Mikrostruktur und Eigenschaften von laser-MIG-hybridgeschweißten TC4-Titanlegierungsverbindungen Deutschland

0 Vorwort

Die TC4-Titanlegierung ist eine typische zweiphasige Titanlegierung vom Typ α+β mit geringer Dichte, hoher spezifischer Festigkeit und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund seiner überlegenen Gesamtleistung wird es häufig in verschiedenen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Schiffstechnik, Erdölchemie und Waffenausrüstung eingesetzt. Der Schmelzpunkt der Titanlegierung ist hoch, die Wärmeleitfähigkeit niedrig, der Elastizitätsmodul niedrig und die Aktivität bei hohen Temperaturen ist stark. Die Schweißbearbeitung kann leicht zu einer Verringerung der Gelenkplastizität, zur Versprödung der Verbindung usw. führen, was die Betriebsleistung der Titanlegierungsverbindung erheblich beeinträchtigt.

Gegenwärtig werden beim Schweißen von Titanlegierungen hauptsächlich Methoden wie Wolfram-Inertgasschweißen, Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen, Elektronenstrahlschweißen usw. verwendet Laserschweißen.Wolfram-Inertgasschweißen und Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen sind einfach zu bedienen, kostengünstig und flexibel. Allerdings weisen sie eine geringe Wärmequellendichte und eine langsame Schweißgeschwindigkeit auf, was zu Problemen wie großem Wärmeeintrag, starker Verformung und geringer Schweißeffizienz führt. Obwohl das Elektronenstrahlschweißen das Problem der Verbindungsversprödung vermeiden kann, indem es in einer Vakuumumgebung durchgeführt wird, Da es eine höhere Qualität der Schweißverbindungen bietet, wird seine weitverbreitete Anwendung durch die Beschränkungen hinsichtlich der Größe der Schweißkomponenten erschwert. Das Laserschweißen hat eine konzentrierte Energie und eine schmale Wärmeeinflusszone und ist nicht durch die Größe der Komponenten begrenzt. Allerdings weist die Schweißnaht eine geringe Toleranz gegenüber dem Spalt und der Form der Nut auf, was zu hohen Präzisionsanforderungen an die Vorrichtung und Vorrichtung führt.

Daher untersucht dieser Artikel systematisch die Mikrostruktur, die Härteverteilung, die Zugeigenschaften und die elektrochemischen Korrosionseigenschaften der 3 mm dicken laser-MIG-Hybridschweißverbindung aus TC4-Titanlegierung. Es bietet Referenzen und Lehren für die Anwendung der Laser-MIG-Hybridschweißtechnologie in der Schweißherstellung von Titanlegierungen.

1 Testmaterialien und -methoden

1.1 Testmaterialien

Für das Experiment wurden 4 mm dicke TC4-Titanlegierungsplatten verwendet, die in einer I-förmigen Nut verarbeitet wurden, ohne dass eine Lücke in der Schweißnaht blieb. Als Zusatzmaterial wurde 1.2 mm TC4-Titanlegierungsschweißdraht verwendet. Die chemische Zusammensetzung des experimentellen Basismaterials und des Füllmaterials ist in Tabelle 1 dargestellt SchweißenDer Oxidfilm auf der Oberfläche des Titanlegierungsmaterials wurde durch mechanisches Schleifen entfernt und anschließend wurden die Ölflecken auf der Oberfläche der Titanlegierung durch Abwischen mit Aceton entfernt.

Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung von Grundmaterial und Zusatzdraht（wt.%）

1.2 Schweißverfahren

Für das Experiment wurde ein TRUMPF TruDisk 16003 Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1.06 μm verwendet; Als Lichtbogenschweißstromversorgung kam ein FRONIUS TPS 5000 zum Einsatz Schweißgerät.Der Schweißprozess nutzte eine Wärmequellenkopplungsmethode mit dem Laser vorne und dem Lichtbogen hinten. Der Winkel zwischen Laser und Prüfplatte betrug 85° und der Winkel zwischen Schweißpistole und die Testplatte war 60°. Der Abstand zwischen den Wärmequellen betrug 3 mm. Um eine Oxidation der Schweißoberfläche zu verhindern, werden sowohl die Rückseite als auch die Vorderseite der Schweißnaht mit hochreinem Argongas geschützt. Die Durchflussrate des Schutzgases auf der Vorderseite der Schweißnaht beträgt 50 l/min und auf der Rückseite der Schweißnaht 20 l/min. Das Schema des Laser-Lichtbogen-Verbundschweißens und der Schutzgasvorrichtung ist in dargestellt Abbildung 1. Die optimierten Schweißprozessparameter sind in Tabelle 2 dargestellt.

(a) Schweißgeräte und -methoden

(b)Schutzgasgerät

Abb. 1 Schutzgasgerät und schematische Darstellung des Laser-MIG-Hybridschweißens

Tabelle 2 Optimierte Laser-MIG-Hybrid-Schweißparameter

1.3 Testmethoden

Verwendung des dreidimensionalen Videomikroskops KEYENCE VHX-1000E zur Beobachtung der makroskopischen Morphologie und mikroskopischen Struktur der Schweißverbindung. Die Härteverteilung der Schweißverbindung wird mit dem Mikrohärteprüfgerät FM-700 bei einer Belastung von 200 gf gemessen Haltezeit von 15 Sekunden. Die Zugeigenschaften der Schweißverbindung wurden mit der elektronischen Universalprüfmaschine WDW-300E geprüft, die Zugbelastungsgeschwindigkeit betrug 2 mm/min. Mithilfe einer elektrochemischen Arbeitsstation werden die Polarisationskurven des Grundmaterials und der Schweißverbindungen mit einem Kalomel geprüft Elektrode und einer Platinelektrode als Referenzelektrode und Hilfselektrode; Beobachten Sie mit dem Rasterelektronenmikroskop ZEISS SUPRA55 die mikroskopische Morphologie des Bruchs der Zugprobe. Die metallografische und Schnittposition der Zugprobe sowie die Größe der Zugprobe sind in Abbildung 2 dargestellt.

(a)Probenahmepositionen von metallografischen und Zugproben

(b)Zugprobenabmessungen

Abb. 2 Schematische Darstellungen der Probenahmepositionen und der Zugprobengröße

2 Testergebnisse und Analyse

2.1 Makromorphologie und Mikrostruktur von Schweißverbindungen

Die makroskopische Morphologie und die mikroskopischen Strukturmerkmale der Laser-MIG-Hybridschweißverbindung aus TC4-Titanlegierung sind in Abbildung 3 dargestellt. Die Testergebnisse zeigen, dass die Vorder- und Rückseite der Schweißnaht eine gute Qualität ohne offensichtliche Schweißfehler aufweisen. Die Oberfläche der Schweißnaht scheint silberweiß zu sein, wie in Abbildung 3a und 3b dargestellt. Der Querschnitt der Schweißnaht weist keine offensichtlichen Mängel wie Poren, Nichtverschmelzung und Hinterschnitt auf, wie in Abbildung 3c dargestellt Die mikroskopische Struktur des Grundmaterials der TC4-Titanlegierung ist eine gleichachsige α-Phase + β-Phase; Die β-Phase ist gleichmäßig um die Korngrenzen der α-Phase verteilt, wie in Abbildung 3d dargestellt. Die Mikrostruktur in der Mitte der Schweißnaht besteht hauptsächlich aus großen säulenförmigen Kristallen der β-Phase. Die Korngrenzen der säulenförmigen Kristalle sind intakt und klar, und das Innere der Korngrenzen enthält verflochtene, korbartige feine α'-Martensite, wie in Abbildung 3e dargestellt.

(a) Bildung der Vorderseite der Schweißnaht; (b) Bildung der Rückseite der Schweißnaht; (c) Bildung des Querschnitts der Schweißnaht; (d) Struktur des Grundmetalls;
(e) Struktur der Schweißnahtmitte; (f) Struktur des grobkörnigen Bereichs der Wärmeeinflusszone; (g) Mikrostruktur der feinkörnigen Zone in der Wärmeeinflusszone

Abb. 3 Schweißbild und Mikrostruktureigenschaften einer Laser-MIG-Hybridschweißverbindung aus TC4-Titanlegierung

Dies liegt vor allem daran, dass das Schweißgut während des Schweißvorgangs, wenn es über die Phasenübergangspunkttemperatur erhitzt wird, schnell abkühlt. Die Legierungselemente haben keine Zeit zum Diffundieren, was dazu führt, dass sich die Hochtemperatur-β-Phase in die α-Phase umwandelt, ohne dass genügend Zeit für die Diffusion vorhanden ist, und somit zur nicht-diffusiven Umwandlung führt, d. h. zum durch Scherung erzeugten α'-Martensit.Die Wärmeeinflusszone umfasst zwei Bereiche: den grobkörnigen Bereich und den feinkörnigen Bereich. Der grobkörnige Bereich befindet sich in der Nähe der Schmelzlinie, während der feinkörnige Bereich in der Nähe des Grundmaterials liegt. Die Mikrostruktur der Wärmeeinflusszone besteht hauptsächlich aus gleichachsiger α-Phase + β-Phase + α'-Martensit. Die Verteilung dieser Phasen ist nicht gleichmäßig, mit größeren Körnern in der grobkörnigen Zone in der Nähe der Schmelzlinie. Der nadelartige α'-Martensit ist relativ größer und dichter, während die Körner in der feinkörnigen Zone in der Nähe des Grundmaterials vorhanden sind kleiner und der nadelartige α'-Martensit ist relativ gering, wie in Abbildung 3f und Abbildung 3g dargestellt. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Wärmeeinflusszone weit entfernt von der Schmelzlinie weniger von der Wärmequelle beeinflusst wird und eine relativ langsamere Abkühlung aufweist Geschwindigkeit und weniger β-Phasenumwandlungen in Martensit. Darüber hinaus ist die Verweilzeit bei hohen Temperaturen relativ kürzer, was sowohl die Neigung als auch die Kinetik des Kornwachstums verringert.

2.2 Härteverteilung

Die Mikrohärteverteilung der Laser-MIG-Verbundschweißverbindung aus TC4-Titanlegierung ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Testergebnisse zeigen, dass der Härtewert in der Schweißzone am höchsten ist, gefolgt von der Wärmeeinflusszone, wobei die Grundmaterialzone dies aufweist der niedrigste Härtewert. Es wurde außerdem festgestellt, dass die Härte der Grobkornzone in der Wärmeeinflusszone höher ist als die der Feinkornzone. Dies liegt daran, dass in der Schweißzone eine martensitische Phasenumwandlung stattfindet, die zu einer großen Menge martensitischer Strukturen führt. Dabei spielen die zahlreichen Versetzungen innerhalb des Martensits eine verstärkende Rolle. Unterdessen findet in der Wärmeeinflusszone eine teilweise martensitische Umwandlung statt, und die Menge an Martensit näher an der Seite der Schmelzlinie ist größer als die auf der Seite des Grundmaterials.

Abb. 4 Mikrohärteverteilung einer laser-MIG-hybridgeschweißten TC4-Titanlegierungsverbindung

2.3 Zugeigenschaften

Die Zugtestergebnisse der Laser-MIG-Verbundschweißverbindung aus TC4-Titanlegierung sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Zugfestigkeit der Laser-MIG-Hybridschweißverbindung aus TC4-Titanlegierung 1069 MPa beträgt, die durchschnittliche Bruchdehnung beträgt 5.3 %, und alle Proben brachen im Bereich des Grundmaterials in der Nähe der Wärmeeinflusszone. Im Vergleich zum Grundmaterial ist die Zugfestigkeit der Schweißverbindung höher als die des Grundmaterials, ihre Bruchdehnung ist jedoch deutlich geringer als die des Grundmaterials Basismaterial. Die mikroskopische Charakteristik des Bruchs der Zugprobe ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Zugprobe brach an der Stelle des Grundmaterials, was mit dem niedrigsten Härtewert in diesem Bereich zusammenhängt. Der Bruchweg liegt etwa 45° zur Spannungsrichtung. Die Bruchmorphologie besteht hauptsächlich aus Grübchen, aber die Größe und Tiefe der Grübchen sind relativ gering, was darauf hindeutet, dass der Bruch hauptsächlich plastische Brucheigenschaften aufweist.