Mikrostruktura a vlastnosti laserem-MIG hybridních svařovaných spojů z titanové slitiny TC4

0 Předmluva

Titanová slitina TC4 je typická dvoufázová titanová slitina typu α+β vyznačující se nízkou hustotou, vysokou měrnou pevností a vynikající odolností proti korozi. Díky svému vynikajícímu celkovému výkonu je široce používán v různých oblastech, jako je letecký průmysl, námořní inženýrství, ropný chemický průmysl a zbrojní vybavení. Bod tání titanové slitiny je vysoký, tepelná vodivost je nízká, modul pružnosti je nízký a aktivita při vysokých teplotách je silný. Zpracování svařování může snadno vést ke snížení plasticity spoje, křehnutí spoje atd., což vážně ovlivňuje provozní výkonnost spoje ze slitiny titanu.

V současné době se při svařování titanové slitiny používají především metody, jako je svařování wolframem v inertním plynu, obloukové svařování plynovým wolframem, svařování elektronovým paprskem a laserové svařování.Wolframové svařování inertním plynem a svařování plynovým wolframovým obloukem se snadno obsluhují, jsou levné a flexibilní. Mají však nízkou hustotu zdroje tepla a pomalou rychlost svařování, což vede k problémům, jako je velký tepelný příkon, silná deformace a nízká účinnost svařování. Přestože svařování elektronovým paprskem může zabránit problému křehnutí spoje tím, že se provádí ve vakuovém prostředí, poskytující vyšší kvalitu svarových spojů, je jeho rozšířené použití ztíženo omezeními velikosti svařovacích komponentů. Laserové svařování má koncentrovanou energii a úzkou tepelně ovlivněnou zónu a není omezeno velikostí komponentů. Svarový šev má však špatnou toleranci k mezeře a tvaru drážky, což má za následek vysoké požadavky na přesnost přípravku a přípravku.

Tento článek proto systematicky studuje mikrostrukturu, distribuci tvrdosti, tahové vlastnosti a elektrochemické korozní vlastnosti 3 mm tlustého laserového a MIG hybridního svarového spoje titanové slitiny TC4. Poskytuje reference a lekce pro aplikaci technologie laser-MIG hybridního svařování při výrobě svařování slitin titanu.

1 Zkušební materiály a metody

1.1 Zkušební materiály

V experimentu byly použity desky z titanové slitiny TC4 o tloušťce 4 mm, zpracované v drážce ve tvaru I, bez ponechání mezery ve svarovém švu. Použitým přídavným materiálem byl 1.2 mm svařovací drát z titanové slitiny TC4. Chemické složení experimentálního základního materiálu a výplňového materiálu je uvedeno v tabulce 1. Před svařováníbyl oxidový film na povrchu materiálu z titanové slitiny odstraněn mechanickým broušením a poté byly olejové skvrny na povrchu titanové slitiny odstraněny otřením acetonem.

Tabulka 1 Chemické složení základního materiálu a výplňového drátu（wt.%)

1.2 Metoda svařování

K experimentu byl použit diskový laser TRUMPF TruDisk 16003 s vlnovou délkou 1.06 μm; napájecí zdroj pro obloukové svařování používal FRONIUS TPS 5000 svářečka.Svařovací proces používal metodu spojení zdroje tepla s laserem vpředu a obloukem vzadu. Úhel mezi laserem a testovací deskou byl 85° a úhel mezi laserem svařovací pistole a testovací deska byla 60°. Vzdálenost mezi zdroji tepla byla 3 mm. Aby se zabránilo oxidaci povrchu svaru, je zadní i přední strana svaru chráněna vysoce čistým argonem. Průtok ochranného plynu na přední straně svaru je 50 l/min a na zadní straně svaru je 20 l/min. Schéma zařízení pro laserové obloukové svařování a ochranný plyn je uvedeno Obrázek 1. Parametry optimalizovaného procesu svařování jsou uvedeny v tabulce 2.

a)Svařovací zařízení a metody

(b) Zařízení na ochranný plyn

Obr. 1 Zařízení s ochranným plynem a schéma hybridního svařování laser-MIG

Tabulka 2 Optimalizované parametry hybridního svařování laser-MIG

1.3 Zkušební metody

Pomocí trojrozměrného videomikroskopu KEYENCE VHX-1000E pozorujte makroskopickou morfologii a mikroskopickou strukturu svarového spoje; Distribuce tvrdosti svarového spoje je měřena mikrotvrdoměrem FM-700 se zatěžovacím zatížením 200 gf a doba držení 15 sekund. Tahové vlastnosti svarového spoje byly testovány na elektronickém univerzálním zkušebním stroji WDW-300E a rychlost zatěžování v tahu byla 2 mm/min. Na elektrochemickém pracovišti jsou polarizační křivky základního materiálu a svarových spojů testovány kalomelem. elektroda a platinová elektroda jako referenční elektroda a pomocná elektroda;Pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu ZEISS SUPRA55 pozorujte mikroskopickou morfologii lomu tahového vzorku. Metalografická a řezná poloha tahového vzorku a velikost tahového vzorku jsou znázorněny na obrázku 2.

a)Polohy odběru metalografických a tahových vzorků

(b) Rozměry vzorku v tahu

Obr. 2 Schematické diagramy poloh vzorkování a velikosti tahového vzorku

2 Výsledky a analýza testu

2.1 Makromorfologie a mikrostruktura svarových spojů

Vlastnosti makroskopické morfologie a mikroskopické struktury hybridního svarového spoje z titanové slitiny TC4 s laserem-MIG jsou znázorněny na obrázku 3. Výsledky testu ukazují, že přední a zadní strana svaru tvoří dobrou kvalitu, bez zjevných vad svařování. Povrch svaru se zdá být stříbrnobílý, jak je znázorněno na obrázku 3a a 3b; Průřez svaru nemá zjevné vady, jako jsou póry, nestavení a podříznutí, jak je znázorněno na obrázku 3c. mikroskopická struktura základního materiálu titanové slitiny TC4 je rovnoosá fáze α + fáze β; fáze β je rovnoměrně rozložena kolem hranic zrn fáze α, jak je znázorněno na obrázku 3d. Mikrostruktura ve středu svaru se skládá hlavně z velkých sloupcových krystalů fáze β. Hranice zrn sloupcových krystalů jsou neporušené a jasné a vnitřek hranic zrn obsahuje propletený košovitý jemný α' martenzit, jak je znázorněno na obrázku 3e.

(a) Vytvoření přední strany svaru; (b) vytvoření zadní strany svaru; (c) vytvoření průřezu svaru; (d) struktura základního kovu;
(e) Struktura středu svaru; (f) Struktura hrubozrnné oblasti tepelně ovlivněné zóny; (g) Mikrostruktura jemnozrnné zóny v tepelně ovlivněné oblasti

3 Vzhledy svarů a charakteristiky mikrostruktury hybridního svarového spoje laser-MIG z titanové slitiny TC4 Obr.

Je to především proto, že během procesu svařování, kdy se svarový kov zahřeje nad teplotu bodu fázového přechodu, rychle ochlazuje. Legující prvky nemají čas difundovat, což způsobí, že se vysokoteplotní β fáze přemění na α fázi bez dostatečného času pro difúzi, což vede k nedifuzní přeměně, tj. smykem generovanému α' martenzitu.Tepelně ovlivněná zóna zahrnuje dvě oblasti: hrubozrnnou oblast a jemnozrnnou oblast. Hrubozrnná oblast je blízko fúzní čáry, zatímco jemnozrnná oblast je blízko základního materiálu. Mikrostruktura tepelně ovlivněné zóny se skládá hlavně z rovnoosé fáze α + β fáze + α' martenzitu. Distribuce těchto fází není stejnoměrná, s většími zrny v hrubozrnné zóně poblíž fúzní linie. Jehlovitý α' martenzit je relativně více a hustší, zatímco zrna v jemnozrnné zóně poblíž základního materiálu jsou menší a jehlovitý α' martenzit je relativně menší, jak je znázorněno na obrázku 3f a obrázku 3g, je to hlavně proto, že tepelně ovlivněná zóna daleko od fúzní linie je méně ovlivněna zdrojem tepla, má relativně pomalejší chlazení rychlost a méně β fázových přeměn na martenzit. Navíc je zde relativně kratší doba setrvání při vysokých teplotách, což snižuje jak sklon, tak kinetiku růstu zrn.

2.2 Rozdělení tvrdosti

Distribuce mikrotvrdosti laserového a MIG kompozitního svarového spoje titanové slitiny TC4 je znázorněna na obrázku 4. Výsledky testu ukazují, že hodnota tvrdosti v zóně svaru je nejvyšší, následovaná zónou ovlivněnou teplem, přičemž zóna základního materiálu má nejnižší hodnota tvrdosti. Bylo také zjištěno, že tvrdost hrubozrnné zóny v tepelně ovlivněné zóně je vyšší než tvrdost jemnozrnné zóny. Je to proto, že v zóně svaru dochází k martenzitické fázové transformaci, což má za následek velké množství martenzitických struktur. Četné dislokace v martenzitu hrají posilující roli. Mezitím dochází k částečné martenzitické transformaci v tepelně ovlivněné zóně a množství martenzitu blíže ke straně fúzní linie je větší než na straně základního materiálu.

Obr. 4 Distribuce mikrotvrdosti laserem-MIG hybridního svařovaného spoje z titanové slitiny TC4

2.3 Tahové vlastnosti

Výsledky tahové zkoušky kompozitního svarového spoje z titanové slitiny TC4 a MIG jsou uvedeny v tabulce 3. Výsledky ukazují, že průměrná pevnost v tahu hybridního svarového spoje z titanové slitiny TC4 s laserem-MIG je 1069 MPa, průměrné prodloužení po přetržení je 5.3 % a všechny vzorky se zlomily v oblasti základního materiálu v blízkosti tepelně ovlivněné zóny. Pevnost v tahu svarového spoje je ve srovnání se základním materiálem vyšší než u základního materiálu, ale jeho prodloužení po přetržení je výrazně nižší než u základního materiálu. základní materiál. Mikroskopická charakteristika lomu tahového vzorku je znázorněna na obrázku 5. Tahový vzorek se zlomil v místě základního materiálu, což souvisí s nejnižší hodnotou tvrdosti v této oblasti. Dráha lomu je přibližně 45° ke směru tahu. Morfologie lomu se skládá převážně z důlků, ale velikost a hloubka důlků je relativně malá, což naznačuje, že zlomenina vykazuje převážně plastické lomové charakteristiky.