Microestrutura e propriedades de juntas de liga de titânio TC4 soldadas híbridas a laser-MIG

0 Prefácio

A liga de titânio TC4 é uma liga de titânio bifásica típica do tipo α + β com baixa densidade, alta resistência específica e excelente resistência à corrosão. Seu desempenho geral superior o torna amplamente utilizado em vários campos, como aeroespacial, engenharia naval, indústria química de petróleo e equipamentos de armas. O ponto de fusão da liga de titânio é alto, a condutividade térmica é baixa, o módulo de elasticidade é baixo e a atividade em alta temperatura é forte. O processamento de soldagem pode facilmente levar a uma diminuição na plasticidade da junta, fragilização da junta, etc., afetando gravemente o desempenho de serviço da junta de liga de titânio.

Atualmente, a soldagem de liga de titânio utiliza principalmente métodos como soldagem com gás inerte de tungstênio, soldagem a arco de gás de tungstênio, soldagem por feixe de elétrons e soldagem a laserA soldagem com gás inerte de tungstênio e a soldagem a arco com gás de tungstênio são simples de operar, de baixo custo e flexíveis. No entanto, eles têm baixa densidade de fonte de calor e velocidade de soldagem lenta, levando a problemas como grande entrada de calor, deformação severa e baixa eficiência de soldagem. Embora a soldagem por feixe de elétrons possa evitar o problema de fragilização das juntas por ser realizada em um ambiente de vácuo, proporcionando uma maior qualidade de juntas soldadas, sua ampla aplicação é dificultada devido às limitações no tamanho dos componentes de soldagem. A soldagem a laser tem energia concentrada e uma zona estreita afetada pelo calor, e não é limitada pelo tamanho dos componentes. No entanto, a costura de solda tem pouca tolerância à folga e ao formato da ranhura, resultando em requisitos de alta precisão para o gabarito e o acessório.

Portanto, este artigo estuda sistematicamente a microestrutura, distribuição de dureza, propriedades de tração e propriedades de corrosão eletroquímica da junta soldada híbrida laser-MIG de liga de titânio TC3 com 4 mm de espessura. Ele fornece referências e lições para a aplicação da tecnologia de soldagem híbrida laser-MIG na fabricação de soldagem de ligas de titânio.

1 Materiais e métodos de teste

1.1 Materiais de teste

O experimento utilizou placas de liga de titânio TC4 com 4 mm de espessura, processadas em ranhura em forma de I, sem deixar folga na costura de solda. O material de enchimento utilizado foi fio de solda de liga de titânio TC1.2 de 4 mm. A composição química do material de base experimental e do material de enchimento é mostrada na Tabela 1. Antes soldagem, a película de óxido na superfície do material da liga de titânio foi removida por moagem mecânica e, em seguida, as manchas de óleo na superfície da liga de titânio foram removidas esfregando com acetona.

Tabela 1 Composição química do material base e fio de enchimento（wt.%）

1.2 Método de soldagem

O experimento utilizou um disco laser TRUMPF TruDisk 16003, com comprimento de onda de 1.06 μm; a fonte de alimentação para soldagem a arco utilizou um FRONIUS TPS 5000 máquina de solda.O processo de soldagem utilizou um método de acoplamento de fonte de calor com o laser na frente e o arco atrás. O ângulo entre o laser e a placa de teste foi de 85°, e o ângulo entre o pistola de soldagem e a placa de teste estava em 60°. A distância entre as fontes de calor foi de 3 mm. Para evitar a oxidação da superfície da solda, tanto a parte posterior quanto a frontal da solda são protegidas com gás argônio de alta pureza. A vazão do gás de proteção na parte frontal da solda é de 50 L/min e na parte traseira da solda é de 20 L/min. O esquema da soldagem composta a arco laser e do dispositivo de gás de proteção é mostrado em Figura 1. Os parâmetros otimizados do processo de soldagem são mostrados na Tabela 2.

(a) Dispositivos e métodos de soldagem

（b) Dispositivo de gás protetor

Fig. 1 Dispositivo de gás de proteção e diagrama esquemático da soldagem híbrida laser-MIG

Tabela 2 Parâmetros de soldagem híbrida laser-MIG otimizada

1.3 métodos de teste

Usando o microscópio de vídeo tridimensional KEYENCE VHX-1000E para observar a morfologia macroscópica e a estrutura microscópica da junta soldada; A distribuição de dureza da junta soldada é medida pelo testador de microdureza FM-700 com uma carga de carga de 200 gf e um tempo de retenção de 15 segundos. As propriedades de tração da junta soldada foram testadas com a máquina de teste universal eletrônica WDW-300E, e a velocidade de carregamento de tração foi de 2 mm/min. Usando uma estação de trabalho eletroquímica, as curvas de polarização do material de base e das juntas soldadas são testadas com um calomelano eletrodo e um eletrodo de platina como eletrodo de referência e eletrodo auxiliar; Usando o microscópio eletrônico de varredura ZEISS SUPRA55, observe a morfologia microscópica da fratura da amostra de tração. A posição metalográfica e de corte da amostra de tração e o tamanho da amostra de tração são mostrados na Figura 2.

(a) Posições de amostragem de amostras metalográficas e de tração

(b) Dimensões da amostra de tração

Fig. 2 Diagramas esquemáticos das posições de amostragem e tamanho da amostra de tração

2 Resultados e análises de teste

2.1 Macromorfologia e microestrutura de juntas soldadas

A morfologia macroscópica e as características da estrutura microscópica da junta soldada híbrida laser-MIG de liga de titânio TC4 são mostradas na Figura 3. Os resultados do teste mostram que a frente e a parte traseira da solda formam boa qualidade, sem defeitos de soldagem óbvios. A superfície da solda parece ser branco-prateada, conforme mostrado na Figura 3a e 3b; A seção transversal da solda não apresenta defeitos óbvios, como poros, não fusão e rebaixo, conforme mostrado na Figura 3c. a estrutura microscópica do material base da liga de titânio TC4 é fase α equiaxial + fase β; a fase β é distribuída uniformemente em torno dos limites de grão da fase α, como mostrado na Figura 3d. A microestrutura no centro da solda é composta principalmente por grandes cristais colunares da fase β. Os limites de grão dos cristais colunares estão intactos e claros, e o interior dos limites de grão contém martensita α' fina em forma de cesta entrelaçada, como mostrado na Figura 3e.

(a) Formação da parte frontal da solda; (b) Formação do verso da solda; (c) Formação da seção transversal da solda; (d) Estrutura do metal base;
(e) Estrutura do centro da solda; (f) Estrutura da área de granulação grossa da zona afetada pelo calor; (g) Microestrutura da zona de granulação fina na zona afetada pelo calor

Fig. 3 Aparências soldadas e características microestruturais da junta soldada híbrida laser-MIG da liga de titânio TC4

Isto ocorre principalmente porque durante o processo de soldagem, quando o metal de solda é aquecido acima da temperatura do ponto de transição de fase, ele esfria rapidamente. Os elementos de liga não têm tempo para se difundir, fazendo com que a fase β de alta temperatura se transforme na fase α sem tempo suficiente para difusão, e assim levando à transformação não difusiva, ou seja, à martensita α' gerada por cisalhamento.A zona afetada pelo calor inclui duas áreas: a área de granulação grossa e a área de granulação fina. A área de granulação grossa está perto da linha de fusão, enquanto a área de granulação fina está perto do material de base. A microestrutura da zona afetada pelo calor consiste principalmente em fase α equiaxal + fase β + martensita α'. A distribuição dessas fases não é uniforme, com grãos maiores na zona de granulação grossa perto da linha de fusão. A martensita α' em forma de agulha é relativamente mais e mais densa, enquanto os grãos na zona de granulação fina perto do material de base são menor e a martensita α' em forma de agulha é relativamente menor, como mostrado na Figura 3f e Figura 3g, isso ocorre principalmente porque a zona afetada pelo calor longe da linha de fusão é menos afetada pela fonte de calor, tem um resfriamento relativamente mais lento velocidade e menos transformações de fase β em martensita. Além disso, há um tempo de permanência relativamente mais curto em altas temperaturas, diminuindo tanto a propensão quanto a cinética para o crescimento dos grãos.

2.2 Distribuição de dureza

A distribuição de microdureza da junta de solda composta laser-MIG de liga de titânio TC4 é mostrada na Figura 4. Os resultados do teste mostram que o valor de dureza na zona de solda é o mais alto, seguido pela zona afetada pelo calor, com a zona do material de base tendo o menor valor de dureza. Verificou-se também que a dureza da zona de grão grosso na zona afetada pelo calor é superior à da zona de grão fino. Isso ocorre porque ocorre uma transformação de fase martensítica na zona de solda, resultando em uma grande quantidade de estruturas martensíticas. As numerosas deslocações dentro da martensita desempenham um papel fortalecedor. Enquanto isso, ocorre uma transformação martensítica parcial na zona afetada pelo calor, e a quantidade de martensita mais próxima do lado da linha de fusão é maior do que aquela no lado do material de base.

Fig. 4 Distribuição de microdureza da junta de liga de titânio TC4 soldada híbrida a laser-MIG

2.3 Propriedades de tração

Os resultados do teste de tração da junta soldada composta a laser-MIG de liga de titânio TC4 são mostrados na Tabela 3. Os resultados mostram que a resistência à tração média da junta soldada híbrida a laser-MIG de liga de titânio TC4 é de 1069 MPa, o alongamento médio após a fratura é 5.3%, e todas as amostras quebraram na área do material original perto da zona afetada pelo calor. Em comparação com o material de base, a resistência à tração da junta soldada é maior do que o material de base, mas seu alongamento após a fratura é significativamente menor do que o material base. A característica microscópica da fratura da amostra de tração é mostrada na Figura 5. A amostra de tração quebrou no local do material de base, o que está relacionado ao menor valor de dureza nesta área. O caminho da fratura é de aproximadamente 45° em relação à direção da tensão. A morfologia da fratura é composta principalmente por covinhas, mas o tamanho e a profundidade das covinhas são relativamente pequenos, indicando que a fratura apresenta principalmente características de fratura plástica.