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拉拔变形量对TC4丝材焊接组织的影响研究

来源期刊：稀有金属2013年第3期

论文作者：王海樊亚军李雷陈志宏杨华斌曹继敏

文章页码：506 - 510

关键词：钛合金;钨极氩弧焊;拉拔变形量;

摘要：采用钨极手工氩弧焊机对Φ4.0 mm,Φ3.6 mm,Φ3.0 mm,Φ2.8 mm四个规格TC4丝进行焊接,焊接后再拉拔到Φ2.6 mm,变形量分别为57.8%,24.9%,19%,13.8%。对焊点和母材力学性能进行对比分析,结果表明,焊接后拉拔变形量为19%,13.8%时,试样均发生发生脆断,焊点处硬度值达到368.7 HV0.3,相比母材硬度310 HV0.3提高了18.9%;焊接后拉拔变形量为24.9%时焊点试样综合性能得以改善,没有发生脆断,但塑性较差,断后延伸率只有5.5%;焊接后拉拔变形量为57.8%时,焊点试样综合性能接近于母材一致,表现出良好的强度和塑性,抗拉强度为1060 MPa,断后伸长率为14%,断面收缩率为51%,显微硬度为311 HV0.3。这是因为焊接后经过一定变形量的热拉拔后,改善了焊缝脆化组织,粗大晶粒破碎、细化,提高了焊点处钛合金的力学性能。因此,要保证焊接后TC4丝材焊点的组织性能优异,焊接后拉拔工序应有足够的拉拔变形量。

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稀有金属 2013,37(03),506-510

拉拔变形量对TC4丝材焊接组织的影响研究

王海樊亚军李雷陈志宏杨华斌曹继敏

西安赛特思迈钛业有限公司

摘要：

采用钨极手工氩弧焊机对Φ4.0 mm,Φ3.6 mm,Φ3.0 mm,Φ2.8 mm四个规格TC4丝进行焊接,焊接后再拉拔到Φ2.6 mm,变形量分别为57.8%,24.9%,19%,13.8%。对焊点和母材力学性能进行对比分析,结果表明,焊接后拉拔变形量为19%,13.8%时,试样均发生发生脆断,焊点处硬度值达到368.7 HV0.3,相比母材硬度310 HV0.3提高了18.9%;焊接后拉拔变形量为24.9%时焊点试样综合性能得以改善,没有发生脆断,但塑性较差,断后延伸率只有5.5%;焊接后拉拔变形量为57.8%时,焊点试样综合性能接近于母材一致,表现出良好的强度和塑性,抗拉强度为1060 MPa,断后伸长率为14%,断面收缩率为51%,显微硬度为311 HV0.3。这是因为焊接后经过一定变形量的热拉拔后,改善了焊缝脆化组织,粗大晶粒破碎、细化,提高了焊点处钛合金的力学性能。因此,要保证焊接后TC4丝材焊点的组织性能优异,焊接后拉拔工序应有足够的拉拔变形量。

关键词：

钛合金;钨极氩弧焊;拉拔变形量;

中图分类号： TG457.1

作者简介：王海(1985-),男,陕西榆林人,硕士;研究方向:钛及钛合金塑性加工 (E-mail:wh342299595@163.com);

收稿日期：2013-03-05

基金：陕西省重大科技创新专项资金计划项目(2011ZKC05-13)资助;

Influence of Drawing Deformation on Microstructure of TC4 Wire after Welding

Abstract：

TC4 wires of Φ4.0 mm,Φ3.6 mm,Φ3.0 mm,and Φ2.8 mm were welded via TIG welding,then were drawn to Φ2.6 mm,the drawing deformation was 13.8%,19%,24.9% and 57.8%,respectively.The mechanical properties between the solder and base metal were analysed.The results showed that the drawing deformation of 13.8% and 19% lead to brittle fracture;while there was no brittle fracture in the sample with the drawing deformation of 24.9%,but the elongation was only 5.5%;drawing deformation of 57.8% showed good strength and ductility,the tensile strength was 1060 MPa,and the elongation was 14%,microhardness was 311 HV0.3.Drawing after welding could improve the property of solder metal,with the increase of drawing deformation,and the impact of welding was gradual elimination.Therefore,to ensure the properties of welded metal after hot drawing,there should be enough drawing deformation.

Keyword：

titanium alloy;tungsten inert gas(TIG) welding;drawing deformation;

Received： 2013-03-05

TC4材料的组成为Ti-6Al-4V, 属于(α+β)型钛合金。 TC4作为目前应用最广泛的钛合金, 具有比强度高、耐腐蚀性、良好的生物相容性等优点, 被广泛地用于航空、航天、医疗、化工、冶金、汽车、建筑、体育休闲等领域 ^[1,2,3] 。

TC4合金丝材在拉拔生产中发生的脆断或缩颈断裂现象影响着丝材单盘盘重的增加 ^[4] 。拉拔前进行焊接可以有效提高单盘盘重, 本文对拉拔变形量对TC4丝材焊接组织的影响进行了研究。因为钛合金对氧化、氮化异常敏感, 在焊接时必须采用有效的保护。本文采用TIG300型的直流钨极手工氩弧焊机(电流为20～50 A)对TC4丝进行焊接, 焊接前预先通氩气, 结束时延迟断气0～10 s, 同时焊接时进行电流衰减 ^{[5,6,7,8,9,10,11]} 。通过对试样进行组织和力学性能的观察和测定, 对比分析焊点处和TC4母材力学性能, 评价TC4丝材焊接后拉拔变形量对焊接组织和性能的影响。实验旨在通过对TC4材料进行焊接→拉拔的方法分析焊接对材料性能的影响, 以提高单模次产量, 达到提高生产效率的目的。

1 实验

1.1 实验材料

实验用Ti-6Al-4V钛合金化学成分如表1所示; 实验用TC4铸锭经锻造开坯、改锻, 最终轧制成Φ8 mm轧条, 所得轧条显微组织如图1所示, 为等轴状α+β加工组织。

1.2 实验方法

Φ8 mm轧条通过孔模热拉拔得到规格为Φ4.0 mm, Φ3.6 mm, Φ3.0 mm, Φ2.8 mm四组TC4丝材, 采用型号为TIG300的直流钨极手工氩弧焊机(电流为20～50 A)对4个规格TC4丝进行焊接, 焊接前预先通氩气, 结束时延迟断气0～10 s, 延迟断气可以防止丝材在高温时氧化, 同时焊接时进行电流衰减。焊接后再进行①Φ2.8 mm→Φ2.6 mm, ②Φ3.0 mm→Φ2.8 mm→Φ2.6 mm, ③Φ3.6 mm→Φ3.2 mm→Φ2.8 mm→Φ2.6 mm, ④Φ4.0 mm→Φ3.6 mm→Φ3.2 mm→Φ2.8 mm→Φ2.6 mm的热拉拔工序, 变形量分别为13.8%, 19%, 24.9%, 57.8%。拉拔后分别在焊点处、焊点两侧母材取样进行组织和力学性能的观察和测定, 对比分析焊点处和母材力学性能, 评价TC4丝材焊接后拉拔变形量对焊接组织的影响。

表1 实验Ti-6Al-4V钛合金的化学成分(%, 质量分数)

Table1Chemical composition of the Ti-6Al-4V alloy (%, mass fraction)

Ti	Al	V	Fe	C	N	H	O
Bal.	6.000	4.230	0.140	0.010	0.010	0.001	0.100

图1 实验用Φ8 mm轧条显微组织

Fig.1 Microstructures of the as-received Ti-6Al-4V alloy

2 结果与讨论

TC4丝材在焊接后的宏观组织及微观组织如图2所示, 可以明显看出焊接后材料组织的3个区域: 母材区、热影响区、焊缝区。母材区的组织为细小等轴的α+β组织; 热影响区的组织为过渡组织, 晶粒由母材至焊缝方向逐渐长大, 由于钛合金热导率较低, 热影响区温度下降缓慢, 热影响区较宽; 焊缝区的组织为β转变组织, 即粗大的β晶粒内分布着大量针状α相, 具有一定的方向性, 在原始β晶粒内形成集束, 原始完整的β晶粒的晶界为α相, 焊缝在高温停留较长, 组织发生相变重结晶, 晶粒在高温下快速长大 ^[12,13,14] 。

对经过控温拉拔后的4组试样进行在线退火处理, 分别取焊点处和母材处试样,规格为Φ2.6 mm, 磨削至Φ2.4 mm光亮丝, 1^#-1, 1^#-2, 2^#-1, 2^#-2, 3^#-1, 3^#-2, 4^#-1, 4^#-2分别代表材料经焊接后拉拔变形量为13.8%, 19%, 24.9%, 57.8%的母材试样和焊点试样, 然后分别对其进行机械性能的测试, 结果如表2所示。

1^#, 2^#焊点处试样在拉伸过程中发生脆断, 这是由于钛合金的熔点高、导热性能差, 焊缝和热影响区在高于α+β/β相变点的温度停留时间长, 致使这两部分晶粒粗大, 造成焊接接头塑性降低, 焊缝脆化引起材料发生脆断。

图2 焊接后材料宏观和微观组织

Fig.2 Structures of the welded TC4 alloy

(a) Macrostructure; (b) Heat-affected zone; (c) The weld area I: Base metal area; II: Heat effect area; III: Weld area

表2 实验用Ti-6Al-4V丝材力学性能

Table 2 Mechanical properties of the Ti-6Al-4V alloy

Nos.	Drawing deformation/%	Yield strength (0.2% offset)/MPa	Tensile strength/MPa	Elongation/ %	Reduction of area/%	Microhardness HV0.3
1^#-1	13.8	-	854	-	-	370
1^#-2		948	1052	9.0	53	312
2^#-1	19.0	866	950	-	-	350
2^#-2		890	1074	11.0	52	309
3^#-1	24.9	870	960	5.5	37	347
3^#-2		901	1082	12.0	48	308
4^#-1	57.8	916	1060	14.0	51	313
4^#-2		921	1063	14.0	51	314

图3为1^#试样焊点处和母材处的断口形貌, 图3(a)和(b)所示为焊点处低倍及高倍断口形貌, 由图可见断口平齐, 具有明显的脆性断裂特征, 表现为沿晶断裂及准解理台阶; 图3(c)为母材处低倍断口形貌, 可见断口为塑性断裂, 中心部分为正断区, 边缘为撕裂区, 断口表面发生了较大的塑性变形, 高倍组织(图3(d))中有较浅的韧窝, 为韧窝型断裂 ^[15,16,17] 。

3^#焊点处试样的综合性能相比母材也较差, 这是因为Φ3.6 mm的丝材在经过变形量为24.9%的控温拉拔变形后, 焊点处的组织得以破碎、细化, 一定程度的改善了焊点处的组织, 材料在拉伸过程中没有发生脆断, 但塑性较低, 断后延伸率只有5.5%, 综合性能相比母材较差。

4^#焊接后试样力学性能同母材一致, 表现出良好的强度和塑性, 抗拉强度为1060 MPa, 断后伸长率为14%, 断面收缩率为51%, 显微硬度为311 HV0.3。这是因为焊接后经过57.8%变形量的控温拉拔后, 改善了焊点处材料组织, 粗大晶粒破碎、细化, 提高了焊点处钛合金的力学性能, 使得焊接处材料组织与性能达到母材的水平, 基本上消除了焊接对合金丝材带来的影响, 得以实现焊接后拉拔工艺, 提高了单模次拉拔盘重, 提高了拉拔生产效率。

图3 1#试样的拉伸断口

Fig.3 Fracture surfaces of tensile specimens of 1^#

(a, b) Welded; (c, d) Base metal

图4为随着拉拔变形量增加, 合金焊点处和母材显微硬度的变化曲线。由图中可以看出, 变形量较小时, 焊点处的显微硬度远大于母材的硬度, 达到370 HV0.3; 随着焊接后拉拔变形量的增加, 材料的显微硬度值逐渐降低, 当拉拔变形量增至57.8%时, 焊点处的显微硬度与母材基本一致, 为314 HV0.3; 这是因为随着焊接后拉拔道次的增加, 焊点处的粗大组织逐步细化, 焊接脆化的影响逐渐减弱, 直至与母材一致。