레이저-MIG 하이브리드 용접 TC4 티타늄 합금 조인트의 미세구조 및 특성

0 서문

TC4 티타늄 합금은 저밀도, 고비강도, 우수한 내식성을 특징으로 하는 대표적인 α+β형 이중상 티타늄 합금입니다. 전반적인 성능이 우수하여 항공우주, 해양공학, 석유화학산업, 무기장비 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 티타늄 합금의 융점이 높고 열전도도가 낮으며 탄성률이 낮고 고온 활성이 좋습니다. 강하다. 용접 가공은 조인트 가소성 감소, 조인트 취성 등을 쉽게 유발하여 티타늄 합금 조인트의 서비스 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

현재 티타늄 합금 용접에는 텅스텐 불활성 가스 용접, 가스 텅스텐 아크 용접, 전자빔 용접 등의 방법이 주로 사용됩니다. 레이저 용접.텅스텐 불활성 가스 용접 및 가스 텅스텐 아크 용접은 작동이 간단하고 비용이 저렴하며 유연합니다. 그러나 열원 밀도가 낮고 용접 속도가 느리기 때문에 입열량이 크고 변형이 심하며 용접 효율이 낮은 등의 문제가 발생합니다. 전자빔 용접은 진공 환경에서 수행되므로 접합부 취성 문제를 피할 수 있지만, 더 높은 품질의 용접 접합을 제공하지만 용접 부품의 크기 제한으로 인해 광범위한 적용이 제한됩니다. 레이저 용접은 에너지가 집중되어 있고 열 영향 영역이 좁으며 부품 크기에 제한이 없습니다. 그러나 용접 이음매는 홈의 간격과 형태에 대한 허용 오차가 낮기 때문에 지그와 고정 장치에 높은 정밀도가 요구됩니다.

따라서 본 논문에서는 3mm 두께의 TC4 티타늄 합금 레이저-MIG 하이브리드 용접 접합부의 미세 구조, 경도 분포, 인장 특성 및 전기화학적 부식 특성을 체계적으로 연구합니다. 티타늄 합금 용접 제조에 레이저-MIG 하이브리드 용접 기술을 적용하기 위한 참고 자료와 교훈을 제공합니다.

1 시험재료 및 방법

1.1 시험 재료

실험에서는 용접 이음새에 틈을 남기지 않고 I자형 홈으로 가공된 4mm 두께의 TC4 티타늄 합금 판을 사용했습니다. 사용된 필러 재료는 1.2mm TC4 티타늄 합금 용접 와이어였습니다. 실험용 모재와 충진재의 화학적 조성은 표 1에 나타내었다. 용접, 티타늄 합금 소재 표면의 산화막을 기계적 분쇄로 제거한 후 아세톤으로 닦아 티타늄 합금 표면의 오일 얼룩을 제거했습니다.

표 1 모재와 필러 와이어의 화학 조성 (wt.%)

자재	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	기타
기본 재료	매트릭스	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
용접 와이어	매트릭스	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 용접 방법

실험에서는 파장이 16003μm인 TRUMPF TruDisk 1.06 디스크 레이저를 사용했습니다. 아크 용접 전원 공급 장치는 FRONIUS TPS 5000을 사용했습니다. 용접 기계.용접 공정은 전면에 레이저, 후면에 아크를 이용한 열원 결합 방식을 사용했습니다. 레이저와 테스트 플레이트 사이의 각도는 85°였으며, 용접 건 시험판은 60°였다. 열원 사이의 거리는 3mm로 하였으며, 용접면의 산화를 방지하기 위해 용접면의 뒷면과 앞면을 모두 고순도 아르곤 가스로 보호하였습니다. 용접부 전면의 보호가스 유량은 50L/min, 용접부 뒷면의 보호가스 유량은 20L/min입니다. 레이저-아크 복합용접 및 보호가스 장치의 개략도는 다음과 같습니다. 그림 1. 최적화된 용접 공정 매개변수는 표 2에 나와 있습니다.

(a) 용접장치 및 방법

(b) 보호가스 장치

그림 1. 레이저-MIG 하이브리드 용접의 보호가스 장치 및 개략도

용접속도/(m·min-1)	레이저 출력/kW	용접 전류/A	스폿 직경/mm	디포커스/mm
2.5	4.0	127	0.6	+2

표 2 최적화된 레이저-MIG 하이브리드 용접 매개변수

1.3 시험 방법

KEYENCE VHX-1000E 700차원 비디오 현미경을 사용하여 용접 조인트의 거시적 형태와 미세 구조를 관찰합니다. 용접 조인트의 경도 분포는 FM-200 마이크로 경도 시험기로 하중 15gf 및 유지 시간 300초. 용접 이음부의 인장 특성은 WDW-2E 전자 만능 시험기로 시험하였으며, 인장 하중 속도는 55mm/min으로 하였다. 전기화학 워크스테이션을 이용하여 모재와 용접 이음부의 분극 곡선을 칼로멜로 시험하였다. 기준 전극 및 보조 전극으로 전극 및 백금 전극; ZEISS SUPRA2 주사 전자 현미경을 사용하여 인장 시편 파손의 미세한 형태를 관찰합니다. 인장 시편의 금속 조직 및 절단 위치와 인장 시편의 크기는 그림 XNUMX에 나와 있습니다.

(a) 금속조직 및 인장시편의 샘플링 위치

(b) 인장시험편 치수

그림 2 샘플링 위치 및 인장 시편 크기의 개략도

2 테스트 결과 및 분석

2.1 용접 조인트의 거시적 형태와 미세 구조

TC4 티타늄 합금 레이저-MIG 하이브리드 용접 조인트의 거시적 형태와 미세 구조 특징이 그림 3에 나와 있습니다. 테스트 결과에 따르면 용접 전면과 후면의 품질이 양호하고 뚜렷한 용접 결함이 없는 것으로 나타났습니다. 용접 표면은 그림 3a 및 3b와 같이 은백색으로 나타납니다. 용접 단면에는 그림 3c와 같이 기공, 불융착 및 언더컷과 같은 명백한 결함이 없습니다. TC4 티타늄 합금 모재의 미세 구조는 등축 α 상 + β 상입니다. 그림 3d에 표시된 것처럼 β 상은 α 상 결정립 경계 주위에 고르게 분포되어 있습니다. 용접 중앙의 미세 구조는 주로 큰 β 상 원주형 결정으로 구성됩니다. 기둥형 결정의 결정립계는 손상되지 않고 깨끗하며, 결정립계 내부에는 그림 3e와 같이 짜여진 바구니 모양의 미세한 α' 마르텐사이트가 포함되어 있습니다.

(a) 용접 전면의 형성; (b) 용접 뒷면의 형성 (c) 용접 단면의 형성 (d) 모재의 구조
(e) 용접 중심의 구조; (f) 열영향부의 조립부의 구조;(g) 열영향부의 세립부의 미세구조

그림 3 TC4 티타늄 합금 레이저-MIG 하이브리드 용접 이음부의 용접 외관 및 미세구조 특성

이는 주로 용접 공정 중에 용접 금속이 상전이점 온도 이상으로 가열되면 빠르게 냉각되기 때문입니다. 합금원소는 확산할 시간이 없기 때문에 충분한 확산시간 없이 고온의 β상이 α상으로 변태하게 되어 비확산변태, 즉 전단에 의해 생성된 α' 마르텐사이트가 발생하게 된다.열영향부는 거친 영역과 세립 영역의 두 영역으로 구성됩니다. 거친 부분은 융합선 근처에 있고 세립 부분은 모재 근처에 있습니다. 열 영향부의 미세 구조는 주로 등축 α상 + β상 + α' 마르텐사이트로 구성됩니다. 이러한 상의 분포는 균일하지 않으며 융합선 근처의 거친 입자 영역에 더 큰 입자가 있습니다. 바늘 모양의 α' 마르텐사이트는 상대적으로 더 많고 밀도가 높은 반면 모재 근처의 세립 영역의 입자는 그림 3f 및 그림 3g에 표시된 것처럼 더 작고 바늘 모양의 α' 마르텐사이트가 상대적으로 적습니다. 이는 주로 용융 라인에서 멀리 떨어진 열 영향 영역이 열원의 영향을 덜 받고 상대적으로 느린 냉각을 갖기 때문입니다. 속도가 빨라지고 마르텐사이트로의 β상 변태가 줄어듭니다. 더욱이, 고온에서는 체류 시간이 상대적으로 짧아서 입자 성장 경향과 동역학이 모두 감소합니다.

2.2 경도분포

TC4 티타늄 합금 레이저-MIG 복합 용접 조인트의 미세 경도 분포는 그림 4에 나와 있습니다. 테스트 결과에 따르면 용접 영역의 경도 값이 가장 높고 열 영향 영역이 그 뒤를 따르며 모재 영역은 다음과 같습니다. 가장 낮은 경도 값. 또한 열영향부 조대 결정립부의 경도가 미세 결정립부의 경도보다 높은 것으로 나타났다. 이는 용접부에서 마르텐사이트 상변태가 일어나 마르텐사이트 조직이 많이 발생하기 때문이다. 마르텐사이트 내의 수많은 전위는 강화 역할을 합니다. 한편, 열영향부에서는 부분적인 마르텐사이트 변태가 일어나고, 모재측보다 용융선측에 가까운 마르텐사이트량이 많다.

그림 4 레이저-MIG 하이브리드 용접 TC4 티타늄 합금 접합부의 미세경도 분포

2.3 인장 특성

TC4 티타늄 합금 레이저-MIG 복합 용접 조인트의 인장 시험 결과는 표 3에 나와 있습니다. 결과는 TC4 티타늄 합금 레이저-MIG 하이브리드 용접 조인트의 평균 인장 강도가 1069 MPa이고 파단 후 평균 연신율이 5.3%이며, 샘플은 모두 열영향부 근처의 모재 영역에서 파단되었습니다. 모재와 비교하여 용접 조인트의 인장 강도는 모재보다 높지만 파단 후 신율은 모재보다 현저히 낮습니다. 기본 재료. 인장 샘플 파단의 미세한 특성은 그림 5에 나와 있습니다. 인장 샘플은 모재 위치에서 파단되었으며 이는 이 영역에서 가장 낮은 경도 값과 관련이 있습니다. 골절 경로는 장력 방향에 대해 약 45°입니다. 골절의 형태는 주로 딤플로 구성되어 있으나 딤플의 크기와 깊이가 상대적으로 작아서 주로 소성파괴의 특성을 나타내는 골절임을 알 수 있다.

번호	인장 강도 / MPa		break/% 후 신장		골절 위치
	단일 값	평균값	단일 값	평균값
기본 재료	950		12.5		-
T-41#	1 043	1 069	5.1	5.3	모재 면적
T-42#	1 095		5.4		모재 면적