TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能

图 1 TC4 钛合金电子束焊焊缝缺口拉伸断口形貌 Fig. 1 Fracture appearances of TC4 alloy EBW seams notch tensile samples
第 ll 期
许鸿吉，等：TC4 钛合金电子束焊接接头组织和性能
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图 2 TC4 钛合金电子束焊接接头显微硬度分布 Fig. 2 Microhardness arrangement of TC4
材料
母材 焊接接头
试验温度 !/ C 20 20
抗拉强度 Ob / Mpa
930 903. 8
Op0. 2 / Mpa
860 795. 5
延伸率 6（5 % ）
l0 l3. l
断面收缩率 l（ % ） 30 29. 4
拉断位置
母材 母材
材料 焊缝
表 3 TC4 钛合金焊接接头的室温缺口拉伸试验结果 Table 3 Results of notch tensile test of TC4 alloy EBW joint at room temperature
许鸿吉
0序 言
TC4 钛合金是 20 世纪 50 年代发展起来的一种 中等强度的 " - ! 两相型钛合金，它含有 6% 的 " 稳 定元素 AI 和 4% 的 ! 稳定元素 V。自 20 世纪 80 年 代以来，在航海、海洋工程、化工、汽车制造等领域的 应用也越来越广泛［l ~ 3］。
在 TC4 钛合金的各种连接方法中，焊接作为钛 合金加工的重要手段，有着提高材料利用率、减轻结 构重量、降低成本等方面的优势，因此，TC4 钛合金 焊接方面的研究工作一直被国内外焊接工作者重 视。TC4 钛 合 金 在 保 护 良 好 的 条 件 下 可 以 采 用 TIG、MIG、PAW 及电子束焊等多种焊接方法。由于
试 验 结 果。从 表3 中 可 以 看 出 TC4 钛 合 金 电 子 束
表 2 TC4 钛合金母材及电子束焊接接头的室温拉伸试验结果
Table 2 Results of tensile test of TC4 alloy base metal and EBW joint at room temperature
参考文献：
［l］ 胡礼木. 钛合 金 Ti - 6al - 4V 电 子 束焊 接 接头 的 性 能研 究 ［ J］. 陕西工学院学报，l997，l3（4）：43 - 47.
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焊接学报
第 26 卷
［2］ 吴毅雄，唐新华，姚 舜. 精密连接技术及其在航空航天工 业中的应用［ A］. 航空、航天焊接国际论坛论文集［ C］，2004. 152 - 158.
试验温度 !/ C 20 20 20
缺口底部圆弧半径 " / mm 0. 08 0. l3 0. 25
缺口抗拉强度 ObH / Mpa l 420 l 463 l 5l3
光滑试样抗拉强度 Ob / Mpa 903. 8 903. 8 903. 8
缺口敏感系数 #t
0. 64 0. 62 0. 60
TC4 钛合金电子束焊焊缝室温缺口拉伸试样断 口的扫描电镜图像见图 l。对 TC4 钛合金电子束焊 接头室温缺口拉伸试样断口的扫描电镜观察表明， 试样的断口 形 貌 大 致 相 同，其 宏 观 断 口 平 齐，无 颈 缩。断口形貌为准解理和部分沿晶断裂，并且伴有 少量的二次裂纹及小孔洞。 2. 2 显微硬度测试结果
钛合金的活性强，熔化焊时需要用惰性气体或真空 进行保护。真空电子束焊接具有加热功率密度大， 焊接速度快，焊接冶金质量好，焊缝窄、焊缝深宽比 大，焊缝及热影响区晶粒细，焊接厚板时效率高，保 护可 靠 等 优 点，在 钛 合 金 的 焊 接 中 得 到 了 广 泛 应 用［4，5］。
l 试验材料和试验方法
作者简介：许鸿吉，男，1959 年 8 月出生，工学博士，教授。主要
研究方向为先进连接技术，发表论文 18 篇。
Email：xuhongji@ djtu. edu. cn
TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能
作者：
作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
许鸿吉， 尹丽香， 李晋炜， 谢明， XU Hong-ji， YIN Li-xiang， LI Jin-wei， XIE Ming 许鸿吉,尹丽香,谢明,XU Hong-ji,YIN Li-xiang,XIE Ming(大连交通大学,材料科学与工程 学院,辽宁,大连,116028)， 李晋炜,LI Jin-wei(北京航空制造工程研究所,北京,100024)
接接头横截面方向 40 kN，加载速率 l mm / min。截 取金相试样，焊缝位于试样中心部位。观察 TC4 钛 合金电子束焊接接头的金相组织，并通过显微硬度 试验测定了焊接接头的硬度分布。
2 试验结果与分析
收稿日期：2005 - 09 - l0 基金项目：国防科工委项目
2. 1 室温拉伸和室温缺口拉伸试验结果 TC4 钛合金母材及电子束焊接接头的室温拉伸
［3］ 董宝明，郭德伦，张田仓. 钛合金焊接结构在先进飞机制造 中的应用与发展［ A］. 航空、航天焊接国际论坛论文集［ C］， 2004. 447 - 453.
［4］ 韩 忠，钛合金焊接冶金研究进 展［ J］. 材 料科学 与工 程， 2000，18（4）：107 - 110.
［5］ 张小明. 钛及钛合金的焊接［ J］. 稀有金属快报，2005，（5）： 17 - 20.
Hale Waihona Puke Baidu
焊接电流 " / mA
354 387
基值电流 "b / mA 39 4
焊接速度 #（/ m·min - l ）
0. 8 0. 3
室 温 拉 伸 试 验 按 航 空 工 业 总 公 司 标 准 HB 5l43—96《 金属室温拉伸试验方法》进行，拉伸试样 形式为 螺 纹 圆 形 试 样。室 温 缺 口 拉 伸 试 验 按 HB 52l4—96《 金属室温缺口拉伸试验方法》进行，焊缝 位于试 样 的 中 间，缺 口 开 在 焊 缝 上。拉 伸 试 验 在 CSS - 2220 电子万能试验机上进行，最大载荷在焊
摘 要：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 l。 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 ! 相转变而成的 "' 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 " 相的混合物。 关键词：TC4 钛合金；电子束焊；焊接接头 中图分类号：TG402 文献标识码：A 文章编号：0253 - 360X（2005）ll - 43 - 04
微组织发现，TC4 钛合金母材的轧制方向很明显。 焊缝组织是由较粗大的原始 ! 相转变而成的 "'相， 即针状马氏体（ 图 3b，图 3d）。热影响区组织为均 匀且细小的针状马氏体和原始 " 相的混合物（ 图 3c）。采用电子束焊方法焊接 TC4 钛合金时热影响 区非常窄，热 影 响 区 组 织 明 显 比 焊 缝 区 组 织 细 小。 说明采用电子束焊接，焊接速度快，能量密度集中， 使得热影响区非常窄，而焊缝区快速冷却形成了马 氏体组织。由于焊缝区产生了马氏体组织，进一步 证实了 TC4 钛合金电子束焊接接头的抗拉强度不 低于母材，使得焊接接头室温拉伸时断裂发生在母 材上。这也是焊缝区硬度高于母材的重要原因。
TC4 钛合金电子束焊接接头的显微硬度分布见
图 2。母材硬度大约为 350 HV，焊缝区硬度比母材 硬度平均高出 40 ~ 50 HV，比热影响区硬度比母材 硬度平均高出 l0 ~ 20 HV，由焊缝区硬度向母材硬 度依次降低。 2. 3 显微组织分析
TC4 钛合金母材组织为 O 相和 B 相的机械混合 物，针状 B 相均匀分布在 O 相基体上，见图 3a。通 过扫描电镜观察TC4 钛合金电子束焊接接头的显
焊缝缺口抗拉强度 ObH 相当 高，ObH大 约在 l 400 ~ l 500 Mpa 左右，这比 TC4 钛合金电子束焊接头室 温光滑试样的抗拉强度高得多，说明 TC4 钛合金电 子束焊接接头的塑性好，对缺口不敏感，其缺口敏感 系数均小于 l。另外，从表 3 中还可以看出，试样缺 口底部圆弧半径对 TC4 钛合金电子束焊焊缝的缺 口抗拉强度 ObH有一定的影响，半径越大缺口 ObH 相 应越高，缺口敏感系数越小。
图 3 TC4 钛合金电子束焊接接头的显微组织 Fig. 3 Microstructure of TC4 alloy EBW joint
3结 论
（l）TC4 钛合金电子束焊接接头与母材等强， 室温拉伸时断裂发生在距焊缝中心较远的母材上。
（2）TC4 钛合金电子束焊焊缝对缺口不敏感， 其缺口敏感系数均小于 l。试样缺口底部圆弧半径 对 TC4 钛合金电子束焊焊缝的缺口抗拉强度 #bH 有 一定的影响，半径越大缺口 #bH 相应越高，缺口敏感 系数越小。
焊接学报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION 2005,26(11) 16次
参考文献(5条)
1.张小明 钛及钛合金的焊接[期刊论文]-稀有金属快报 2005(05) 2.韩忠 钛合金焊接冶金研究进展[期刊论文]-材料科学与工程 2000(04)
试验材料为 l4 mm 厚的 TC4 钛合金板材，固溶 处理状态供货。采用真空电子束焊接，焊接工艺参 数见表 l。焊后接头去应力退火，然后按有关标准 进行室温拉伸、室温缺口拉伸试验。
工艺参数
焊接 修饰
电弧电压 !a / kV l50 l50
表 1 TC4 钛合金真空电子束焊接工艺参数 Table 1 EB welding parameters of TC4 alloy
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焊接学报
第 26 卷
试验结果见表 2。由表 2 可知，TC4 钛合金电子束 焊接接头的室温抗拉强度与母材很接近，焊接接头 的伸长率和断面收缩率也很高，通过对室温拉伸试 样断裂部位的观察，可以看出，TC4 钛合金电子束焊 接接头室温拉伸时，其断裂部位均在距焊缝中心较 远的母材上，说明接头与母材等强。因此采用电子 束焊接 TC4 钛合金可获得室温拉伸性能良好的焊 接接头。表 3 为 TC4 钛合金焊缝的室温缺口拉伸
第 26 卷 第 ll 期
焊接学报
VOI. 26
NO. ll
2 0 0 5 年 ll 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION NOvember 2 0 0 5
TC4 钛合金电子束焊接接头组织和性能
许鸿吉l， 尹丽香l， 李晋炜2， 谢 明l
（l. 大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 ll6028； 2. 北京航空制造工程研究所，北京 l00024）
（3）TC4 钛合金电子束焊焊缝硬度较高，由焊
缝向母材硬度依次降低。 （4）TC4 钛合金母材组织为 " 相和 ! 相的机械
混合物，针状 ! 相均匀分布在 " 相基体上，母材的轧 制方向很明显。焊缝组织是由较粗大的原始 ! 相转 变而成的 "'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 " 相的混合物。
3.董宝明;郭德伦;张田仓 钛合金焊接结构在先进飞机制造中的应用与发展 2004 4.吴毅雄;唐新华;姚舜 精密连接技术及其在航空航天工业中的应用 2004 5.胡礼木 钛合金Ti-6Al-4V电子束焊接接头的性能研究 1997(04)
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