レーザー MIG ハイブリッド溶接 TC4 チタン合金継手の微細構造と特性

0 まえがき

TC4チタン合金は、低密度、高比強度、優れた耐食性を特徴とする代表的なα+β型二相チタン合金です。その優れた総合性能により、航空宇宙、海洋工学、石油化学工業、兵器装備品など様々な分野で幅広く活用されています。チタン合金は、融点が高く、熱伝導率が低く、弾性率が低く、高温での活性が高いという特徴があります。は強い。溶接加工は継手の可塑性の低下、継手の脆化などを引き起こしやすく、チタン合金継手の使用性能に重大な影響を与えます。

現在、チタン合金の溶接は主にタングステン不活性ガス溶接、ガスタングステンアーク溶接、電子ビーム溶接、 レーザー溶接タングステン不活性ガス溶接とガスタングステンアーク溶接は操作が簡単で、コストが低く、柔軟性があります。しかし、熱源密度が低く溶接速度が遅いため、入熱量が大きく、変形が激しく、溶接効率が低いという課題があります。電子ビーム溶接は真空環境で行うため継手脆化の問題を回避できますが、より高品質の溶接継手を提供しますが、溶接コンポーネントのサイズの制限により、その広範な適用が妨げられています。レーザー溶接はエネルギーが集中し、熱影響を受けるゾーンが狭いため、コンポーネントのサイズに制限されません。しかし、溶接シームは溝のギャップや形状に対する許容度が低いため、治具や治具には高い精度が要求されます。

したがって、この論文では、厚さ 3 mm の TC4 チタン合金レーザー - MIG ハイブリッド溶接継手の微細構造、硬度分布、引張特性、および電気化学的腐食特性を体系的に研究しました。チタン合金溶接製造におけるレーザー-MIG ハイブリッド溶接技術の応用に関する参考資料と教訓を提供します。

1 試験材料と試験方法

1.1 試験材料

実験では、厚さ 4 mm の TC4 チタン合金板を使用し、溶接シームに隙間が残らないように I 字溝を加工しました。使用した溶加材は 1.2 mm の TC4 チタン合金溶接ワイヤです。実験用基材と充填材の化学組成を表1に示します。 溶接チタン合金材表面の酸化皮膜を機械研磨により除去した後、チタン合金材表面の油汚れをアセトンで拭き取り除去した。

表1 母材とフィラーワイヤーの化学組成（wt.%）

材料	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	その他
基材	マトリックス	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
溶接ワイヤ	マトリックス	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 溶接方法

実験では、波長 16003 μm の TRUMPF TruDisk 1.06 ディスク レーザーを使用しました。アーク溶接電源には FRONIUS TPS 5000 を使用 溶接機溶接プロセスは、前方にレーザー、後方にアークを使用する熱源結合方式を使用しました。レーザーとテストプレート間の角度は 85°、レーザーとテストプレート間の角度は XNUMX°でした。 溶接ガン テストプレートは60°でした。熱源間の距離は3mmで、溶接面の酸化を防ぐため、溶接部の裏表ともに高純度アルゴンガスで保護されています。溶接部の前面側の保護ガスの流量は 50 L/min、溶接部の背面側では 20 L/min です。レーザー アーク複合溶接および保護ガス装置の概略図を図に示します。図 1. 最適化された溶接プロセスのパラメータを表 2 に示します。

(a)溶接装置及び溶接方法

（b）保護ガス装置

図1 保護ガス装置とレーザー・MIGハイブリッド溶接の模式図

溶接速度/(m・min-1)	レーザー出力/kW	溶接電流/A	スポット径/mm	デフォーカス/mm
2.5	4.0	127	0.6	+2

表 2 最適化されたレーザー - MIG ハイブリッド溶接パラメータ

1.3試験方法

キーエンス製三次元ビデオマイクロスコープ「VHX-1000E」を使用して、溶接継手の巨視的形態と微視的構造を観察します。溶接継手の硬さ分布は、微小硬度計FM-700で荷重荷重200gf、荷重15gfで測定します。保持時間は300秒。溶接継手の引張特性は、WDW-2E電子万能試験機を使用して試験され、引張負荷速度は55 mm/minでした。電気化学ワークステーションを使用して、母材と溶接継手の分極曲線がカロメルで試験されます。電極と白金電極を参照電極および補助電極として使用します。ZEISS SUPRA2 走査型電子顕微鏡を使用して、引張試験片の破断の微細な形態を観察します。引張試験片の金属組織学的位置と切断位置および引張試験片のサイズを図 XNUMX に示します。

(a)金属組織試験片および引張試験片の採取位置

(b)引張試験片寸法

図2 採取位置と引張試験片サイズの模式図

2テスト結果と分析

2.1 溶接継手のマクロ形態と微細構造

TC4 チタン合金レーザー MIG ハイブリッド溶接継手の巨視的形態と微視的構造の特徴を図 3 に示します。試験結果は、溶接部の前面と背面が良好な品質を形成し、明らかな溶接欠陥がないことを示しています。図 3a および 3b に示すように、溶接の表面は銀白色に見えます。図 3c に示すように、溶接の断面には気孔、未溶融、アンダーカットなどの明らかな欠陥はありません。 TC4チタン合金母材の微細組織は等軸α相＋β相である。図 3d に示すように、β 相は α 相の粒界の周囲に均一に分布しています。溶接部の中心の微細構造は、主に大きな β 相の柱状結晶で構成されています。図3eに示すように、柱状結晶の粒界は無傷で明瞭であり、粒界の内部には織り込まれたバスケット状の微細なα'マルテンサイトが含まれています。

(a) 溶接部の前面の形成。 (b) 溶接部裏面の形成;(c) 溶接部断面の形成;(d) 母材の組織;
(e) 溶接中心の構造。 (f) 熱影響部の粗粒領域の構造;(g) 熱影響部の細粒領域の微細構造

図3 TC4チタン合金のレーザー・MIGハイブリッド溶接継手の溶接外観と組織特性

これは主に、溶接プロセス中に溶接金属が相転移点温度以上に加熱されると、急速に冷却されるためです。合金元素は拡散する時間がないため、十分な拡散時間が得られずに高温のβ相がα相に変態し、非拡散変態、すなわちせん断生成α'マルテンサイトが生じます。熱影響ゾーンには、粗粒領域と細粒領域の 3 つの領域が含まれます。粗粒領域は溶融線付近、細粒領域は母材付近にあります。熱影響部の組織は主に等軸α相＋β相＋α'マルテンサイトから構成されています。これらの相の分布は均一ではなく、溶融線近くの粗粒ゾーンの粒子が大きくなります。針状の α' マルテンサイトは比較的多く、より緻密ですが、基材近くの細粒ゾーンの粒子はより緻密です。図 3f と図 XNUMXg に示すように、より小さく、針状の α' マルテンサイトが比較的少ない。これは主に、融解線から遠く離れた熱影響部が熱源の影響をあまり受けず、冷却が比較的遅いためである。速度が向上し、マルテンサイトへのβ相変態が少なくなります。さらに、高温では滞留時間が比較的短くなり、粒子成長の傾向と速度の両方が低下します。

2.2 硬度分布

TC4 チタン合金レーザー MIG 複合溶接継手の微小硬度分布を図 4 に示します。試験結果は、溶接ゾーンの硬度値が最も高く、次に熱影響ゾーンが続き、母材ゾーンの硬度が高いことを示しています。最も低い硬度値。また、熱影響部の粗粒部の硬度が細粒部よりも高いことも判明した。これは、溶接部でマルテンサイト相変態が起こり、多量のマルテンサイト組織が生成したためであると考えられる。マルテンサイト内の多数の転位は、強化の役割を果たします。一方、熱影響部では部分的にマルテンサイト変態が起こり、母材側よりも溶融線側のマルテンサイト量が多くなる。

図4 レーザーMIGハイブリッド溶接TC4チタン合金継手の微小硬度分布

2.3 引張特性

TC4 チタン合金レーザー - MIG 複合溶接継手の引張試験結果を表 3 に示します。結果は、TC4 チタン合金レーザー - MIG 複合溶接継手の平均引張強さは 1069 MPa、破断後の平均伸びは 5.3 MPa であることを示しています。母材と比較して、溶接継手の引張強さは母材よりも高いが、破断後の伸びは母材よりも大幅に低い。基材。引張サンプルの破断の顕微鏡的特徴を図 5 に示します。引張サンプルは基材の位置で破断しました。これは、この領域の最低硬度値に関連しています。破断経路は引張方向に対して約 45°です。破断形態は主にディンプルで構成されていますが、ディンプルの大きさや深さは比較的小さく、主に塑性破壊の特徴を示す破断であることがわかります。

数	引張強度/ MPa		破断後の伸び/%		骨折箇所
	単一の値	平均値	単一の値	平均値
基材	950		12.5		-
T-41#	1 043	1 069	5.1	5.3	基材エリア
T-42#	1 095		5.4		基材エリア