Мікроструктура та властивості гібридних зварних з'єднань із титанового сплаву TC4, зварених лазером-MIG Україна

0 Передмова

Титановий сплав TC4 — типовий двофазний титановий сплав типу α+β, який має низьку щільність, високу питому міцність і чудову стійкість до корозії. Його чудова загальна продуктивність робить його широко використовуваним у різних галузях, таких як аерокосмічна, морська техніка, нафтохімічна промисловість та збройове обладнання. Точка плавлення титанового сплаву висока, теплопровідність низька, модуль пружності низький і високотемпературна активність є сильним. Зварювальна обробка може легко призвести до зниження пластичності з’єднання, крихкості з’єднання тощо, серйозно вплинувши на робочі характеристики з’єднання з титанового сплаву.

В даний час при зварюванні титанових сплавів в основному використовуються такі методи, як зварювання інертним газом вольфраму, дугове зварювання вольфрамовим газом, електронно-променеве зварювання та зварювання лазеромЗварювання в інертному газі вольфраму та газове дугове зварювання вольфраму прості в експлуатації, низькі витрати та гнучкість. Однак вони мають низьку щільність джерела тепла та повільну швидкість зварювання, що призводить до таких проблем, як велике підведення тепла, сильна деформація та низька ефективність зварювання. Хоча зварювання електронним променем може уникнути проблеми окрихчення з’єднань, якщо воно виконується у вакуумному середовищі, Забезпечуючи більш високу якість зварних з'єднань, її широке застосування утруднене через обмеження розмірів зварювальних деталей. Лазерне зварювання має концентровану енергію і вузьку зону теплового впливу, і вона не обмежена розмірами деталей. Однак зварювальний шов має низьку толерантність до зазору та форми канавки, що призводить до високих вимог до точності зажимного пристрою та кріплення.

Таким чином, у цій статті систематично вивчаються мікроструктура, розподіл твердості, властивості розтягування та електрохімічні корозійні властивості гібридного зварного з’єднання з титанового сплаву TC3 товщиною 4 мм лазера MIG. Він надає довідкові матеріали та уроки щодо застосування технології гібридного зварювання лазером і MIG у зварювальному виробництві титанових сплавів.

1 Тестові матеріали та методи

1.1 Контрольні матеріали

В експерименті використовувалися пластини з титанового сплаву TC4 товщиною 4 мм, оброблені в I-подібній канавці, без зазору в зварному шві. В якості наповнювача використовувався зварювальний дріт з титанового сплаву TC1.2 4 мм. Хімічний склад дослідного основного матеріалу та наповнювача наведено в таблиці 1. Перед зварювання, оксидну плівку на поверхні матеріалу титанового сплаву видаляли механічним шліфуванням, а потім масляні плями на поверхні титанового сплаву видаляли протиранням ацетоном.

Таблиця 1. Хімічний склад основного матеріалу та присадкового дроту（wt.%）

1.2 Спосіб зварювання

В експерименті використовувався дисковий лазер TRUMPF TruDisk 16003 з довжиною хвилі 1.06 мкм; джерело живлення для дугового зварювання використовував FRONIUS TPS 5000 зварювальний апарат.У процесі зварювання використовувався метод сполучення джерела тепла з лазером спереду та дугою ззаду. Кут між лазером і тестовою пластиною становив 85°, а кут між зварювальний пістолет і тестова плита становила 60°. Відстань між джерелами тепла становила 3 ​​мм. Щоб запобігти окисленню поверхні зварного шва, як задня, так і передня частини зварного шва захищені аргоном високої чистоти. Витрата захисного газу на лицьовій стороні шва становить 50 л/хв, а на тильній стороні зварного шва — 20 л/хв. Рисунок 1. Параметри оптимізованого процесу зварювання наведені в таблиці 2.

(a) Зварювальні пристрої та методи

（b) Пристрій захисного газу

Рис. 1 Пристрій захисного газу та принципова схема гібридного лазерного зварювання MIG

Таблиця 2 Оптимізовані параметри гібридного лазерного зварювання MIG

1.3 Методи випробування

Використання тривимірного відеомікроскопа KEYENCE VHX-1000E для спостереження за макроскопічною морфологією та мікроскопічною структурою зварного з’єднання; Розподіл твердості зварного з’єднання вимірюється мікротвердоміром FM-700 з навантаженням 200 gf і a час витримки 15 секунд. Властивості на розтяг зварного з’єднання перевіряли на електронній універсальній випробувальній машині WDW-300E, швидкість навантаження на розтяг становила 2 мм/хв. За допомогою електрохімічної робочої станції поляризаційні криві основного матеріалу та зварних з’єднань перевіряють каломелем. електрод і платиновий електрод як електрод порівняння та допоміжний електрод; за допомогою скануючого електронного мікроскопа ZEISS SUPRA55 спостерігайте за мікроскопічною морфологією руйнування зразка на розтяг. Металографічне положення та положення різання зразка, що розтягується, і розмір зразка, що розтягується, показані на малюнку 2.

(a) Позиції відбору металографічних зразків і зразків на розтяг

(b) Розміри зразка на розтяг

Рис. 2. Схематичні діаграми позицій відбору зразків і розміру зразка на розтяг

2 Результати випробувань та аналіз

2.1 Макроморфологія і мікроструктура зварних з'єднань

Характеристики макроскопічної морфології та мікроскопічної структури гібридного зварного з’єднання лазера та MIG із титанового сплаву TC4 показано на малюнку 3. Результати випробувань показують, що передня та задня сторони зварного шва мають хорошу якість, без явних дефектів зварювання. Поверхня зварного шва виглядає сріблясто-білою, як показано на малюнках 3a і 3b; поперечний переріз зварного шва не має явних дефектів, таких як пори, несплавлення та підрізи, як показано на малюнку 3c. мікроскопічна структура основного матеріалу з титанового сплаву TC4 є рівновісною α-фазою + β-фазою; β-фаза рівномірно розподілена навколо меж зерен α-фази, як показано на малюнку 3d. Мікроструктура в центрі зварного шва в основному складається з великих стовпчастих кристалів β-фази. Межі зерен стовпчастих кристалів неушкоджені та чіткі, а внутрішня частина меж зерен містить переплетений кошиковий дрібний α'-мартенсит, як показано на малюнку 3e.

(a) Формування лицьової сторони зварного шва; (b) Формування тильної сторони зварного шва; (c) Формування поперечного перерізу зварного шва; (d) Структура основного металу;
(e) структура центру зварного шва; (f) Структура крупнозернистої зони зони термічного впливу; (g) Мікроструктура дрібнозернистої зони в зоні термічного впливу

Рис. 3 Зовнішній вигляд зварного шва та характеристики мікроструктури гібридного лазерно-MIG зварного з’єднання титанового сплаву TC4

Це головним чином тому, що під час процесу зварювання, коли метал шва нагрівається вище температури фазового переходу, він швидко охолоджується. Легуючі елементи не встигають дифундувати, внаслідок чого високотемпературна β-фаза перетворюється на α-фазу без достатнього часу для дифузії, що призводить до недифузійного перетворення, тобто α'-мартенситу, що утворюється під час зсуву.Зона термічного впливу включає дві ділянки: крупнозернисту і дрібнозернисту. Грубозерниста зона знаходиться поблизу лінії плавлення, тоді як дрібнозерниста область знаходиться поблизу основного матеріалу. Мікроструктура зони термічного впливу в основному складається з рівновісної α-фази + β-фази + α' мартенситу. Розподіл цих фаз нерівномірний, з більшими зернами в крупнозернистій зоні поблизу лінії плавлення. Голчастий α'-мартенсит є відносно більшим і щільнішим, тоді як зерна в дрібнозернистій зоні поблизу основного матеріалу є менше, а голчастий α'-мартенсит порівняно менший, як показано на рисунку 3f і малюнку 3g，це головним чином тому, що зона термічного впливу, розташована далеко від лінії плавлення, менше піддається впливу джерела тепла, має відносно повільніше охолодження швидкість і менше перетворень β-фази в мартенсит. Крім того, існує відносно коротший час витримки при високих температурах, що знижує як схильність, так і кінетику росту зерен.

2.2 Розподіл твердості

Розподіл мікротвердості зварного з’єднання з титанового сплаву TC4, виготовленого лазером MIG, показано на малюнку 4. Результати випробувань показують, що значення твердості в зоні зварювання є найвищим, за нею йде зона термічного впливу, причому зона основного матеріалу має найнижче значення твердості. Також було виявлено, що твердість крупнозернистої зони в зоні термічного впливу вища, ніж дрібнозернистої зони. Це пояснюється тим, що в зоні зварного шва відбувається мартенситне фазове перетворення, що призводить до великої кількості мартенситних структур. Численні дислокації в мартенситі відіграють зміцнюючу роль. Тим часом у зоні термічного впливу відбувається часткове мартенситне перетворення, і кількість мартенситу ближче до лінії плавлення є більшою, ніж на стороні основного матеріалу.

Рис. 4. Розподіл мікротвердості гібридного зварного з’єднання титанового сплаву TC4 лазерно-MIG

2.3 Властивості на розтяг

Результати випробування на розтяг композитного зварного з’єднання з лазером MIG з титанового сплаву TC4 наведені в таблиці 3. Результати показують, що середня міцність на розрив зварного з’єднання з лазером MIG з титанового сплаву TC4 становить 1069 МПа, середнє подовження після розриву становить 5.3%, і всі зразки зламалися в області основного матеріалу поблизу зони термічного впливу. У порівнянні з основним матеріалом міцність на розрив зварного з’єднання вища, ніж у основного матеріалу, але його подовження після руйнування значно нижче, ніж у основний матеріал. Мікроскопічна характеристика руйнування зразка на розтяг показана на малюнку 5. Зразок на розтяг зламався в місці основного матеріалу, що пов’язано з найнижчим значенням твердості в цій області. Шлях руйнування становить приблизно 45° до напрямку натягу. Морфологія перелому в основному складається з ямок, але розмір і глибина ямок відносно малі, що вказує на те, що перелом в основному демонструє характеристики пластичного руйнування.