Lazer-MIG Hibrit Kaynaklı TC4 Titanyum Alaşımlı Bağlantıların Mikro Yapısı ve Özellikleri

0 Önsöz

TC4 Titanyum alaşımı, düşük yoğunluklu, yüksek spesifik mukavemetli ve mükemmel korozyon direncine sahip tipik bir α+β tipi çift fazlı titanyum alaşımıdır. Üstün genel performansı, havacılık, deniz mühendisliği, petrol kimya endüstrisi ve silah ekipmanları gibi çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmasını sağlar. Titanyum alaşımının erime noktası yüksek, termal iletkenlik düşük, elastik modül düşük ve yüksek sıcaklık aktivitesidir. güçlüdür. Kaynak işlemi kolaylıkla bağlantı plastisitesinde, bağlantı gevrekliğinde vb. azalmaya neden olabilir ve bu da titanyum alaşımlı bağlantının servis performansını ciddi şekilde etkileyebilir.

Şu anda, titanyum alaşımlı kaynak esas olarak tungsten inert gaz kaynağı, gaz tungsten ark kaynağı, elektron ışın kaynağı ve Lazer kaynak.Tungsten inert gaz kaynağı ve gaz tungsten ark kaynağının kullanımı basit, maliyeti düşük ve esnektir. Bununla birlikte, düşük ısı kaynağı yoğunluğuna ve yavaş kaynak hızına sahip olmaları, büyük ısı girdisi, şiddetli deformasyon ve düşük kaynak verimliliği gibi sorunlara yol açmaktadır. Her ne kadar elektron ışın kaynağı, vakum ortamında gerçekleştirilerek bağlantı gevrekleşmesi sorununu önleyebilse de, Kaynaklı bağlantıların daha yüksek kalitede olmasını sağlamak, kaynak bileşenlerinin boyutundaki sınırlamalar nedeniyle yaygın uygulaması engellenmektedir. Lazer kaynağı, konsantre enerjiye ve dar bir ısıdan etkilenen bölgeye sahiptir ve bileşenlerin boyutuyla sınırlı değildir. Bununla birlikte, kaynak dikişinin oluğun boşluğuna ve şekline karşı zayıf toleransı vardır, bu da mastar ve fikstür için yüksek hassasiyet gerekliliklerine yol açar.

Bu nedenle, bu makale 3 mm kalınlığındaki TC4 titanyum alaşımlı lazer-MIG hibrit kaynaklı bağlantının mikro yapısını, sertlik dağılımını, çekme özelliklerini ve elektrokimyasal korozyon özelliklerini sistematik olarak incelemektedir. Titanyum alaşımlı kaynak imalatında lazer-MIG hibrit kaynak teknolojisinin uygulanmasına yönelik referans ve dersler sağlar.

1 Test malzemeleri ve yöntemleri

1.1 Test malzemeleri

Deneyde, kaynak dikişinde boşluk bırakılmadan I şeklinde bir oyukta işlenmiş 4 mm kalınlığında TC4 titanyum alaşımlı plakalar kullanıldı. Dolgu malzemesi olarak 1.2 mm TC4 titanyum alaşımlı kaynak teli kullanıldı. Deneysel temel malzeme ve dolgu malzemesinin kimyasal bileşimi Tablo 1'de gösterilmektedir. kaynakTitanyum alaşımlı malzemenin yüzeyindeki oksit filmi mekanik taşlama ile uzaklaştırılmış, daha sonra titanyum alaşımı yüzeyindeki yağ lekeleri asetonla silinerek giderilmiştir.

Tablo 1 Ana malzeme ve dolgu telinin kimyasal bileşimi（wt.%）

Malzeme	Ti	Al	V	Fe	N	C	O	H	Diğer
Temel malzeme	matris	6.09	4.05	0.115	0.002	0.001	0.102	0.002	<0.30
Kaynak teli	matris	6.24	4.07	0.048	0.011	0.006	0.085	0.0012	<0.40

1.2 Kaynak yöntemi

Deneyde dalga boyu 16003 μm olan TRUMPF TruDisk 1.06 disk lazer kullanıldı; ark kaynağı güç kaynağında FRONIUS TPS 5000 kullanıldı kaynak makinesi.Kaynak işleminde, lazerin önde ve arkın arkada olduğu bir ısı kaynağı bağlama yöntemi kullanıldı. Lazer ile test plakası arasındaki açı 85° idi ve lazer ile test plakası arasındaki açı kaynak tabancası ve test plakası 60° idi. Isı kaynakları arasındaki mesafe 3 mm idi. Kaynak yüzeyinin oksidasyonunu önlemek için kaynağın hem arkası hem de önü yüksek saflıkta argon gazı ile korunmaktadır. Kaynağın ön tarafındaki koruyucu gazın akış hızı 50 L/dk, kaynağın arka tarafındaki ise 20 L/dk'dır. Lazer ark kompozit kaynağının ve koruyucu gaz cihazının şeması şekilde gösterilmiştir. Şekil 1. Optimize edilmiş kaynak işlemi parametreleri Tablo 2'de gösterilmektedir.

(a)Kaynak cihazları ve yöntemleri

(b)Koruyucu gaz cihazı

Şekil 1 Koruyucu gaz cihazı ve lazer-MIG hibrit kaynağının şematik diyagramı

Kaynak hızı/(m·dak-1)	Lazer gücü/kW	Kaynak akımı/A	Nokta çapı/mm	Odaklanma/mm
2.5	4.0	127	0.6	+2

Tablo 2 Optimize edilmiş lazer-MIG hibrit kaynak parametreleri

1.3 Test yöntemleri

Kaynaklı bağlantının makroskopik morfolojisini ve mikroskobik yapısını gözlemlemek için KEYENCE VHX-1000E üç boyutlu video mikroskobu kullanılarak; Kaynaklı bağlantının sertlik dağılımı, 700 gf yükleme yükü ve FM-200 mikro sertlik test cihazı ile ölçülür. 15 saniye tutma süresi. Kaynaklı bağlantının çekme özellikleri, WDW-300E elektronik üniversal test makinesi ile test edildi ve çekme yükleme hızı 2 mm/dak oldu. Bir elektrokimyasal iş istasyonu kullanılarak, temel malzemenin ve kaynaklı bağlantıların polarizasyon eğrileri bir kalomel ile test edildi referans elektrot ve yardımcı elektrot olarak elektrot ve bir platin elektrot; ZEISS SUPRA55 taramalı elektron mikroskobunu kullanarak, çekme numunesinin kırılmasının mikroskobik morfolojisini gözlemleyin. Çekme numunesinin metalografik ve kesme konumu ve çekme numunesinin boyutu Şekil 2'de gösterilmektedir.

(a)Metalografik ve çekme numunelerinin numune alma konumları

(b)Çekme numunesi boyutları

Şekil 2 Numune alma konumlarının ve çekme numunesi boyutunun şematik diyagramları

2 Test sonuçları ve analizi

2.1 Kaynaklı bağlantıların makromorfolojisi ve mikro yapısı

TC4 titanyum alaşımlı lazer-MIG hibrit kaynaklı bağlantının makroskopik morfolojisi ve mikroskobik yapı özellikleri Şekil 3'te gösterilmektedir. Test sonuçları, kaynağın ön ve arka tarafının belirgin kaynak kusurları olmadan iyi kalitede oluştuğunu göstermektedir. Kaynağın yüzeyi, Şekil 3a ve 3b'de gösterildiği gibi gümüş-beyaz görünmektedir; Kaynağın kesiti, Şekil 3c'de gösterildiği gibi gözenekler, erimeme ve alttan kesik gibi belirgin kusurlara sahip değildir. TC4 titanyum alaşımlı baz malzemenin mikroskobik yapısı eş eksenli α fazı + β fazıdır; β fazı, Şekil 3d'de gösterildiği gibi α fazı tane sınırları çevresinde eşit olarak dağıtılır. Kaynağın merkezindeki mikro yapı esas olarak büyük β fazı sütunlu kristallerden oluşur. Sütun şeklindeki kristallerin tane sınırları sağlam ve açıktır ve Şekil 3e'de gösterildiği gibi tane sınırlarının iç kısmı iç içe geçmiş sepet benzeri ince α' martensit içerir.

(a) Kaynağın ön tarafının oluşturulması; (b) Kaynağın arka tarafının oluşturulması; (c) Kaynağın enine kesitinin oluşturulması; (d) Ana metalin yapısı;
(e) Kaynağın merkezinin yapısı; (f) Isıdan etkilenen bölgedeki iri taneli bölgenin yapısı;(g) Isıdan etkilenen bölgedeki ince taneli bölgenin mikro yapısı

Şekil 3 TC4 titanyum alaşımının lazer-MIG hibrit kaynaklı bağlantısının kaynaklı görünümleri ve mikroyapı özellikleri

Bunun temel nedeni kaynak işlemi sırasında kaynak metalinin faz geçiş noktası sıcaklığının üzerine ısıtıldığında hızla soğumasıdır. Alaşım elementlerinin difüzyon için zamanı yoktur, bu da yüksek sıcaklıktaki β fazının difüzyon için yeterli zaman olmadan a fazına dönüşmesine neden olur ve dolayısıyla yayılmayan dönüşüme, yani kesmeyle oluşturulan a' martenzite yol açar.Isıdan etkilenen bölge iki alanı içerir: kaba taneli alan ve ince taneli alan. İri taneli alan füzyon hattına yakın, ince taneli alan ise temel malzemeye yakındır. Isıdan etkilenen bölgenin mikro yapısı esas olarak eş eksenli α fazı + β fazı + α' martenzitten oluşur. Bu fazların dağılımı düzgün değildir; füzyon hattı yakınındaki iri taneli bölgede daha büyük taneler vardır. İğne benzeri α' martensit nispeten daha fazla ve yoğundur, temel malzemeye yakın ince taneli bölgedeki taneler ise daha yoğundur. Şekil 3f ve Şekil 3g'de gösterildiği gibi daha küçüktür ve iğne benzeri α' martensit nispeten daha azdır; bunun temel nedeni, füzyon hattından uzaktaki ısıdan etkilenen bölgenin ısı kaynağından daha az etkilenmesi ve nispeten daha yavaş soğumasına sahip olmasıdır. hız ve martenzite daha az β faz dönüşümü. Üstelik, yüksek sıcaklıklarda nispeten daha kısa bekleme süresi vardır, bu da tane büyümesine yönelik hem eğilimi hem de kinetiği azaltır.

2.2 Sertlik dağılımı

TC4 titanyum alaşımlı lazer-MIG kompozit kaynak bağlantısının mikrosertlik dağılımı Şekil 4'te gösterilmektedir. Test sonuçları, kaynak bölgesindeki sertlik değerinin en yüksek olduğunu, bunu ısıdan etkilenen bölgenin izlediğini ve ana malzeme bölgesinin ise en yüksek olduğunu göstermektedir. En düşük sertlik değeri. Ayrıca ısıdan etkilenen bölgedeki iri taneli bölgenin sertliğinin ince taneli bölgeye göre daha yüksek olduğu da bulunmuştur. Bunun nedeni, kaynak bölgesinde martensitik faz dönüşümünün meydana gelmesi ve bunun sonucunda büyük miktarda martenzitik yapılar oluşmasıdır. Martensit içerisindeki çok sayıda dislokasyon güçlendirici bir rol oynamaktadır. Bu arada, ısıdan etkilenen bölgede kısmi bir martensitik dönüşüm meydana gelir ve füzyon hattı tarafına yakın martenzit miktarı, ana malzeme tarafındaki martenzit miktarından daha fazladır.

Şekil 4 Lazer-MIG hibrit kaynaklı TC4 titanyum alaşımlı bağlantının mikrosertlik dağılımı

2.3 Çekme özellikleri

TC4 titanyum alaşımlı lazer-MIG kompozit kaynaklı bağlantının çekme testi sonuçları Tablo 3'te gösterilmektedir. Sonuçlar, TC4 titanyum alaşımlı lazer-MIG hibrit kaynaklı bağlantının ortalama çekme mukavemetinin 1069 MPa olduğunu, kırılma sonrası ortalama uzamanın ise 5.3 MPa olduğunu göstermektedir. % 5 ve numunelerin tümü, ısıdan etkilenen bölgeye yakın ana malzeme alanında kırılmıştır. Taban malzemesiyle karşılaştırıldığında, kaynaklı bağlantının çekme mukavemeti, temel malzemeden daha yüksektir, ancak kırılma sonrası uzaması, ana malzemeye göre önemli ölçüde daha düşüktür. Temel malzeme. Çekme numunesinin kırılmasının mikroskobik özelliği Şekil 45'te gösterilmektedir. Çekme numunesi bu bölgedeki en düşük sertlik değeriyle ilgili olan taban malzemesinin bulunduğu yerde kırılmıştır. Kırılma yolu gerilim yönüne yaklaşık XNUMX°'dir. Kırılma morfolojisi temel olarak çukurlardan oluşur, ancak çukurların boyutu ve derinliği nispeten küçüktür, bu da kırığın esas olarak plastik kırılma özellikleri gösterdiğini gösterir.

numara	Çekme dayanımı / MPa		Kopma sonrası uzama/%		kırık yeri
	tek değer	ortalama değer	tek değer	ortalama değer
Temel malzeme	950		12.5		-
T-41#	1 043	1 069	5.1	5.3	Temel malzeme alanı
T-42#	1 095		5.4		Temel malzeme alanı