薄板TC4钛合金脉冲电子束焊接技术研究

脉冲电子束焊接是指将电子束流调制成脉冲方波的形式进行焊接的一种先进技术。脉冲束流能提高被焊金属蒸发率,从而提高焊接效率、增加焊缝深宽比。本文采用常规直流电子束和不同频率脉冲电子束对1.2 mm薄板TC4钛合金进行了焊接工艺试验,并对接头进行了微观组织与力学性能检测。结果表明：脉冲电子束焊接能够形成无熔合缺陷的焊缝,随着频率的增加,焊缝咬边和背面余高减小,表面成形得到改善;由于焊接热循环变化,脉冲束流可加快熔池冷却速度,细化组织晶粒;直流和脉冲电子束焊接接头拉伸时均断裂在母材区,拉伸强度不低于母材;高频脉冲电子束可提升焊接接头塑性和焊缝区、热影响区的显微硬度,频率为10 kHz时,焊接接头的断后伸长率可达14.9%,约为母材的80%,焊缝区和热影响区的显微硬度分别为375 HV和368 HV。     

TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能

通过室温拉伸、室温缺口拉伸、显微硬度以及金相分析对TC4钛合金电子束焊接接头的显微组织和性能进行了研究。试验结果表明，用电子束焊接TC4钛合金可获得性能良好的焊接接头，其接头的抗拉强度不低于母材，焊缝的缺口敏感系数均小于1。焊缝区和热影响区的硬度均高于母材，焊缝组织是由较粗大的原始β相转变而成的α′相，即针状马氏体，热影响区组织为均匀且细小的针状马氏体和原始α相的混合物。     

TC4钛合金焊接接头中压电子束局部热处理技术

电子束局部热处理技术是对整体热处理的一种有益补充,针对TC4钛合金进行中压电子束局部热处理研究。电子束局部热处理后TC4钛合金接头的组织形态与电子束焊态基本相同,但焊缝区的晶粒组织略有细化,焊缝区显微硬度也得到了改善,电子束局部热处理后焊接接头的拉伸力学性能均高于焊态。优化的电子束局部热处理工艺完全可以使TC4钛合金接头的组织力学性能超过焊态。     

厚板TC4钛合金电子束焊接头组织演变及力学性能

电子束焊因其真空环境、能量密度大、焊缝深宽比大等优点,被广泛应用于钛合金焊接。系统研究了30 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头组织演化及其力学性能。结果表明:熔合区中部由粗大原始β柱状晶组成,内部为αGB、块状α集束和部分网篮组织构成的混合组织,靠近热影响区的熔合区由等轴原始β晶粒构成;热影响区存在较显著的组织不均匀性,随着距熔合区距离增大,β转变组织(次生α片层+残余β相)含量逐渐降低,初生α相含量逐渐升高;熔合区平均显微硬度比母材高约50 HV,接头抗拉强度达到906 MPa,接头强度系数达到96%,拉伸断裂位置位于熔合区内。     

TC4钛合金电子束焊接接头相变的热力学特征

阐明了TC4钛合金电子束焊接接头相变的热力学特征,从热力学角度分析了TC4钛合金电子束焊接接头在不同的热处理条件下形成不同组织结构的机制,为通过改变热处理制度控制TC4钛合金电子束焊接接头相变的方法,提供了理论基础.结果表明,TC4钛合金电子束焊接接头的相变驱动力来源于新相马氏体和母相的化学自由能差,形成的马氏体贯穿整个晶粒,并且其取向呈一定的角度;低于MS点的焊后热处理只能使马氏体长大,而高于MS点的焊后热处理不仅使马氏体长大,还使部分β相成为饱和固熔体,并残留在马氏体片层之间.     

大厚度TC21钛合金电子束焊接试验

对56mm厚TC21钛合金进行了电子束对接试验,对接头显微组织和力学性能进行了研究.结果表明,接头焊缝区组织形态以柱状β晶粒为基体,针状的马氏体弥散其中;热影响区从焊缝到母材分为三个区域,依次为等轴再结晶β晶粒区、片状和针状а相形成的魏氏组织区以及片状α相聚集长大的区域;熔合区内柱状晶与等轴晶联生.接头强度达到母材水平,断裂发生在母材内,接头厚度方向性能一致.接头塑性损失较大,只达到母材的50%左右.接头焊缝区硬度最高,其次是热影响区的等轴晶区和魏氏组织区,而热影响区内片状α相聚集长大的区域硬度值最低.

Abstract：

Electron beam welding of TC21 56 mm titanium alloy was carried out. The microstructure and the mechanical properties of welded joints were analyzed and tested. The results showed that the weld zone consisted of the columnar β gains, and in which the transgranular acicular α' martensite were dispersedly distributed. HAZ can be divided into three parts from base metal to weld zone, which are the equiaxed recrystallized β grain zone, Widmanstaten structure zone formed by lamellar and aeicular α phases and lamellar a phase coarsening zone. Fusion zone consists of the adnate columnar and equiaxed grains. Tensile strength of joints reaches to that of base metal and the failure appears in the base metal. The mechanical properties are uniform along the vertical direction. Plasticity in the welded joint is greatly decreased and only up to 50% of that of the base metal. The microhardness in weld zone is the highest, and that of the equiaxed grain zone and Widmanstaten structure zone in HAZ is higher, and the microhardness in columnar a phase coarsening zone is the lowest.     

TC4/TC17电子束焊接接头组织及高温拉伸性能研究

针对TC4/TC17异种钛合金开展电子束焊接研究,并进行了高温(400℃)拉伸试验。结果表明,在焊接热循环作用下,热影响区和焊缝组织与母材相比发生了显著变化;TC4侧热影响区组织为马氏体;TC17侧热影响区则是亚稳定β相,焊缝处观察到粗大的柱状晶。TC17母材硬度高于TC4母材硬度,焊缝中心硬度最高。在400℃下,TC17母材的抗拉强度最好;焊接接头的抗拉强度与TC4母材的相当;TC4/TCI7电子束焊焊接接头的断口表面存在尺寸较大,少而浅的韧窝,韧窝形状呈椭圆形,表现出较好的塑性。     

QCr0.8/TC4薄板电子束焊接头组织及断裂路径

对QCr0.8/TC4异种材料薄板进行了电子束对接焊接试验.采用光学金相、扫描电镜、能谱分析及X射线衍射相分析等方法,对接头组织结构及相组成进行了分析.并对接头进行了性能测试及断口形貌观察,分析了断裂性质,探讨了断裂路径.结果表明,焊缝由大量的γ-CuTi相、金属间化合物CuTi2,CuTi3及少量的铜基固溶体组成,且靠近铜合金侧存在一层20 μm左右的反应层,推测其可能为Ti2Cu,CuTi,Cu4Ti3,Cu2Ti,Cu3Ti等多种金属间化合物混合层;QCr0.8/TC4的电子束对中焊接性较差,接头断裂发生在焊缝中心的粗晶区,呈明显的解理断裂特征,接头抗拉强度很低,仅为82.1 MPa.     

TC4钛合金电子束焊接头性能研究

采用真空电子束焊方法进行TCA钛合金的焊接，借助OM、SEM设备观察焊缝金属显微组织和断口形貌，测试了焊接接头硬度并进行了冲击试验，分析了焊接接头性能、显微组织及焊缝中气孔的形成。结果表明，采用真空电子束焊焊接TCA钛合金时，焊缝和热影响区金属中较粗大的原始β相一部分转变为过饱和的针状马氏体；焊缝中心有少量的针状α’相，并形成了编织状α组织；焊缝金属的硬度值比母材金属的高，但冲击韧度比母材金属的低。     

真空电子束焊接35CrMnSi钢

对35CrMnS i钢电子束焊接进行了研究.结果表明,电子束焊接接头成形良好,无焊接缺陷产生.焊缝完全奥氏体化,在随后的快速冷却后形成以板条马氏体为主,并有少量残余奥氏体的组织.热影响区分为过热区、正火区和不完全淬火区,过热区为粗大马氏体组织,正火区为马氏体和贝氏体混合组织,而不完全淬火区为马氏体和铁素体混合组织.接头...     

热处理对TC4钛合金电子束焊接件组织性能的影响

对分别处于退火和固溶时效态的TC4钛合金进行电子束焊接,焊后采用不同的热处理工艺,利用光学显微镜(OM)及X射线衍射(XRD)的方法对这两种TC4焊接件的微观组织及相组成进行了分析,并进行力学性能试验.结果表明,两组试件母材组织均为α相和β相转变组织的机械混合物,但状态和分布不同;退火态试件的热影响区为粗而短的针状α相和少量初生α相,焊缝为单一板条α'马氏体,粗大且分布均匀,属于典型的网篮状组织,而固溶态试件热影响区中的针状α马氏体细小且分布不均;焊缝主要为粗大原始β晶粒内针状回火α'马氏体及晶界α相.这两组试件的抗拉强度及冲击韧度均高于母材,但退火态试件抗拉强度高于固溶态试件,冲击韧度略低于后者.     

电子束局部热处理对TC4钛合金焊接接头组织和性能的影响

通过对14.5 mm厚TC4钛合金平板电子束焊接接头的局部热处理,研究了电子束局部热处理对钛合金电子束焊接接头组织、硬度和拉伸性能的影响.结果表明,电子束局部热处理后扫描区内的母材组织晶粒粗化长大,α相在原始β晶界处长大的同时,以层片状或针状的α形态向β晶内生长.局部热处理后冷却速度的降低使焊缝组织中的针状马氏体在分解析出β相的同时转变为α相,变短变厚的α相相互交错排列.另外,局部热处理消除了焊缝和热影响区的硬度突变.同焊后状态相比,局部热处理后焊接接头的整体性能沿焊缝垂直方向得到了均衡和提高,拉伸试样的断裂位置由焊后状态时的热影响区和母材的交界处转移到未经历热处理的母材区域.     

轧制+增材TC4合金电子束焊接接头组织与性能

研究了一种电子束焊接规范对轧制+增材TC4钛合金焊接接头组织影响,分析了焊后钛合金力学性能.结果表明,轧制侧热影响区合金组织变化较大,离焊缝中心距离越近,β转变组织含量增加,晶粒逐渐转变为等轴晶组织,等轴晶内有集束状马氏体α'相析出,越靠近焊缝等轴晶尺寸越大;增材侧热影响区组织形态变化较小,β晶粒形态保持柱状晶形态,无等轴晶区产生,晶内组织转变为马氏体α'相.焊缝两侧热影响区显微硬度变化趋势相同,均为越靠近焊缝中心,显微硬度越高,焊接重熔区硬度最高,达400 HV左右.焊接接头力学性能与TC4钛合金锻件相当,且断裂位置均位于激光沉积母材区域.     

TC4-DT电子束焊接头显微组织及疲劳裂纹扩展行为

在光学显微镜下对TC4-DT钛合金电子束焊接头显微组织进行了分析,讨论了接头不同位置显微组织特征.比较了疲劳裂纹始于焊接接头不同位置时的宏观裂纹扩展路径及裂纹扩展速率,依据焊接接头显微组织特点讨论了显微组织对疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明,电子束焊接头沿熔深方向显微组织存在一定的差异;文中条件下,与母材区相比焊缝熔合区及热影响区具有较高的疲劳裂纹扩展抗力,导致裂纹扩展路径逐步偏向母材区,最后讨论了裂纹扩展路径的偏折对裂纹扩展速率的影响.     

电子束焊接Ti-6Al-4V接头断裂行为机制

研究了电子束焊接Ti-6Al-4V接头组织结构形态对断裂行为机制的影响。焊缝组织为大量柱状晶和等轴晶以及少量的板条马氏体,粗大的针状α+β相和马氏体α'相呈现出多向短针状,焊缝晶粒尺寸为200~350 μm,焊缝区的显微硬度值达到536 HV,焊缝晶粒粗大严重增加了组织的脆性,使其断裂易发生在焊缝区域。焊缝内部的部分微气孔充当着裂纹的起始源,同时由于气孔分布的不均匀性使其断裂裂纹的扩展路径为非直线分支型。由于α/β两相的线膨胀系数的差异,焊缝中存在的两相交错结构,亦使其断裂发生在α/β界面附近处。层错结构的存在造成强烈的位错塞积产生微孔,成为新的裂纹开裂源。     

TC4钛合金电子束焊接接头高温性能与组织

通过高温拉伸试验、高温持久拉伸试验以及金相分析对TC4钛合金电子束焊接接头的显微组织和高温性能进行了研究.结果表明,用电子束焊接TC4钛合金可获得高温性能良好的焊接接头,其焊接接头的高温抗拉强度为630 MPa,与母材相当.高温持久拉伸时焊接接头在400 ℃下100 h的持久强度大于600 MPa,不低于TC4钛合金母材同等条件下的持久强度.TC4钛合金母材室温下的组织为典型的轧制状态组织,即拉长了的针状α β组织,焊缝组织是由原始β相转变而成的α'相,即针状马氏体.经高温拉伸和高温持久拉伸后焊缝晶粒均明显长大,但其晶粒的长大程度与高温持续时间无关.     

Investigations of microstructures and properties in electron beam welded joints of TiAl to TC4

The normally centered electron beam and non-centered electron beam welding of TiAl to TC4 was investigated in order to analyze the electron beam weldability between TiAl/TC4 dissimilar materials. Macroscopic cold crack easily occurred near TiAl substrate in the joints. The optimal tensile strength was related to the welding heat input. The weld structures were composed of bulky columnar grains and equiaxed grains. The isolated phases consisted of large quantities of α2 -Ti3Al phase, small quantity of B2 phase, γ-TiAl phase and YAl2 phase. Insufficient melting of the base metal occurred in the weld when the beam position leaned to the TC4 side. The tensile strength could be improved when the deflection was limited in the optimum range. Otherwise, non-fusion zone was easily generated in the weld, which led to the low tensile strength.     

Equalization of Ti-6Al-4 V alloy welded joint by scanning electron beam welding

１　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＳｕｃｈａｓｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈＡｌａｌｌｏｙ,Ｔｉａｌｌｏｙａｎｄｓｕｐｅｒｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ,ｔｈｅｉｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗａｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｄｕｅｔｏｗｅｌｄｉｎｇ［１,２］,ｔｈｅｉｒｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｕｃｔｉｌｉｔｙｗｅｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｏ６０％～８０％ａｓｍｕｃｈａｓｔｈａｔｏｆｂａｓｅｍｅｔａｌ［３］．Ｔｏｒｅｔｒｉｅｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌａｒｇｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｉｓｌｉｍｉｔ…