钛合金T-型结构单面焊背面双侧成形焊接接头组织与性能

王 敏， 杨 磊， 于 瑛， 吴 林

(1.中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016;2.沈阳飞机工业集团有限公司，沈阳 110034;3.沈阳航空大学，沈阳 110136;4.哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨 150001)

钛合金以其良好的性能，已被广泛用于航空、航天等重要领域。在许多情况下，经常会遇到钛合金T-型结构的连接问题。目前，铆接为该类结构的主要连接方式。以焊代铆可以使结构成为一个整体，从而减轻结构重量、降低制造成本等［1］。由于特殊的使用要求，钛合金T-型焊接结构的性能成为关注的热点。

目前，已有许多研究人员开展了钛合金焊接工艺及接头组织性能方面的研究工作［2～7］，以及钛合金T-型结构电子束焊及电子束-钎焊复合焊接结构件综合力学性能的研究［8］。本研究针对T-型结构TIG焊、激光-TIG复合热源焊接头的组织性能开展了对比研究。

1 焊接试验

焊接试验平台由三坐标工作台、钨极氩弧焊电源、送丝系统、控制系统及焊接保护装置等部分组成。熔焊电源为松下YC-300WX4型钨极氩弧焊机，激光发生器为TK-2000SM轴流式CO2激光器。

试验材料为TA15，材料厚度1.2mm。填充焊丝材料为TA15－0，直径1.2mm。TA15钛合金化学成分见表1。

表1 TA15钛合金化学成分(质量分数/%)Table1 Chemical composition of TA15(mass fraction/%)

对于钛合金的焊接，焊接接头高温区域的气体保护和试件的焊前清理是保证焊接质量和焊接接头性能的关键环节。为此，本试验采用了严格的焊前清理程序及焊缝正面、背面气体保护措施。激光-TIG复合热源焊接时，喷嘴采用氦气保护，保护拖罩、背面保护夹具采用氩气保护。TIG焊均采用氩气保护。钛合金T-型接头TIG焊、激光-TIG电弧复合焊试验焊接工艺参数如表2所示。

T-型结构试件焊接后，将面板一侧焊缝余高打磨至与母材平齐。将焊接试件进行真空热处理，以消除应力。真空热处理规范如下:真空度6.66×10－2Pa～6.66 ×10－3Pa;加热温度 630℃，保温 2h;随炉冷却至200℃左右出炉空冷。

表2 钛合金T-型结构焊接参数Titanium alloy T-structure welding parameters

2 显微组织

TA15材料属于近α钛合金，母材组织为等轴α组织(图1)。这种合金的焊缝组织大致有以下三种组织:魏氏组织、棒状(或针状)α组织和等轴组织。采用熔化焊方法焊接钛合金时，将会不可避免地产生一些粗大的魏氏组织。一般情况下，焊接过程中产生的晶界偏析比晶内偏析更为严重。在焊缝中心区晶粒生长时相互碰撞，将会在晶界上堆积富溶质原子的液体。当以中等以上的焊接速度进行焊接时，焊缝金属组织将生成对生的柱状晶，这是由于钛合金本身的组织特点所决定的。

采用激光-TIG电弧复合焊时，由于焊接过程中激光对焊接熔池的搅拌作用，使得焊缝的金属组织及其晶粒度与常规TIG焊焊缝组织有所不同。一方面，焊接热输入的能量促使晶核提前形成;另一方面，激光对焊接熔池的搅拌作用使得成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，从而使晶粒得到细化(图2、图3)。

从接头组织对比来看，TIG焊热影响区明显比复合焊接头热影响晶粒长大倾向严重，粗晶区更为明显(图4)。

图3 焊缝中心组织对比 (a)激光-TIG复合焊;(b)TIG焊Fig.3 Microstructure comparison of welding seam center (a)Laser-TIG hybrid welding;(b)TIG welding

3 性能试验

3.1 拉伸试验

拉伸试验主要考核构件承受静载荷的能力。将热处理完毕的试件按图5所示的拉伸试样尺寸进行加工。

正面焊缝加工至于母材平齐，表面粗糙度Ra不小于3.2μm，反面焊脚和其余上、下表面保留原表面。加载方式如图6。

图6 拉伸试验加载方式Fig.6 Tensile test loading

拉伸试验试样断裂位置如图7所示。

两种工艺拉伸试验试样结果见表3。

两种焊接工艺拉伸性能差别不大，断面收缩率激光-TIG电弧复合焊接工艺明显要高于激光焊以及钨极氩弧焊。

运用扫描电镜(SEM)对焊接试样室温拉伸试样进行断口分析，见图8。TIG焊、激光-TIG电弧复合焊两种工艺断口高倍微观形貌均为等轴韧窝特征，两者差别不大。拉伸断口表面粗糙，明显可见沿原始晶界断裂的特征。

图7 拉伸试验试样断裂位置 (a)T-型结构激光-TIG复合L;(b)T-型结构TIG焊接Fig.7 Fracture location of tensile test specimen (a)Laser-TIG hybrid welding;(b)TIG welding

表3 两种工艺拉伸试验结果Table3 Result of tensile strength of the two welding processes

图8 拉伸试验断口分析 (a)TIG焊;(b)激光-TIG电弧复合焊Fig.8 Tensile test fractography (a)Laser-TIG hybrid welding;(b)TIG welding

3.2 弯曲试验

由于T-型结构的结构特殊性，分析飞机受力情况后，拟订根据国标GB/T 14452—1993《金属弯曲力学性能试验方法》采用三点弯曲试验对三种工艺试件的抗弯曲性能进行比较。弯曲试验机型:RG3030微机控制电子万能试验机(最大载荷50kN)。

试样形状和尺寸:试样材料厚度1.2mm，立板高度h=10mm，宽度:b=15mm，长度L:300mm。试样上正面焊道打磨平齐，光洁度Ra不大于6.3μm反面焊脚和其余上下表面保留原表面;试样侧边加工至表面光洁度Ra不大于6.3μm。

实验条件:跨距 Ls:90mm，刀口半径 R:0.1～0.15mm。预弯曲应力:300N，预弯曲应力 Fo:σpb0.01(或σrb0.01)的10%以下。弯曲应力增加速率:3～30MPa/s;加载速率:2mm/min。

试验过程:将试样对称的安放于弯曲试验装置上，对试样连续施加弯曲力，直至试样断裂。从试验机测力度盘上或从记录的弯曲力-挠度曲线上读取最大弯曲力Fbb，按式(1)计算抗弯强度σbb，W为试样结构参数:

式中:b ——试样宽度;h——试样高度;Ls——跨距;Fbb——最大弯曲力。

弯曲试验结果见表4。

由实验结果可见，激光-TIG电弧复合焊T-型结构抗弯曲强度σbb明显高于TIG焊接头。这是由于激光的加入以及焊接速度的提高，焊缝组织得到细化，热影响区晶粒长大倾向减小，有效改善了激光-TIG电弧复合焊缝的接头及热影响区组织性能。

表4 弯曲试验结果Table4 Result of bending test

3.3 疲劳试验

作为承受交变载荷的结构材料，其疲劳性能是人们极为关注的，为此研究者们对各种类型钛合金的疲劳性能进行了大量研究工作［9］。然而，焊接是一个复杂的热物理化学冶金过程，造成了焊接接头部位材料组织和性能的不均匀性，而使焊接结构的抗疲劳性能不佳，70% ～80%的焊接结构失效源于焊接接头的疲劳断裂。因此，研究焊接接头的性能及其影响因素，对指导某些焊接构件的制备和防疲劳断裂，具有十分重要的理论意义和工程价值。

将热处理完毕的激光-TIG电弧复合焊对接试件按图9所示的疲劳试样尺寸进行加工。去掉焊缝余高，加工至于母材平齐，表面粗糙度Ra不小于6.3μm，反面焊脚和其余上、下表面保留原表面。

疲劳机型号:EHF-EG100kN-20LH型电液伺服疲劳试验机。加载方式:轴向加载，应力比:R=0.1;疲劳试验最大载荷:σmax=700MPa;试验波形:正弦波;试验频率:f=9Hz;试验环境:室温、空气中;疲劳试验加载方式见图10。T-型接疲劳性能对比试验结果见表5所示。

由疲劳寿命试验结果可见，T-型结构激光-TIG电弧复合焊接疲劳寿命比TIG焊接头平均高出50%以上。

根据T-型结构结构特点，焊缝区由于有反面焊脚的加强作用，强度较大。熔合区是疲劳性能薄弱区域。一方面由于该区结构尺寸的变化，另外，还与焊接接头在此区域的显微组织变化、熔合线气孔等因素有关。钛合金焊接接头在熔合线区域的残余拉应力较高，这也是造成此区域疲劳性能相对薄弱的原因之一。

在近α型钛合金焊缝中，金属组织对疲劳寿命影响以α相晶粒尺寸最为重要。由于钛合金疲劳寿命大部分耗费在裂纹萌生，即疲劳裂纹扩展的第一阶段，减小焊缝晶粒尺寸将是提高钛合金焊接接头疲劳寿命的有效手段。本文采用激光-TIG电弧复合热源与TIG焊相比，有效提高了焊接速度，近缝区及热影响区晶粒长大倾向明显小于TIG焊接头;焊缝背面约束成型工装的使用提高了焊接区散热，对减小焊接区晶粒长大倾向十分有利。

图9 疲劳试样尺寸Fig.9 Dimensions of fatigue specimen

图10 疲劳试验加载方式Fig.10 Fatigue Loading

表5 T-型接疲劳性能对比试验结果Table 4 Fatigue test results comparing on T-structure

4 结论

(1)显微组织对比表明，采用激光-TIG电弧复合焊比TIG焊钛合金T-型结构焊缝及热影响区组织明显细化。

(2)针对激光-TIG电弧复合焊、TIG焊T-型结构拉伸性能进行对比，结果表明，拉伸性能差别不大，断面收缩率激光-TIG电弧复合焊接工艺明显要高于激光焊以及钨极氩弧焊。

(3)针对激光-TIG电弧复合焊、TIG焊T-型结构弯曲性能进行对比，实验结果可见，激光-TIG电弧复合焊T-型结构抗弯曲强度明显高于TIG焊接头。

(4)疲劳寿命试验结果可见，激光-TIG电弧复合焊接接头疲劳寿命均高于TIG焊接头50%以上。

［1］FREEMAN Richard.Welding and Joining Developments in the Aerospace Industry［J］.Welding and Cutting，2008，7(5):274－275.

［2］刘昌奎，刘华.TA15钛合金焊接接头性能与断裂行为研究［J］.失效分析与预防.2006，1(2):45－48.

［3］ZAMKOV V N，PRILUTSKY V P，TOPOLSKY V F.Consumables and methods for welding titanium for aerospace engineering applications［J］.Journal of Advanced Materials，2000，32(3):57 －61.

［4］CHOI B H，CHOI B K.The effect of welding conditions according to mechanical properties of pure titanium［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，201(1 －3):526－530.

［5］KORSUNSKY，ALEXANDER M，DINI Daniele，et al.Fatigue crack growth velocity analysis in a titanium alloy［J］.Key Engineering Materials.2008，(385 －387):5 －8，

［6］LIU L，HAO X，DU X.Microstructure characteristics and mechanical properties of laser-TIG hybrid welding joint of TA15 titanium alloy［J］.Materials Research Innovations.2008，12(3):114 －118

［7］HAN Chuan-xi，QU Heng-lei.Investigations on welding characteristics of a novel high temperature titanium alloy［C］//Proc 1 Int Symp Metall Technol Pract Titanium Alloys，SAMPE，Japan 1994，231－237.

［8］张振海.钛合金T-型结构力学性能研究［D］.北京:北京工业大学，2008.5:1－74

［9］LEE Sunghak，LEE Eui W，High-cycle fatigue properties of investment cast Ti-6Al-4V alloy welds［J］.Journal of Materials Science Letters，2001，20(24):2183 －2187