所受的抗剪強(qiáng)度隨偏轉(zhuǎn)角的變化呈現(xiàn) 規(guī)律變化，當(dāng)焊縫軸線偏轉(zhuǎn)角小于 6時(shí)，連接焊縫剪 切應(yīng)力平均值約為 667 MPa ,試樣在連接焊縫斷裂. 這是因?yàn)樵嚇釉谑芾ψ饔脮r(shí)，接頭連接焊縫承受剪切應(yīng)力作用，當(dāng)焊接熱輸入較低時(shí)，連接焊縫較窄，不足以承受剪切力，試樣斷裂發(fā)生在連接焊縫，焊縫截面軸線會發(fā)生較小的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角小于 6.當(dāng)焊縫偏轉(zhuǎn)角大于 6。時(shí)，連接焊縫剪切應(yīng)力平均值 隨角度的增加而減小，試樣均在熱影響區(qū)斷裂.這是因?yàn)楫?dāng)連接層較寬而承載能力足夠時(shí)，焊縫扭轉(zhuǎn)在熱影響區(qū)產(chǎn)生很大的彎曲正應(yīng)力，而且連接焊縫邊緣是直角邊，會產(chǎn)生應(yīng)力

16、集中，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角大于 6° 時(shí)，熱影響區(qū)會發(fā)生屈服，接頭發(fā)生迅速變形，然后 斷裂.由以上分析可知，拉伸過程焊縫截面軸線偏 轉(zhuǎn)角9 一定程度上反映了接頭承載能力大小，隨著連接焊縫寬度增加 9角增大，同時(shí)接頭承載能力上 升.當(dāng)9角大于6時(shí)，接頭在熱影響區(qū)破壞連接焊縫所受剪切力不足以反映連接層的剪切強(qiáng)度，這也是文中采用單位長度接頭承受載荷來表征疊焊接頭 承受能力的原因之一.采用SEM觀察了接頭不同斷裂位置斷口形貌，如圖4a,b所示，可看出在連接層及熱影響區(qū)處的斷 口均呈現(xiàn)細(xì)小的韌窩花樣，表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂 特征.焊縫斷韌窩花樣呈拋物線形且向中心拱起，第3期程東海，等：激光疊焊接頭顯微組織及

17、力學(xué)性能分析#第3期程東海，等：激光疊焊接頭顯微組織及力學(xué)性能分析#© J 994-2009 China Ataduznic Journii FJxiclriMix PuhlisiiLng -ouse- All rightsw ki .ntt89焊接學(xué)報(bào)第30卷0.60.8 L0 1.2J.4中度 «/mm間申同層寬度與偏轉(zhuǎn)肅的提療館轉(zhuǎn)角#/()(b)申阿層杭抑強(qiáng)度與個(gè)轉(zhuǎn)角的蘢系課轉(zhuǎn)肅已心)仗)單位良廈接久騎筈載荷與偏轉(zhuǎn)肅圖3焊縫軸線偏轉(zhuǎn)角與疊焊焊縫性能的關(guān)系Figi3 Relationship between 0 and mechanical propertie s

18、69;Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接學(xué)報(bào)第30卷©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接學(xué)報(bào)第30卷II HAZW 口圖4疊焊接頭拉伸斷口形貌Fig14 Tension fracture appearance of lap joints顯示出斷裂是從焊縫邊緣起裂并逐步往焊縫內(nèi)部擴(kuò) 展3結(jié) 論響區(qū)也存在微量的細(xì)小馬氏體，且呈梯

19、度分布.(2) 0.8 mm厚TC4鈦合金薄板激光疊焊最佳工藝參數(shù)功率為1 800- 2. 350 W,速度為1.5215mimin ,此時(shí)拉伸試樣在熱影響區(qū)破壞，平均單位長度焊縫承載力為458 Nnmm，連接焊縫最大抗剪強(qiáng)度 達(dá) 732 MPa.(3) 拉伸過程焊縫截面軸線偏轉(zhuǎn)角0反映了接頭承載能力大小，隨著連接焊縫寬度增加，0角增大，接頭承載能力上升.同時(shí)0角與試樣破壞位置 相關(guān)，當(dāng)0小于6° ,試樣在連接焊縫破壞.當(dāng)0大于 6°，試樣在熱影響區(qū)破壞，斷口呈塑性斷裂特征.參考文獻(xiàn)：1 Winco K C, Yung B R, Lee W B. An investigat

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22、, 1997, 65: 203 - 208.©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接學(xué)報(bào)第30卷©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接學(xué)報(bào)第30卷(1)疊焊接頭顯微組織由焊縫及熱影響區(qū)組 成，焊縫組織為粗大的原始3柱狀晶粒，晶粒尺寸為0. 30. 8 mm,晶粒內(nèi)部為針狀馬氏體組織.熱影作者簡介:程東海，男,1984年出

23、生,博士研究生.主要從事鈦合 金激光焊接方面研究.發(fā)表論文5篇.Email: chengdonghaicd. cn©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接學(xué)報(bào)第30卷©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet2O00I30N3TRANONSFTHENAWHNGNSUONVsensorGCYfeng ZHNGuaXAQiaMac33

24、0031ti onslthpwleWreq ueweydngoatyhwidtif thecalguterougOtismcEthedstainandhee FObResekllrdtlNanclUngmNlan sultihoWatheieatoWeldVegotoofrequeicChinaNa 門131如睜|13由恥33000 fro019tO30thwiddhihecalyUisfromc3mm nap8-184whimteajnsWelcpi4grmance.WeldinghtitUdentificsttioiecesKey words: dol2|lmsml(WeIc|iIlg2f

25、hequenc£cy)ndttilOialazmtorwEaiicSinarackingprove lo2WequmweycVegcWyC01hmcalgureweIdq1ua|WyhiiIhcIuChelmte(0fWellcbng|CmviatioanchclinaFirEtmathenrmCelfiaN£ngSl Numerical simulation on temperature field of electron beambu ,ia nthelileharadanlBethspCeserBaSmdwelding of AZ 61 magnesium alloyLUO, LUJinhYE thtrmtemelilfaDmsaioqubyoltati