Microstruttura e proprietà dei giunti in lega di titanio TC4 saldati ibridi Laser-MIG

0 Prefazione

La lega di titanio TC4 è una tipica lega di titanio bifase di tipo α+β caratterizzata da bassa densità, elevata resistenza specifica ed eccellente resistenza alla corrosione. Le sue prestazioni complessive superiori lo rendono ampiamente utilizzato in vari campi come quello aerospaziale, dell'ingegneria navale, dell'industria chimica petrolifera e delle attrezzature per armi. Il punto di fusione della lega di titanio è elevato, la conduttività termica è bassa, il modulo elastico è basso e l'attività ad alta temperatura è forte. Il processo di saldatura può facilmente portare a una diminuzione della plasticità del giunto, dell'infragilimento del giunto, ecc., influenzando gravemente le prestazioni di servizio del giunto in lega di titanio.

Attualmente, la saldatura delle leghe di titanio utilizza principalmente metodi come la saldatura a gas inerte di tungsteno, la saldatura ad arco di tungsteno a gas, la saldatura a fascio di elettroni e saldatura laserLa saldatura a gas inerte di tungsteno e la saldatura ad arco di tungsteno a gas sono semplici da utilizzare, economiche e flessibili. Tuttavia, hanno una bassa densità della fonte di calore e una bassa velocità di saldatura, il che porta a problemi come un grande apporto di calore, una grave deformazione e una bassa efficienza di saldatura. Sebbene la saldatura a fascio di elettroni possa evitare il problema dell'infragilimento dei giunti se eseguita in un ambiente sotto vuoto, fornendo una qualità superiore dei giunti saldati, la sua ampia applicazione è ostacolata dalle limitazioni sulle dimensioni dei componenti di saldatura. La saldatura laser ha energia concentrata e una zona termicamente alterata e non è limitata dalle dimensioni dei componenti. Tuttavia, il cordone di saldatura ha una scarsa tolleranza allo spazio vuoto e alla forma della scanalatura, il che comporta requisiti di elevata precisione per la maschera e l'attrezzatura.

Pertanto, questo articolo studia sistematicamente la microstruttura, la distribuzione della durezza, le proprietà di trazione e le proprietà di corrosione elettrochimica del giunto saldato ibrido laser-MIG in lega di titanio TC3 da 4 mm di spessore. Fornisce riferimenti e lezioni per l'applicazione della tecnologia di saldatura ibrida laser-MIG nella produzione di saldatura di leghe di titanio.

1 Materiali e metodi di prova

1.1 Materiali di prova

L'esperimento ha utilizzato piastre in lega di titanio TC4 spesse 4 mm, lavorate in una scanalatura a forma di I, senza lasciare uno spazio nel cordone di saldatura. Il materiale di riempimento utilizzato era un filo di saldatura in lega di titanio TC1.2 da 4 mm. La composizione chimica del materiale di base sperimentale e del materiale di riempimento è mostrata nella Tabella 1.Prima saldatura, la pellicola di ossido sulla superficie del materiale in lega di titanio è stata rimossa mediante molatura meccanica, quindi le macchie di olio sulla superficie della lega di titanio sono state rimosse strofinando con acetone.

Tabella 1 Composizione chimica del materiale di base e del filo di apporto（wt.%）

Materiali	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	Altri
materiale di base	matrice	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
Filo per saldatura	matrice	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 Metodo di saldatura

L'esperimento ha utilizzato un laser a disco TRUMPF TruDisk 16003, con una lunghezza d'onda di 1.06 μm; l'alimentatore per saldatura ad arco utilizzava un FRONIUS TPS 5000 saldatrice.Il processo di saldatura utilizzava un metodo di accoppiamento della fonte di calore con il laser davanti e l'arco dietro. L'angolo tra il laser e la piastra di prova era di 85° e l'angolo tra pistola per saldatura e la piastra di prova era di 60°. La distanza tra le fonti di calore era di 3 mm. Per prevenire l'ossidazione della superficie di saldatura, sia la parte posteriore che quella anteriore della saldatura sono protette con gas argon ad elevata purezza. La portata del gas protettivo sul lato anteriore della saldatura è di 50 L/min e sul lato posteriore della saldatura è di 20 L/min. Lo schema della saldatura composita ad arco laser e del dispositivo per il gas protettivo è mostrato in Figura 1. I parametri ottimizzati del processo di saldatura sono mostrati nella Tabella 2.

(a)Dispositivi e metodi di saldatura

（b) Dispositivo antigas

Fig. 1 Dispositivo per gas inerte e schema della saldatura ibrida laser-MIG

Velocità di saldatura/(m·min-1)	Potenza laser/kW	Corrente di saldatura/A	Diametro spot/mm	Sfocatura/mm
2.5	4.0	127	0.6	+2

Tabella 2 Parametri di saldatura ibrida laser-MIG ottimizzati

1.3 metodi di prova

Utilizzando il videomicroscopio tridimensionale KEYENCE VHX-1000E per osservare la morfologia macroscopica e la struttura microscopica del giunto saldato; la distribuzione della durezza del giunto saldato viene misurata dal microdurometro FM-700 con un carico di carico di 200 gf e un tempo di tenuta di 15 secondi. Le proprietà di trazione del giunto saldato sono state testate con la macchina di prova elettronica universale WDW-300E e la velocità di carico di trazione era di 2 mm/min. Utilizzando una stazione di lavoro elettrochimica, le curve di polarizzazione del materiale di base e dei giunti saldati vengono testate con un calomelano elettrodo e un elettrodo di platino come elettrodo di riferimento ed elettrodo ausiliario; Utilizzando il microscopio elettronico a scansione ZEISS SUPRA55, osservare la morfologia microscopica della frattura del campione di trazione. La posizione metallografica e di taglio del provino di trazione e le dimensioni del provino di trazione sono mostrate nella Figura 2.

(a) Posizioni di campionamento dei campioni metallografici e di trazione

(b) Dimensioni del provino di trazione

Fig. 2 Diagrammi schematici delle posizioni di campionamento e delle dimensioni del provino di trazione

2 Risultati dei test e analisi

2.1 Macromorfologia e microstruttura dei giunti saldati

Le caratteristiche macroscopiche della morfologia e della struttura microscopica del giunto saldato ibrido laser-MIG in lega di titanio TC4 sono mostrate nella Figura 3. I risultati del test mostrano che la parte anteriore e posteriore della saldatura formano una buona qualità, senza evidenti difetti di saldatura. La superficie della saldatura sembra essere bianco-argento, come mostrato nelle Figure 3a e 3b; La sezione trasversale della saldatura non presenta difetti evidenti come pori, mancata fusione e sottosquadro, come mostrato nella Figura 3c. la struttura microscopica del materiale di base della lega di titanio TC4 è equiassica fase α + fase β; la fase β è distribuita uniformemente attorno ai confini dei grani della fase α, come mostrato nella Figura 3d. La microstruttura al centro della saldatura è composta principalmente da grandi cristalli colonnari della fase β. I bordi dei grani dei cristalli colonnari sono intatti e chiari, e l'interno dei bordi dei grani contiene martensite α' fine intrecciata a forma di cesto, come mostrato nella Figura 3e.

(a) Formazione del lato anteriore della saldatura; (b) Formazione del lato posteriore della saldatura; (c) Formazione della sezione trasversale della saldatura; (d) Struttura del metallo base;
(e) Struttura del centro della saldatura; (f) Struttura dell'area a grana grossa della zona alterata dal calore; (g) Microstruttura della zona a grana fine nella zona alterata dal calore

Fig. 3 Aspetti saldati e caratteristiche microstrutturali del giunto saldato ibrido laser-MIG della lega di titanio TC4

Ciò è dovuto principalmente al fatto che durante il processo di saldatura, quando il metallo saldato viene riscaldato al di sopra della temperatura del punto di transizione di fase, si raffredda rapidamente. Gli elementi di lega non hanno il tempo di diffondere, causando la trasformazione della fase β ad alta temperatura nella fase α senza tempo sufficiente per la diffusione, e portando così alla trasformazione non diffusiva, cioè alla martensite α' generata dal taglio.La zona influenzata dal calore comprende due aree: l'area a grana grossa e l'area a grana fine. L'area a grana grossa è vicino alla linea di fusione, mentre l'area a grana fine è vicino al materiale di base. La microstruttura della zona influenzata dal calore è costituita principalmente da fase α equiassica + fase β + martensite α'. La distribuzione di queste fasi non è uniforme, con grani più grandi nella zona a grana grossa vicino alla linea di fusione, la martensite aghiforme α' è relativamente più numerosa e più densa, mentre i grani nella zona a grana fine vicino al materiale di base sono più piccola e la martensite α' aghiforme è relativamente minore, come mostrato nella Figura 3f e Figura 3g, ciò è dovuto principalmente al fatto che la zona interessata dal calore lontana dalla linea di fusione è meno influenzata dalla fonte di calore, ha un raffreddamento relativamente più lento velocità e minori trasformazioni di fase β in martensite. Inoltre, il tempo di permanenza alle alte temperature è relativamente più breve, diminuendo sia la propensione che la cinetica alla crescita del grano.

2.2 Distribuzione della durezza

La distribuzione della microdurezza del giunto di saldatura composito laser-MIG in lega di titanio TC4 è mostrata nella Figura 4. I risultati del test mostrano che il valore di durezza nella zona di saldatura è il più alto, seguito dalla zona alterata dal calore, con la zona del materiale di base avente il valore di durezza più basso. È stato inoltre riscontrato che la durezza della zona a grana grossa nella zona termicamente alterata è superiore a quella della zona a grana fine. Ciò è dovuto al fatto che nella zona di saldatura avviene una trasformazione di fase martensitica, che dà luogo a una grande quantità di strutture martensitiche. Le numerose dislocazioni all'interno della martensite svolgono un ruolo rinforzante. Nel frattempo, nella zona influenzata dal calore si verifica una trasformazione martensitica parziale e la quantità di martensite più vicina al lato della linea di fusione è maggiore di quella sul lato del materiale di base.

Fig. 4 Distribuzione della microdurezza del giunto in lega di titanio TC4 saldato ibrido laser-MIG

2.3 Proprietà tensili

I risultati del test di trazione del giunto saldato composito laser-MIG in lega di titanio TC4 sono mostrati nella Tabella 3. I risultati mostrano che la resistenza alla trazione media del giunto saldato ibrido laser-MIG in lega di titanio TC4 è 1069 MPa, l'allungamento medio dopo la frattura è 5.3% e i campioni si sono rotti tutti nell'area del materiale principale vicino alla zona interessata dal calore. Rispetto al materiale di base, la resistenza alla trazione del giunto saldato è superiore a quella del materiale di base, ma il suo allungamento dopo la frattura è significativamente inferiore al materiale di base. La caratteristica microscopica della frattura del campione di trazione è mostrata nella Figura 5. Il campione di trazione si è rotto nella posizione del materiale di base, che è correlato al valore di durezza più basso in quest'area. Il percorso della frattura è di circa 45° rispetto alla direzione della tensione. La morfologia della frattura è composta principalmente da fossette, ma la dimensione e la profondità delle fossette sono relativamente piccole, indicando che la frattura mostra principalmente caratteristiche di frattura plastica.

numero	Resistenza alla trazione / MPa		Allungamento dopo la rottura/%		posizione della frattura
	valore singolo	valore medio	valore singolo	valore medio
materiale di base	950		12.5		-
T-41#	1 043	1 069	5.1	5.3	Area del materiale di base
T-42#	1 095		5.4		Area del materiale di base