Mikrostruktura i właściwości spawanych hybrydowo laserowo MIG połączeń stopów tytanu TC4

0 Przedmowa

Stop tytanu TC4 jest typowym dwufazowym stopem tytanu typu α+β, charakteryzującym się niską gęstością, wysoką wytrzymałością właściwą i doskonałą odpornością na korozję. Jego doskonała ogólna wydajność sprawia, że ​​jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach, takich jak lotnictwo, inżynieria morska, przemysł naftowo-chemiczny i sprzęt zbrojeniowy. Temperatura topnienia stopu tytanu jest wysoka, przewodność cieplna jest niska, moduł sprężystości jest niski i aktywność w wysokiej temperaturze jest silny. Obróbka spawalnicza może łatwo doprowadzić do zmniejszenia plastyczności złącza, kruchości złącza itp., poważnie wpływając na właściwości użytkowe złącza ze stopu tytanu.

Obecnie do spawania stopów tytanu wykorzystuje się głównie metody takie jak spawanie wolframem w gazie obojętnym, spawanie łukiem gazowo-wolframowym, spawanie wiązką elektronów i spawanie laseroweSpawanie wolframem w osłonie gazu obojętnego i spawanie łukiem wolframowym są proste w obsłudze, tanie i elastyczne. Mają jednak niską gęstość źródła ciepła i małą prędkość spawania, co prowadzi do problemów, takich jak duży dopływ ciepła, poważne odkształcenia i niska wydajność spawania. Chociaż spawanie wiązką elektronów pozwala uniknąć problemu kruchości spoin, przeprowadzając je w środowisku próżniowym, zapewniając wyższą jakość złączy spawanych, jego powszechne zastosowanie jest utrudnione ze względu na ograniczenia wielkości elementów spawanych. Spawanie laserowe charakteryzuje się skoncentrowaną energią oraz wąską strefą wpływu ciepła i nie jest ograniczone wielkością elementów. Jednakże szew spawalniczy ma słabą tolerancję w stosunku do szczeliny i kształtu rowka, co skutkuje wysokimi wymaganiami dotyczącymi precyzji przyrządu i mocowania.

Dlatego w artykule systematycznie badano mikrostrukturę, rozkład twardości, właściwości rozciągające i właściwości korozji elektrochemicznej złącza spawanego hybrydowo laserowo-MIG ze stopu tytanu TC3 o grubości 4 mm. Zawiera odniesienia i lekcje dotyczące zastosowania technologii hybrydowego spawania laserowego i MIG w produkcji spawania stopów tytanu.

1 Materiały i metody badawcze

1.1 Materiały testowe

W doświadczeniu wykorzystano płytki ze stopu tytanu TC4 o grubości 4 mm, poddane obróbce w rowku w kształcie litery I, bez pozostawiania szczeliny w spoinie. Materiałem dodatkowym był drut spawalniczy ze stopu tytanu TC1.2 o średnicy 4 mm. Skład chemiczny doświadczalnego materiału bazowego i materiału wypełniającego przedstawiono w tabeli 1. Wcześniej spawalniczyfilm tlenkowy na powierzchni materiału stopu tytanu usunięto poprzez mechaniczne szlifowanie, a następnie plamy olejowe na powierzchni stopu tytanu usunięto poprzez przetarcie acetonem.

Tabela 1 Skład chemiczny materiału podstawowego i drutu elektrodowego（wt.%）

Materiał	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	Pozostałe
materiał bazowy	matryca	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
Drut spawalniczy	matryca	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 Metoda spawania

W eksperymencie wykorzystano laser dyskowy TRUMPF TruDisk 16003 o długości fali 1.06 µm; w zasilaczu do spawania łukowego zastosowano FRONIUS TPS 5000 spawarkaW procesie spawania zastosowano metodę sprzęgania źródła ciepła z laserem z przodu i łukiem z tyłu. Kąt pomiędzy laserem i płytką testową wynosił 85°, a kąt pomiędzy pistolet spawalniczy a płytka testowa miała 60°. Odległość pomiędzy źródłami ciepła wynosiła 3 mm. Aby zapobiec utlenianiu powierzchni spoiny, zarówno tył, jak i przód spoiny są zabezpieczone gazowym argonem o wysokiej czystości. Natężenie przepływu gazu ochronnego po przedniej stronie spoiny wynosi 50 l/min, a po tylnej stronie spoiny 20 l/min. Schemat urządzenia do spawania kompozytowego łukiem laserowym i gazu ochronnego pokazano na Rysunek 1. Zoptymalizowane parametry procesu spawania przedstawiono w tabeli 2.

(a) Urządzenia i metody spawania

(b) Urządzenie z gazem ochronnym

Rys. 1 Urządzenie z gazem ochronnym i schemat ideowy spawania hybrydowego laser-MIG

Prędkość spawania/(m·min-1)	Moc lasera/kW	Prąd spawania/A	Średnica plamki/mm	Rozogniskowanie/mm
2.5	4.0	127	0.6	+2

Tabela 2 Zoptymalizowane parametry spawania hybrydowego Laser-MIG

1.3 Metody testowe

Zastosowanie trójwymiarowego mikroskopu wideo KEYENCE VHX-1000E do obserwacji makroskopowej morfologii i struktury mikroskopowej złącza spawanego; Rozkład twardości złącza spawanego mierzony jest za pomocą mikrotwardościomierza FM-700 przy obciążeniu 200 gf i czas trzymania 15 sekund. Właściwości rozciągające złącza spawanego badano za pomocą elektronicznej uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej WDW-300E, a prędkość obciążenia rozciągającego wynosiła 2 mm/min. Przy wykorzystaniu stanowiska elektrochemicznego badano krzywe polaryzacji materiału podstawowego i złączy spawanych za pomocą kalomelu elektrodę i elektrodę platynową jako elektrodę odniesienia i elektrodę pomocniczą; Przy pomocy skaningowego mikroskopu elektronowego ZEISS SUPRA55 obserwować mikroskopową morfologię pęknięcia próbki rozciąganej. Położenie metalograficzne i położenie cięcia próbki do rozciągania oraz rozmiar próbki do rozciągania pokazano na rysunku 2.

(a) Miejsca pobierania próbek metalograficznych i rozciągających

(b) Wymiary próbki przy rozciąganiu

Ryc. 2 Schematyczne diagramy miejsc pobierania próbek i wielkości próbki przy rozciąganiu

2 Wyniki testów i analiza

2.1 Makromorfologia i mikrostruktura złączy spawanych

Morfologię makroskopową i cechy struktury mikroskopowej hybrydowego złącza spawanego laserem MIG ze stopu tytanu TC4 pokazano na rysunku 3. Wyniki testów pokazują, że przód i tył spoiny tworzą dobrą jakość, bez widocznych wad spawalniczych. Powierzchnia spoiny wydaje się być srebrzystobiała, jak pokazano na rysunkach 3a i 3b; Przekrój spoiny nie ma oczywistych wad, takich jak pory, brak przetopu i podcięcia, jak pokazano na rysunku 3c. mikroskopijna struktura materiału bazowego ze stopu tytanu TC4 to równoosiowa faza α + faza β; faza β jest równomiernie rozłożona wokół granic ziaren fazy α, jak pokazano na rysunku 3d. Mikrostruktura w środku spoiny składa się głównie z dużych kryształów kolumnowych fazy β. Granice ziaren kryształów kolumnowych są nienaruszone i wyraźne, a wnętrze granic ziaren zawiera przeplatany drobny martenzyt α' przypominający koszyk, jak pokazano na rysunku 3e.

(a) Formowanie przedniej strony spoiny; (b) Formowanie tylnej strony spoiny; (c) Formowanie przekroju spoiny; (d) Struktura metalu nieszlachetnego;
(e) Struktura środka spoiny; (f) Struktura gruboziarnistego obszaru strefy wpływu ciepła; (g) Mikrostruktura drobnoziarnistej strefy strefy wpływu ciepła

Rys. 3 Wygląd spawalniczy i charakterystyka mikrostruktury hybrydowego złącza spawanego laserowo-MIG stopu tytanu TC4

Dzieje się tak głównie dlatego, że podczas procesu spawania, gdy metal spoiny nagrzewa się powyżej temperatury punktu przejścia fazowego, szybko się ochładza. Pierwiastki stopowe nie mają czasu na dyfuzję, co powoduje, że wysokotemperaturowa faza β przekształca się w fazę α bez wystarczającego czasu na dyfuzję, co prowadzi do przemiany niedyfuzyjnej, tj. martenzytu α' powstałego w wyniku ścinania.Strefa wpływu ciepła obejmuje dwa obszary: obszar gruboziarnisty i obszar drobnoziarnisty. Obszar gruboziarnisty znajduje się w pobliżu linii wtopienia, natomiast obszar drobnoziarnisty znajduje się w pobliżu materiału podstawowego. Mikrostruktura strefy wpływu ciepła składa się głównie z równoosiowej fazy α + fazy β + martenzytu α'. Rozkład tych faz nie jest równomierny, większe ziarna znajdują się w strefie gruboziarnistej w pobliżu linii wtopienia. Igłowy martenzyt α' jest stosunkowo większy i gęstszy, natomiast ziarna w strefie drobnoziarnistej w pobliżu materiału bazowego są mniejszy, a igłowy martenzyt α' jest stosunkowo mniejszy, jak pokazano na rysunkach 3f i 3g, dzieje się tak głównie dlatego, że strefa wpływu ciepła oddalona od linii wtopienia jest mniej podatna na wpływ źródła ciepła i ma stosunkowo wolniejsze chłodzenie prędkość i mniej przemian fazy β w martenzyt. Co więcej, czas przebywania w wysokich temperaturach jest stosunkowo krótszy, co zmniejsza zarówno skłonność, jak i kinetykę wzrostu ziarna.

2.2 Rozkład twardości

Rozkład mikrotwardości złącza spawanego laserem MIG stopu tytanu TC4 przedstawiono na rysunku 4. Wyniki badań pokazują, że wartość twardości jest najwyższa w strefie spoiny, a następnie w strefie wpływu ciepła, przy czym strefa materiału podstawowego ma najniższa wartość twardości. Stwierdzono również, że twardość strefy gruboziarnistej w strefie wpływu ciepła jest większa niż twardości strefy drobnoziarnistej. Dzieje się tak dlatego, że w strefie spoiny zachodzi przemiana fazowa martenzytyczna, w wyniku której powstaje duża ilość struktur martenzytycznych. Liczne dyslokacje w obrębie martenzytu odgrywają rolę wzmacniającą. Tymczasem w strefie wpływu ciepła następuje częściowa przemiana martenzytyczna, a ilość martenzytu bliżej strony linii wtopienia jest większa niż po stronie materiału podstawowego.

Rys. 4 Rozkład mikrotwardości złącza ze stopu tytanu TC4 spawanego laserowo MIG hybrydowo

2.3 Właściwości wytrzymałościowe

Wyniki próby rozciągania złącza spawanego laserowo MIG ze stopu tytanu TC4 i kompozytu MIG przedstawiono w Tabeli 3. Wyniki pokazują, że średnia wytrzymałość na rozciąganie złącza spawanego hybrydowego ze stopu tytanu TC4 i MIG wynosi 1069 MPa, średnie wydłużenie po zerwaniu wynosi 5.3%, a wszystkie próbki pękły w obszarze materiału macierzystego w pobliżu strefy wpływu ciepła. W porównaniu z materiałem podstawowym wytrzymałość złącza spawanego na rozciąganie jest większa niż materiału podstawowego, ale jego wydłużenie po zerwaniu jest znacznie mniejsze niż w przypadku materiału podstawowego. materiał bazowy. Mikroskopijną charakterystykę pęknięcia rozciąganej próbki przedstawiono na rysunku 5. Rozciągnięta próbka pękła w miejscu materiału bazowego, co jest związane z najmniejszą wartością twardości w tym obszarze. Ścieżka pęknięcia przebiega pod kątem około 45° do kierunku rozciągania. Morfologia pęknięcia składa się głównie z wgłębień, ale rozmiar i głębokość wgłębień są stosunkowo małe, co wskazuje, że pęknięcie wykazuje głównie cechy pękania plastycznego.

numer	Wytrzymałość na rozciąganie / MPa		Wydłużenie po zerwaniu/%		miejsce złamania
	pojedyncza wartość	Średnia wartość	pojedyncza wartość	Średnia wartość
materiał bazowy	950		12.5		-
T-41#	1 043	1 069	5.1	5.3	Obszar materiału bazowego
T-42#	1 095		5.4		Obszar materiału bazowego