1、2023年 第5期 热加工57焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n gTA1薄钛板氩弧焊接头显微组织和力学性能分析陈元园1，2，冯庆1，2，张乐1，2，王超1，2，李梦媛1，2，沈楚1，2，王思琦1，2，韩坤炎1，21.西安泰金新能科技股份有限公司 陕西西安 7102012.西北有色金属研究院 陕西西安 710201摘要：采用氩弧焊焊接厚度为10mm的TA1钛板，对焊接接头显微组织与力学性能进行分析。结果表明：在该焊接工艺下，焊缝（WZ）的宽度为12mm，组织主要由等轴晶内部针状马氏体少量马氏体构成，白色热影响区（HAZ1）的宽度约为6mm，组织主要由板条状晶粒构成，浅
2、蓝色热影响区（HAZ2）的宽度约为10mm，组织主要由等轴晶粒构成；焊缝晶粒尺寸最大为390m，焊缝硬度曲线呈倒V形，最高为186HV；焊缝电阻率比母材高；焊缝与母材在0.5mol/L的H2SO4溶液中腐蚀电位Ecorr分别为0.164V和0.125V、腐蚀电流密度Icorr分别为28.5A/cm2 和12.9A/cm2、极化电阻Rp分别为2994cm2和11729cm2、极化电阻RpI分别为218.1cm2和916.2cm2；焊缝中心残余应力最大，横向残余应力和纵向残余应力分别达到450MPa和240MPa。关键词：氩弧焊；钛合金；显微组织；力学性能1 序言TA1钛板作为工业纯钛板，具有较高
3、的力学性能、优良的冲压性能，对碱、氯化物、酸等有优良的抗腐蚀能力，一般被应用于飞机骨架及蒙皮、发动机附件，以及船舶用耐海水腐蚀管道、阀门等1-3，同时也可进行各种形式的焊接，焊接接头强度可达基体金属强度的90%，且切削加工性能良好。本试验采用氩弧焊焊接厚度为10mm的TA1钛板，通过对TA1氩弧焊焊接接头进行显微组织和性能分析，可为科学工作者在相关方面开展研究提供参考。2 试验2.1 试验材料所用晶粒粒度为56级的TA1板材，由宝鸡钛业股份有限公司板带厂提供，其规格为10mm厚的薄板，采用V形坡口进行对接焊接，母材和焊丝化学成分见表1，氩弧焊焊接参数见表2。表1母材和焊丝化学成分（质量分数）（
4、%）元素CMnSiHSAlOFeNiMoTi母材 0.05 0.03 0.08 0.003 0.06 0.08 0.02 0.12 0.24 0.35 Bal焊丝 0.04 0.02 0.060.08 0.18 0.32 Bal表2氩弧焊焊接参数焊接速度/（mm/min）焊接电流/A电弧电压/V热输入/（kJ/cm）氩气流量/（L/min）14015020255.21162.2 金相组织观察分别采用240#、600#、1200#、2000#砂纸对试样进行打磨处理和机械抛光后，用金相腐蚀液腐蚀样品10s，腐蚀液组成为HFHNO3H2O1250（体积比），利用 OLYMPUS PMG3倒置式金相显
5、微镜观察微观组织形貌，利用Nano Measurer 1.2软件对晶粒尺寸进行统计。2.3 硬度检测由 于 焊 件 尺 寸 太 大，因 此 将 焊 件 切 割 成60mm10mm10mm的样品。采用上海敏新检第一作者：陈元园，硕士，主要研究方向为钛、铜等金属焊接和金属材料热处理，E-mail：。通信作者：冯庆，高级工程师，主要从事企业管理工作，E-mail：taijinc-。2023年 第5期 热加工58焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g测仪仪器有限公司生产的MHV-50显微维氏硬度计对样品进行硬度检测。检测之前，对检测面（60mm10mm）经240#、600#、
6、1200#、2000#砂纸打磨处理，然后通过机械抛光获得光亮表面，选取每个试样中心作为参考坐标原点，在此进行33阵列的取点测试，显微硬度测试载荷为500gf（4.9N），保压时间为10s。2.4 电阻率检测采用240#、600#、1200#、2000#砂纸对试样进行打磨处理和机械抛光后，利用Sigma2008B涡流金属电导仪，对焊缝、热影响区、母材进行电阻率检测，对每个位置测量5次，再取平均值作为该位置电阻率。2.5 腐蚀性检测采用线切割将焊缝和母材切割成6mm10mm1mm的小样，对其进行打磨抛光清洗后，利用上海辰华仪器有限公司提供的CHI660c电化学工作站动电位极化曲线（Tafel曲线）
7、和电化学阻抗谱（EIS）测定TA1钛板焊缝与母材在0.5mol/L的H2SO4溶液中的耐腐蚀性能。2.6 应力检测采用济南西格马科技有限公司提供的RSD-1残余应力打孔装置，检测TA2氩弧焊接头不同区域的残余应力。具体步骤是将待测部位进行打磨抛光后用丙酮和酒精清洗，采用直径为1.5mm的钻头，在应变片中心处打出深度为2mm的盲孔进行应力检测。3 结果与分析3.1 宏观组织和金相组织TA1薄钛板氩弧焊接头如图1所示。将焊接接头划分出焊缝（WZ）、熔合区（FZ）、热影响区（HAZ）、母材（BM）共4个区域。由于热影响区的划分比较复杂，因此从焊接接头外观形貌上主要划分为两个区域（见图1），其中HAZ
8、1代表距焊缝最近的白色热影响区，HAZ2代表距母材较近的浅蓝色热影响区。从图1可看出，焊缝的宽度约为12mm，白色热影响区（HAZ1）的宽度约为6mm，浅蓝色热影响区（HAZ2）的宽度约为10mm。为了便于研究该焊接接头的显微组织，特选取一些具有代表性位置（用AI表示）的显微组织进行研究。其中，A、B、D、F、H位于各区域中心位置，红色虚线代表其实际位置；C、E、G、I位于各区域边缘位置，白色实线代表其实际位置。AI至焊缝中心距离分别为0mm、3mm、6mm、9mm、12mm、16mm、21mm、24mm和29mm。图1TA1氩弧焊接头TA1氩弧焊接头中AI各位置显微组织如图2所示。由图2可知
9、，A位于焊缝中心，其金相组织主要由晶粒粗大的等轴晶内部针状马氏体少量马氏体构成4，5，这是由于钛导热性差，高温停留时间长，因此生成了粗大的等轴晶3，6，7；B距离焊缝中心3mm，金相组织主要由等轴晶马氏体构成；C距离焊缝中心6mm，位于熔合区（焊缝区和热影响区之间的过渡区），邻近熔合区边界左侧部分的区域为等轴晶，邻近熔合区边界右侧的区域是板条状晶粒；D、E分别距离焊缝中心9mm、12mm，由于它们的焊接热影响温度很高，因此冷却后生成颗粒粗大的板条状晶粒；F、G分别距离焊缝中心16mm、21mm，因为它们离热源较远，受焊接热影响很小，所以其金相组织与母材（H、I）的金相组织很相似；H、I距离焊缝
10、中心24mm、29mm，处于母材区域，金相组织主要由等轴晶构成。TA1氩弧焊接头晶粒尺寸如图3所示。其中，AI位置的晶粒尺寸分别为381m、258m、122m、95m、80m、72m、65m、74m和68m。从图3可看出，焊缝中心A位置的晶粒尺寸最大，这是因为焊缝中心热量集中使得晶粒粗大，而越往焊缝边缘热量越小，因此使得晶粒变小7；白色区域（HAZ1）的晶粒尺寸较大，这是因为靠近焊缝的位置受焊接热影响严重，生成颗粒粗大的板条状马氏体，远离焊缝的浅蓝色区域（HAZ2）受热影响小使得它们的组织与母材相似，主要由尺寸为6575m的等轴晶构成。同时，分别以A、2023年 第5期 热加工59焊接与切割W
11、 e l d i n g&C u t t i n gB、C处的晶粒尺寸作为参考，通过计算得到该焊缝区域的平均晶粒尺寸为253.6m；以C、D、E处的晶粒尺寸作为参考，得到了白色区域（HAZ1）的平均晶粒尺寸为99m，以E、F、G处的晶粒尺寸作为参考，得到了浅蓝色区域（HAZ2）的平均晶粒尺寸为70.3m。3.2 显微硬度对接头中AI对应位置进行硬度检测，每个位置测量3次后求平均值。TA1氩弧焊接头显微硬度如图4所示。由图4可知，硬度曲线呈倒V形分布，从焊缝到母材依次降低。焊缝中心A位置的硬度最高，为185.3HV，这是因为焊缝中心生成了大量针状马氏体，显著提高了硬度；B、C位置的硬度分别为17
12、8.4HV、168.0HV，比焊缝中心A位置的硬度低，这是因为焊缝边缘温度较低，冷却速率慢使得针状马氏体较少，所以硬度较低5-8；D、E位置的硬度依次是152.0HV、153.7HV，这是因为此区域受焊接热影响较轻，组织由板条状马氏体构成；F、G位置的硬度分别为148.9HV、146.2HV，与H、I位置的硬度分别为148.3HV、149.8HV，相差图3TA1氩弧焊接头晶粒尺寸a）位置A b）位置B c）位置Cd）位置D e）位置E f）位置Fg）位置G h）位置H i）位置I图2TA1氩弧焊接头AI各位置显微组织2023年 第5期 热加工60焊接与切割W e l d i n g&C u t
13、 t i n g不大，这是因为该位置受焊接热影响很小，使得组织与母材相似（见图2fi）。同时，分别以A、B、C位置的硬度作为参考，通过计算，得到该焊缝区域的平均硬度是177.2HV；以C、D、E位置的硬度作为参考，得到白色区域（HAZ1）的平均硬度为157.9HV；以E、F、G位置的硬度作为参考，得到了浅蓝色区域（HAZ2）的平均硬度为149.6HV。电流密度Icorr、极化电阻Rp见表3。其中，极化电阻Rp可根据公式Rp1000babc/2.303（ba+bc）Icorr计算得到。一般而言，试样的极化电阻RP与腐蚀电流密度Icorr成反比，即试样的极化电阻RP越大，腐蚀电流密度Icorr越小
14、，试样的抗腐蚀能力也就越强2-4，因此可看出母材的耐腐蚀性明显比焊缝强。表3焊缝和母材试样的Ecorr、Icorr和Rp项目Ecorr/VIcorr/（A/cm2）bc/（mV/dec）ba/（mV/dec）Rp/cm2焊缝 0.16428.5295.7585.82994母材 0.12512.9513.41084.611729在焊缝与母材的等效模拟电路中，Rs表示溶液电阻，RpI表示极化电阻。TA1氩弧焊接头电化学阻抗谱（EIS）如图7所示，焊缝和母材试样的阻抗参数见表4。从图7和表4可得到，焊缝的极化电阻RpI可根据焊缝的等效模拟电路图算出，RpIR1R2218.1cm2，母材的极化电阻Rp
15、I可根据母材的等效模拟电路图算出，RpIR1916.2cm2。一般而言，试样的极化电阻RPI越大，试样的抗腐蚀能力越强，因此可看出母材的耐蚀性明显比焊缝强。图4TA1氩弧焊接头显微硬度图5TA1氩弧焊接头电阻率图6TA1氩弧焊接头动电位极化曲线（Tafel曲线）图7TA1氩弧焊接头电化学阻抗谱（EIS）3.3 电阻率TA1氩弧焊接头电阻率如图5所示。从图5可看出，电阻率从焊缝到母材逐渐减小，这是因为焊缝受焊接热影响严重，从而使晶粒粗化，同时焊丝中的杂质使电阻率比母材高。3.4 动电位极化曲线和电化学阻抗谱TA1氩弧焊接头动电位极化曲线（Tafel曲线）如图6所示，焊缝和母材试样的腐蚀电位Eco
16、rr、腐蚀表4焊缝和母材试样的阻抗参数项目Rs/cm2R1/cm2R2/cm2RpI/cm2焊缝1.1216.21.9218.1母材1.8916.20.1916.23.5 残余应力TA1氩弧焊接头残余应力如图8所示。从图8可看出，采用焊接电流150A、电弧电压22V、焊接速度140mm/min等参数焊接的TA1钛板，在焊缝两侧2023年 第5期 热加工61焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g30mm以内，焊接残余应力分布比较规律，基本呈倒V形，焊缝中心横向残余应力和纵向残余应力分别达到450MPa和240MPa，这是因为焊缝中心受焊接热影响严重，使得组织非常不均匀，因此残余应力很大6-9，在距离焊缝中心约16mm处出现压应力。为2994cm2和11729cm2和极化电阻RpI分别为218.1cm2和916.2cm2，由此可看出母材耐蚀性明显比焊缝强。5）TA1氩弧焊接头残余应力沿焊缝向母材依次降低，焊缝中心残余应力最高，横向残余应力和纵向残余应力分别达到450MPa、240MPa。参考文献：1 范逸，郭必永TA1工业纯钛的TIG焊接J中国高新技术企业，201
