Микроструктура и свойства соединений гибридной лазерной сварки MIG из титанового сплава TC4

0 Предисловие

Титановый сплав TC4 представляет собой типичный двухфазный титановый сплав типа α+β, отличающийся низкой плотностью, высокой удельной прочностью и отличной коррозионной стойкостью. Его превосходные общие характеристики позволяют широко использовать его в различных областях, таких как аэрокосмическая, морская техника, нефтехимическая промышленность и оружейное оборудование. Точка плавления титанового сплава высокая, теплопроводность низкая, модуль упругости низкий, а активность при высоких температурах. сильный. Сварочная обработка может легко привести к снижению пластичности соединения, охрупчиванию соединения и т. д., серьезно влияя на эксплуатационные характеристики соединения из титанового сплава.

В настоящее время для сварки титановых сплавов в основном используются такие методы, как сварка вольфрамовым инертным газом, газовая вольфрамовая дуговая сварка, электронно-лучевая сварка и т. д. лазерная сварка.Сварка в инертном газе вольфрама и дуговая сварка вольфрамом просты в эксплуатации, недороги и гибки. Однако они имеют низкую плотность источника тепла и низкую скорость сварки, что приводит к таким проблемам, как большое тепловложение, сильная деформация и низкая эффективность сварки. Хотя электронно-лучевая сварка может избежать проблемы охрупчивания соединений, поскольку выполняется в вакуумной среде, обеспечивая более высокое качество сварных соединений, его широкое применение затруднено из-за ограничений по размерам свариваемых деталей. Лазерная сварка имеет концентрированную энергию и узкую зону термического влияния и не ограничена размерами деталей. Однако сварной шов имеет плохую устойчивость к зазору и форме канавки, что приводит к высоким требованиям к точности приспособления и приспособления.

Поэтому в данной статье систематически изучаются микроструктура, распределение твердости, свойства растяжения и электрохимические коррозионные свойства гибридного сварного соединения лазерной сварки MIG из титанового сплава TC3 толщиной 4 мм. В нем представлены справочные материалы и уроки по применению технологии гибридной лазерной и MIG-сварки в производстве сварки титановых сплавов.

1 Материалы и методы испытаний

1.1 Тестовые материалы

В эксперименте использовались пластины из титанового сплава ТС4 толщиной 4 мм, обработанные в I-образной канавке, не оставляя зазора в сварном шве. В качестве присадочного материала использовалась сварочная проволока из титанового сплава ТС1.2 толщиной 4 мм. Химический состав экспериментального основного материала и материала наполнителя приведен в таблице 1. сваркаоксидную пленку на поверхности материала титанового сплава удаляли механической шлифовкой, а затем масляные пятна на поверхности титанового сплава удаляли протиранием ацетоном.

Таблица 1. Химический состав основного материала и присадочной проволоки（wt.%）

Материалы	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	Другое
базовый материал	матрица	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
Сварочная проволока	матрица	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 Метод сварки

В эксперименте использовался дисковый лазер TRUMPF TruDisk 16003 с длиной волны 1.06 мкм; в качестве источника питания для дуговой сварки использовался FRONIUS TPS 5000. сварочный аппарат.В процессе сварки использовался метод соединения источника тепла с лазером спереди и дугой сзади. Угол между лазером и испытательной пластиной составлял 85°, а угол между сварочный пистолет и испытательная пластина имела угол 60°. Расстояние между источниками тепла составляло 3 мм. Для предотвращения окисления поверхности сварного шва как задняя, ​​так и передняя часть шва защищаются аргоном высокой чистоты. Расход защитного газа на лицевую сторону шва составляет 50 л/мин, на тыльную сторону шва - 20 л/мин. Схема устройства лазерно-дуговой сварки композитов и устройства защитного газа представлена ​​на рис. Рис. 1. Оптимизированные параметры сварочного процесса представлены в таблице 2.

(а) Сварочные устройства и методы

（b)Устройство защитного газа

Рис. 1. Устройство подачи защитного газа и принципиальная схема гибридной лазерно-МИГ-сварки.

Скорость сварки/(м·мин-1)	Мощность лазера/кВт	Сварочный ток/А	Диаметр пятна/мм	Расфокусировка/мм
2.5	4.0	127	0.6	+2

Таблица 2. Оптимизированные параметры гибридной лазерной и MIG-сварки

1.3 Методы испытаний

С помощью трехмерного видеомикроскопа KEYENCE VHX-1000E наблюдают макроскопическую морфологию и микроскопическую структуру сварного соединения. Распределение твердости сварного соединения измеряют микротвердомером FM-700 с нагрузочной нагрузкой 200 гс и время выдержки 15 секунд. Растягивающие свойства сварного соединения проверялись на электронной универсальной испытательной машине WDW-300E, скорость нагружения при растяжении составляла 2 мм/мин. На электрохимической рабочей станции проверялись поляризационные кривые основного материала и сварных соединений каломелью. электрод и платиновый электрод в качестве электрода сравнения и вспомогательного электрода; с помощью сканирующего электронного микроскопа ZEISS SUPRA55 наблюдайте за микроскопической морфологией излома растянутого образца. Металлографическое положение и положение резки образца, а также размер образца показаны на рисунке 2.

(а) Положения отбора проб металлографических и растяжения образцов

(b) Размеры образца на растяжение

Рис. 2. Схематическое изображение положений отбора проб и размеров образцов, подвергаемых растяжению.

2 Результаты испытаний и анализ

2.1 Макроморфология и микроструктура сварных соединений

Макроскопическая морфология и особенности микроскопической структуры гибридного сварного соединения, сваренного лазером и MIG из титанового сплава TC4, показаны на рисунке 3. Результаты испытаний показывают, что передняя и задняя части сварного шва имеют хорошее качество, без явных дефектов сварки. Поверхность сварного шва выглядит серебристо-белой, как показано на рисунках 3а и 3б. Поперечное сечение сварного шва не имеет явных дефектов, таких как поры, непровары и подрезы, как показано на рисунке 3в. микроскопическая структура основного материала титанового сплава TC4 представляет собой равноосную α-фазу + β-фазу; β-фаза равномерно распределена по границам зерен α-фазы, как показано на рисунке 3d. Микроструктура в центре сварного шва в основном состоит из крупных столбчатых кристаллов β-фазы. Границы зерен столбчатых кристаллов целы и чисты, а внутренняя часть границ зерен содержит переплетенный корзинчатый мелкий α'-мартенсит, как показано на рисунке 3e.

(а) Формирование лицевой стороны сварного шва; (б) Формирование обратной стороны шва; (в) Формирование поперечного сечения шва; (г) Структура основного металла;
(д) Структура центра сварного шва; (е) Структура крупнозернистой зоны зоны термического влияния; (ж) Микроструктура мелкозернистой зоны в зоне термического влияния

Рис. 3. Внешний вид сварного шва и характеристики микроструктуры гибридного сварного соединения, сваренного лазером и MIG, из титанового сплава ТС4.

Это происходит главным образом потому, что в процессе сварки, когда металл сварного шва нагревается выше температуры точки фазового перехода, он быстро остывает. Легирующие элементы не успевают диффундировать, вызывая превращение высокотемпературной β-фазы в α-фазу без достаточного времени для диффузии и, таким образом, приводя к недиффузионному превращению, т. е. образующемуся в результате сдвига α'-мартенситу.Зона термического влияния включает две области: крупнозернистую и мелкозернистую. Крупнозернистая область находится вблизи линии плавления, а мелкозернистая – вблизи основного материала. Микроструктура зоны термического влияния в основном состоит из равноосной α-фазы + β-фазы + α'-мартенсита. Распределение этих фаз неравномерно, с более крупными зернами в крупнозернистой зоне вблизи линии плавления. Игольчатый α'-мартенсит относительно больше и плотнее, тогда как зерна в мелкозернистой зоне вблизи основного материала меньше, а игольчатый α'-мартенсит относительно меньше, как показано на рисунках 3f и 3g, главным образом потому, что зона термического влияния, расположенная далеко от линии плавления, меньше подвержена влиянию источника тепла и имеет относительно более медленное охлаждение. скорость и меньшее количество превращений β-фазы в мартенсит. Более того, время пребывания при высоких температурах относительно короче, что снижает как склонность, так и кинетику роста зерен.

2.2 Распределение твердости

Распределение микротвердости композитного сварного соединения лазерной сварки MIG из титанового сплава TC4 показано на рисунке 4. Результаты испытаний показывают, что значение твердости в зоне сварного шва является самым высоким, за ним следует зона термического влияния, при этом зона основного материала имеет наименьшее значение твердости. Установлено также, что твердость крупнозернистой зоны в зоне термического влияния выше, чем у мелкозернистой зоны. Это связано с тем, что в зоне сварного шва происходит мартенситное фазовое превращение, в результате которого образуется большое количество мартенситных структур. Многочисленные дислокации внутри мартенсита играют упрочняющую роль. При этом в зоне термического влияния происходит частичное мартенситное превращение, причем количество мартенсита ближе к линии сплавления больше, чем со стороны основного материала.

Рис. 4. Распределение микротвердости гибридного сварного соединения из титанового сплава TC4, сваренного лазером и MIG.

2.3 Прочность на растяжение

Результаты испытаний на растяжение композитного сварного соединения лазерной сваркой MIG из титанового сплава TC4 показаны в таблице 3. Результаты показывают, что средний предел прочности гибридного сварного соединения лазерной сварки MIG из титанового сплава TC4 составляет 1069 МПа, среднее удлинение после разрушения составляет По сравнению с основным материалом прочность сварного соединения на разрыв выше, чем у основного материала, но его удлинение после разрушения значительно меньше, чем у основного материала. базовый материал. Микроскопическая характеристика разрушения растянутого образца представлена ​​на рисунке 5.3. Растянутый образец сломался в месте расположения основного материала, что связано с наименьшим значением твердости в этой области. Траектория разрушения составляет примерно 5° к направлению растяжения. Морфология трещины в основном состоит из ямочек, но размер и глубина ямок относительно невелики, что указывает на то, что трещина в основном демонстрирует характеристики пластического разрушения.

номер	Прочность на разрыв / МПа		Удлинение после разрыва/%		место перелома
	единственное значение	Средняя стоимость	единственное значение	Средняя стоимость
базовый материал	950		12.5		-
Т-41#	1 043	1 069	5.1	5.3	Область основного материала
Т-42#	1 095		5.4		Область основного материала