Microestructura y propiedades de juntas de aleación de titanio TC4 soldadas híbridas con láser-MIG

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La aleación de titanio TC4 es una típica aleación de titanio de fase dual de tipo α+β que presenta baja densidad, alta resistencia específica y excelente resistencia a la corrosión. Su rendimiento general superior lo hace ampliamente utilizado en diversos campos, como el aeroespacial, la ingeniería marina, la industria química del petróleo y los equipos de armas. El punto de fusión de la aleación de titanio es alto, la conductividad térmica es baja, el módulo elástico es bajo y la actividad a alta temperatura. es fuerte. El procesamiento de soldadura puede conducir fácilmente a una disminución de la plasticidad de la junta, fragilización de la junta, etc., afectando gravemente el rendimiento de servicio de la junta de aleación de titanio.

En la actualidad, la soldadura de aleaciones de titanio utiliza principalmente métodos como la soldadura con gas inerte de tungsteno, la soldadura por arco de tungsteno con gas, la soldadura por haz de electrones y soldadura por láserLa soldadura con gas inerte de tungsteno y la soldadura por arco de tungsteno con gas son fáciles de operar, de bajo costo y flexibles. Sin embargo, tienen una baja densidad de fuente de calor y una velocidad de soldadura lenta, lo que genera problemas como un gran aporte de calor, deformación severa y baja eficiencia de soldadura. Aunque la soldadura por haz de electrones puede evitar el problema de la fragilización de las juntas al realizarse en un ambiente de vacío, Al proporcionar una mayor calidad de las uniones soldadas, su aplicación generalizada se ve obstaculizada debido a las limitaciones en el tamaño de los componentes de soldadura. La soldadura por láser tiene energía concentrada y una zona estrecha afectada por el calor, y no está limitada por el tamaño de los componentes. Sin embargo, la costura de soldadura tiene poca tolerancia al espacio y la forma de la ranura, lo que resulta en requisitos de alta precisión para la plantilla y el accesorio.

Por lo tanto, este artículo estudia sistemáticamente la microestructura, la distribución de la dureza, las propiedades de tracción y las propiedades de corrosión electroquímica de la unión soldada híbrida láser-MIG de aleación de titanio TC3 de 4 mm de espesor. Proporciona referencias y lecciones para la aplicación de la tecnología de soldadura híbrida láser-MIG en la fabricación de soldadura de aleaciones de titanio.

1 Materiales y métodos de prueba.

1.1 Materiales de prueba

El experimento utilizó placas de aleación de titanio TC4 de 4 mm de espesor, procesadas en una ranura en forma de I, sin dejar espacios en la costura de soldadura. El material de relleno utilizado fue alambre de soldadura de aleación de titanio TC1.2 de 4 mm. La composición química del material base experimental y del material de relleno se muestra en la Tabla 1.Antes soldadura, la película de óxido en la superficie del material de aleación de titanio se eliminó mediante esmerilado mecánico y luego las manchas de aceite en la superficie de la aleación de titanio se eliminaron frotando con acetona.

Tabla 1 Composición química del material base y alambre de relleno（wt.%）

1.2 Método de soldadura

El experimento utilizó un láser de disco TRUMPF TruDisk 16003, con una longitud de onda de 1.06 μm; La fuente de alimentación para soldadura por arco utilizó un FRONIUS TPS 5000. maquina de soldarEl proceso de soldadura utilizó un método de acoplamiento de fuente de calor con el láser en el frente y el arco en la parte posterior. El ángulo entre el láser y la placa de prueba fue de 85°, y el ángulo entre el pistola de soldar y la placa de prueba tenía 60°. La distancia entre las fuentes de calor fue de 3 mm. Para evitar la oxidación de la superficie de soldadura, tanto la parte posterior como la frontal de la soldadura están protegidas con gas argón de alta pureza. El caudal del gas protector en la parte frontal de la soldadura es de 50 L/min y en la parte posterior de la soldadura es de 20 L/min. El esquema del dispositivo compuesto de soldadura por arco láser y gas protector se muestra en Figura 1. Los parámetros optimizados del proceso de soldadura se muestran en la Tabla 2.

(a) Dispositivos y métodos de soldadura.

(b) Dispositivo de gas protector

Fig. 1 Dispositivo de gas protector y diagrama esquemático de soldadura híbrida láser-MIG

Tabla 2 Parámetros optimizados de soldadura híbrida láser-MIG

1.3 métodos de prueba

Usando el microscopio de video tridimensional KEYENCE VHX-1000E para observar la morfología macroscópica y la estructura microscópica de la junta soldada; la distribución de dureza de la junta soldada se mide mediante el microprobador de dureza FM-700 con una carga de carga de 200 gf y un tiempo de espera de 15 segundos. Las propiedades de tracción de la junta soldada se probaron con la máquina de prueba universal electrónica WDW-300E, y la velocidad de carga de tracción fue de 2 mm/min. Utilizando una estación de trabajo electroquímica, las curvas de polarización del material base y las juntas soldadas se prueban con un calomelano. electrodo y un electrodo de platino como electrodo de referencia y electrodo auxiliar; utilizando el microscopio electrónico de barrido ZEISS SUPRA55, observe la morfología microscópica de la fractura de la muestra de tracción. La posición metalográfica y de corte de la muestra de tracción y el tamaño de la muestra de tracción se muestran en la Figura 2.

(a) Posiciones de muestreo de muestras metalográficas y de tracción.

(b) Dimensiones del espécimen de tracción

Fig. 2 Diagramas esquemáticos de las posiciones de muestreo y el tamaño de la muestra de tracción.

2 Resultados de la prueba y análisis

2.1 Macromorfología y microestructura de uniones soldadas.

La morfología macroscópica y las características de la estructura microscópica de la unión soldada híbrida láser-MIG de aleación de titanio TC4 se muestran en la Figura 3. Los resultados de la prueba muestran que la parte delantera y trasera de la soldadura son de buena calidad, sin defectos de soldadura obvios. La superficie de la soldadura parece ser de color blanco plateado, como se muestra en las Figuras 3a y 3b; la sección transversal de la soldadura no tiene defectos obvios como poros, falta de fusión y socavado, como se muestra en la Figura 3c. la estructura microscópica del material base de aleación de titanio TC4 es fase α + fase β equiaxial; la fase β se distribuye uniformemente alrededor de los límites de grano de la fase α, como se muestra en la Figura 3d. La microestructura en el centro de la soldadura está compuesta principalmente por grandes cristales columnares de fase β. Los límites de grano de los cristales columnares están intactos y claros, y el interior de los límites de grano contiene martensita α' fina en forma de cesta entretejida, como se muestra en la Figura 3e.

(a) Formación del lado frontal de la soldadura; (b) Formación de la parte posterior de la soldadura; (c) Formación de la sección transversal de la soldadura; (d) Estructura del metal base;
(e) Estructura del centro de la soldadura; (f) Estructura del área de grano grueso de la zona afectada por el calor; (g) Microestructura de la zona de grano fino en la zona afectada por el calor

Fig. 3 Aspectos soldados y características de microestructura de la unión soldada híbrida láser-MIG de aleación de titanio TC4

Esto se debe principalmente a que durante el proceso de soldadura, cuando el metal de soldadura se calienta por encima de la temperatura del punto de transición de fase, se enfría rápidamente. Los elementos de aleación no tienen tiempo para difundirse, lo que hace que la fase β de alta temperatura se transforme en la fase α sin tiempo suficiente para la difusión y, por lo tanto, conduce a la transformación no difusiva, es decir, la martensita α' generada por cizallamiento.La zona afectada por el calor incluye dos áreas: el área de grano grueso y el área de grano fino. El área de grano grueso está cerca de la línea de fusión, mientras que el área de grano fino está cerca del material base. La microestructura de la zona afectada por el calor consiste principalmente en fase α equiaxial + fase β + martensita α'. La distribución de estas fases no es uniforme, con granos más grandes en la zona de grano grueso cerca de la línea de fusión. La martensita α' en forma de aguja es relativamente más densa, mientras que los granos en la zona de grano fino cerca del material base son más pequeña y la martensita α' en forma de aguja es relativamente menor, como se muestra en la Figura 3f y la Figura 3g, esto se debe principalmente a que la zona afectada por el calor alejada de la línea de fusión se ve menos afectada por la fuente de calor y tiene un enfriamiento relativamente más lento. velocidad y menos transformaciones de fase β en martensita. Además, hay un tiempo de permanencia relativamente más corto a altas temperaturas, lo que disminuye tanto la propensión como la cinética de crecimiento del grano.

2.2 Distribución de dureza

La distribución de microdureza de la unión soldada compuesta láser-MIG de aleación de titanio TC4 se muestra en la Figura 4. Los resultados de la prueba muestran que el valor de dureza en la zona de soldadura es el más alto, seguido de la zona afectada por el calor, y la zona del material base tiene el valor de dureza más bajo. También se encontró que la dureza de la zona de grano grueso en la zona afectada por el calor es mayor que la de la zona de grano fino. Esto se debe a que ocurre una transformación de fase martensítica en la zona de soldadura, lo que resulta en una gran cantidad de estructuras martensíticas. Las numerosas dislocaciones dentro de la martensita desempeñan un papel fortalecedor. Mientras tanto, se produce una transformación martensítica parcial en la zona afectada por el calor, y la cantidad de martensita más cerca del lado de la línea de fusión es mayor que la del lado del material base.

Fig. 4 Distribución de microdureza de una junta de aleación de titanio TC4 soldada híbrida con láser-MIG

2.3 Propiedades de tracción

Los resultados de la prueba de tracción de la unión soldada compuesta por láser-MIG de aleación de titanio TC4 se muestran en la Tabla 3. Los resultados muestran que la resistencia a la tracción promedio de la unión soldada híbrida por láser-MIG de aleación de titanio TC4 es de 1069 MPa, el alargamiento promedio después de la fractura es 5.3%, y todas las muestras se rompieron en el área del material principal cerca de la zona afectada por el calor. En comparación con el material base, la resistencia a la tracción de la junta soldada es mayor que la del material base, pero su alargamiento después de la fractura es significativamente menor que el material de base. La característica microscópica de la fractura de la muestra de tracción se muestra en la Figura 5. La muestra de tracción se rompió en la ubicación del material base, lo que está relacionado con el valor de dureza más bajo en esta área. La trayectoria de la fractura es de aproximadamente 45° con respecto a la dirección de tensión. La morfología de la fractura se compone principalmente de hoyuelos, pero el tamaño y la profundidad de los hoyuelos son relativamente pequeños, lo que indica que la fractura muestra principalmente características de fractura plástica.