高端裝備制造領域用Ti/Al異種合金電弧熔釬焊工藝研究

引言

現代工業的發展對材料的性能提出了更高要求,尤其是高端裝備制造領域。在滿足產品輕量化設計的同時,對材料的強度、塑韌性、穩定性、耐蝕性等物理化學性能要求日益提高。Ti∕Al異種金屬材料的復合構件結合了2種合金的優勢,既滿足了物理化學性能的要求,又使非關鍵部位使用鋁合金材料降低了成本、實現了輕量化設計,兼顧了材料的使用性能和經濟效益,具有廣泛的應用前景[1-2]。

由于鈦合金和鋁合金的化學成分、物理化學性能、晶體結構等存在較大差異,采用傳統焊接,其焊接過程中2種金屬熔化混合發生冶金反應生成大量脆性的鈦-鋁金屬間化合物[3],難以實現有效連接。針對Ti∕Al異種合金連接的研究主要集中在控制連接過程中脆性金屬間化合物的形成。目前常見的方法主要有2種:一種是通過在過渡層中加入合金元素抑制脆性金屬間化合物的形成[4];另一種是優化焊接方法避免Ti∕Al異種合金大量熔融結合,如熔釬焊[5-6]、釬焊[7]、超聲波焊[8]、復合焊等[9]。

本文采用MIG電弧熔釬焊的方法,建立合適的數學模型,探究焊接過程中的溫度、應力變化,優化焊接工藝參數。結合焊縫金屬化學元素的相互影響,選擇合適的填充金屬,探究焊接接頭界面行為。

1、模型建立及熱源校核

模型建立與試驗中采用的鈦合金與鋁合金的板材尺寸相同:為100mm×50mm×2.5mm,接頭形式為開45°的V形坡口的對接接頭,裝配時無預留間隙。模型及網格劃分如圖1所示。

模型建立后,需要對模型的可靠性進行驗證,本次研究采用熔池邊界準則。通過計算,可得到熱源模型在不同參數下的焊縫截面形貌(熔寬、熔深)與試驗所得焊縫對比,確保模型的準確適用性。

在保證其他變量相同的情況下,選取焊接熱輸入參數:焊接電流110A,焊接電壓15V,焊接速度10mm∕s進行計算,結果如圖2所示。

以溫度分布660℃作為實際接頭鋁側熔合線與模擬結果溫度分布基本吻合,焊縫熔寬和熔深基本相同,由于模擬過程中未考慮液態金屬的流動,以致焊縫邊緣部分略有差距。

2、溫度場分析

2.1　熱輸入

Ti∕Al異種金屬進行焊接時,既要保證填充金屬和鋁合金的充分熔合,又要使溫度保持在鈦合金熔點以下的較高溫度,促進液態混合金屬在鈦合金表面鋪展潤濕形成釬焊連接。此外,由于異種金屬在熱物理性等方面的差異,導致焊接過程溫度場分布狀態與傳統的熔焊和釬焊不同。因此,焊接熱輸入、電弧偏移等焊接工藝參數對焊接接頭溫度場、應力、變形及焊縫成形有著重要影響。

結合前期試驗分析,采用焊接電壓為15V,焊接速度為10mm∕s,焊接電流分別為90,100,110,120A等4種不同焊接熱輸入參數進行分析,焊接過程同一時刻的溫度場、應力場分布如圖3,4所示。

整體來看,不同熱輸入下的溫度場分布均為近橢圓形,焊接進入準靜態過程,由于鈦合金和鋁合金熱導率相差較大,焊縫兩側溫度場呈現明顯的非對稱分布:鋁合金一側等溫線稀疏,高溫區域寬,溫度梯度較小;鈦合金一側等溫線密集,高溫區域窄,溫度梯度較大。

對比不同熱輸入下熔釬焊接頭溫度場的分布,隨著熱輸入的增大,焊縫溫度隨之升高,鈦合金一側溫度梯度明顯加大,當熱輸入為1.44kJ∕cm時,最高溫度達到了1686℃,超過了TC4鈦合金的熔化溫度,鋁合金高溫區范圍擴大,鋁合金母材也將發生大量熔化。

觀察接頭橫截面(左側為鈦合金,右側為鋁合金)溫度場分布,沿厚度方向的溫度梯度隨熱輸入的增加也隨之增加,熱輸入較小時,鈦合金一側熔池深度較小,底部溫度僅為600℃左右,同時鈦合金表面溫度較低,不利于填充金屬熔化并在鈦合金表面鋪展潤濕,實際焊接中存在根部未熔合現象。隨著熱輸入的增加,雖然鈦合金一側整體溫度保持在1600℃以下的較高溫度不會發生大量熔化,但鋁合金母材高溫區范圍較大,實際焊接過程中會出現塌陷、燒穿等焊接缺陷。當熱輸入為1.32kJ∕cm時,鋁合金母材高溫區較窄,鈦合金界面溫度分布均勻,沿接頭厚度方向溫差較小,整體保持在1300℃左右,有利于促進釬焊進行,形成厚度均勻的釬焊界面。因此,通過調節焊接電流控制焊接熱輸入時,選擇1.32kJ∕cm的熱輸入獲得的焊接溫度場分布更為合理。

從圖4整體來看,表現出由溫度場不均、異質材料熱物性參數相差較大引起的應力場在熔池兩側呈現非對稱分布,鈦合金一側近焊縫區域主要是焊接熱影響區,其為應力集中區,熔池前方金屬由于受熱膨脹遭到周圍冷金屬約束,也形成了高應力區。隨著熱輸入的增加,金屬受熱膨脹加大,尤其是鈦合金一側未發生熔化且屈服強度較高,不易發生變形,應力值不斷增加,200~300MPa的高應力區范圍明顯擴大。當熱輸入達到1.44kJ∕cm時,最大應力出現在熔池周圍的鈦合金處,達到300MPa。從圖4可知,隨著焊接熱輸入的增加,最大應力值不斷增加,高應力區的范圍逐漸擴大。

2.2　電弧偏移

為保證焊接過程中溫度分布能使鋁合金一側熔化發生熔焊結合,同時使鈦合金一側保持在鈦合金熔化溫度(1667℃)以下的較高溫度,考慮改變電弧的作用位置,探究加熱位置對焊接接頭溫度分布的影響。選取焊接電流110A,焊接電壓15V,焊接速度10mm∕s,以焊道中線偏移為0,相對于焊縫中心線不同偏移條件下,焊接接頭橫截面的溫度場、應力場分布如圖5所示。

整體來看,不同電弧偏移量下的溫度分布基本相同,峰值溫度為1500℃左右。以向鋁合金一側偏移為正,如圖5a所示,當焊接熱源向鈦合金一側偏移0.5mm時,鈦合金一側沿厚度方向溫度梯度加劇,坡口附近整體溫度較高,溫度最高位置為頂部,達到1550℃。焊接過程中鈦合金可能會發生熔化,和焊縫金屬元素結合,產生大量脆性化合物,不利于焊接。如圖5b所示,當焊接熱源位于焊接中心線時,鈦合金釬焊界面溫度基本均勻,最高溫度低于鈦合金熔點,但沿厚度方向鈦合金一側中上部和底部高溫區范圍存在一定差異,這會導致鈦合金中上部釬焊界面冶金反應時間長于下部,釬焊界面化合物分布不均勻。如圖5c所示,當焊接熱源向鋁合金一側偏移0.5mm時,鈦合金釬焊界面附近溫度分布均勻,不存在明顯的溫度梯度,等溫線幾乎和鈦合金表面平行,整體處于合理的溫度范圍,有利于沿厚度方向形成厚度、物相成分一致的化合物,有助于冶金反應產生組織均勻的釬焊界面層。如圖5d所示,當焊接熱源向鋁合金一側偏移1mm時,釬焊界面沿厚度方向存在較大溫度梯度,界面與等溫線相交,可能導致釬焊界面形貌、物相組成、厚度等存在沿厚度方向突變的現象,影響接頭質量。

圖6為不同電弧偏移量的焊接應力場分布。

從圖6可見,當電弧向鈦合金一側偏移0.5mm時,結合溫度場鈦合金一側橫向和厚度方向均存在較大的溫度梯度,鈦合金受熱不均勻,高溫區直接加熱的鈦合金部分受熱膨脹加劇,受周圍冷金屬阻礙,應力最大達到320MPa。從圖6b,c,d可見,當電弧向鋁合金一側偏移時,受熱鋁合金發生熔化,應力幾乎為0,而鈦合金一側溫度梯度減小,應力降低,應力集中區范圍減小。

3、組織分析

在進行Ti∕Al異種金屬MIG電弧熔釬焊時,鈦合金與焊縫之間熔融的填充金屬通過元素擴散形成釬焊界面反應層達到冶金結合,屬于局部釬焊。鋁合金母材局部熔化與填充金屬完全熔合,形成局部熔焊接頭。通過相關文獻及試驗探究選用Si含量較高的Al-Si系焊絲ER4043鋁基焊絲進行進一步試驗。試驗參數為:焊接電流110A,焊接電壓為15V,焊接速度10mm∕s。焊縫成形及焊接接頭宏觀形貌如圖7所示。

從圖7可看出,焊縫表面成形良好,無明顯焊接缺陷,焊縫兩側形貌有明顯差異,焊接接頭呈現鈦合金、焊縫、鋁合金3個區域。2A12鋁合金一側呈現典型的熔化焊接頭形貌:有明顯的焊縫、熔合區、母材區域劃分。TC4鈦合金一側沒有發現肉眼可見的熔化,母材輪廓清晰可見,有明顯的界面區域。釬焊界面處熔化的金屬沿鈦合金坡口充分鋪展呈現典型的釬焊接頭形式。整體來說,在合理的焊接參數下,接頭成形良好,焊縫填充致密,未發現明顯裂紋、氣孔、未熔合等焊接缺陷。鈦合金一側液態金屬鋪展良好,呈現“包裹”鈦合金趨勢。

為進一步探究焊縫界面特征,采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡對兩側焊縫區域進行分析,得到的鋁合金一側焊縫組織如圖8所示,鈦合金一側焊縫組織如圖9所示。

從圖8a可知,焊接接頭呈現明顯的熔化焊接頭組織特征。白線中間部分為熔合區,柱狀晶組織明顯,且基本垂直于熔合區,柱狀晶組織之間存在少量共晶組織。由圖8b可見,有Al-Si焊絲填充形成的熔焊接頭內部呈現典型的Al-Si合金鑄造態組織,其晶粒尺寸粗大,晶界處存在一定數量的共晶組織。由于Si的加入能夠有效地降低鋁合金的熔點,因此推斷晶界處深色共晶組織為Al-Si共晶相。

由圖9a可見,釬焊層界面附近焊縫組織形貌與鋁合金融合區附近焊縫組織基本相同,呈鑄造態組織。由粗大的α-Al晶粒和晶界處的Al-Si共晶組織組成,越靠近釬焊層一側,晶粒尺寸越大。在晶粒內部存在少量尺寸較大的短棒狀灰色析出相。圖9b,c分別為釬焊界面上部電弧直接加熱區域和沿厚度方向釬焊界面中下部顯微組織。釬焊界面直接加熱區未發現鈦合金大量熔化或未熔合現象。釬焊界面呈現多層結構,由鋸齒狀反應層、中間灰白色反應層和灰暗色薄層組成。其中,灰白色反應層厚度均勻,接頭上部反應層較厚,由此可推測接頭上部鈦合金受電弧直接加熱發生了微量熔化,導致形成了一定厚度的鈦鋁熔合區,熔合區內應為Ti∕Al液態混合形成的一系列金屬間化合物。熔合區和鈦合金之間的界面為灰暗色、平直的薄層,基本無組織過渡。

最外層鋸齒狀的界面增大了與熔融焊縫金屬的接觸面積,可有利于提高結合強度。

4、結論

針對Ti∕Al異種合金MIG電弧熔釬焊工藝,通過建立可靠的有限元模型,對焊接過程中瞬態溫度場、應力場變化進行了分析。采用優化的焊接工藝參數進行試驗,探究焊接接頭界面形態,得出以下結論:(1)熔釬焊過程中兩側溫度場、應力場呈非對稱式分布。鈦合金一側溫度梯度較大,焊縫附近應力集中現象較為明顯。焊接熱輸入、電弧偏移量對焊接過程的影響表現在鈦合金界面的溫度梯度變化。

優化后合理的工藝參數為:焊接電流110A,焊接電壓15V,焊接速度10mm∕s,電弧向鋁合金一側偏移0.5mm。(2)采用優化的工藝參數進行試驗,焊縫成形良好,接頭熔釬焊特征明顯。焊縫鈦合金界面電弧直接加熱區域發生微量熔化,形成具有一定厚度的多層結構熔合區。釬焊截面周圍焊縫中存在一定數量的棒狀、塊狀的析出相,推測為Ti∕Al金屬間化合物。

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作者簡介: 汪保良 (1982—), 男, 碩士, 高級工程師, 主要從事特 種設備檢驗檢測、 結構應力測試、 失效分析等方面的科研工作, 發 表論文 10 余篇.