引言

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料的性能提出了更高要求,尤其是高端裝備制造領(lǐng)域。在滿(mǎn)足產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí),對(duì)材料的強(qiáng)度、塑韌性、穩(wěn)定性、耐蝕性等物理化學(xué)性能要求日益提高。Ti∕Al異種金屬材料的復(fù)合構(gòu)件結(jié)合了2種合金的優(yōu)勢(shì),既滿(mǎn)足了物理化學(xué)性能的要求,又使非關(guān)鍵部位使用鋁合金材料降低了成本、實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì),兼顧了材料的使用性能和經(jīng)濟(jì)效益,具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

由于鈦合金和鋁合金的化學(xué)成分、物理化學(xué)性能、晶體結(jié)構(gòu)等存在較大差異,采用傳統(tǒng)焊接,其焊接過(guò)程中2種金屬熔化混合發(fā)生冶金反應(yīng)生成大量脆性的鈦-鋁金屬間化合物[3],難以實(shí)現(xiàn)有效連接。針對(duì)Ti∕Al異種合金連接的研究主要集中在控制連接過(guò)程中脆性金屬間化合物的形成。目前常見(jiàn)的方法主要有2種:一種是通過(guò)在過(guò)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(yōu)化焊接方法避免Ti∕Al異種合金大量熔融結(jié)合,如熔釬焊[5-6]、釬焊[7]、超聲波焊[8]、復(fù)合焊等[9]。

本文采用MIG電弧熔釬焊的方法,建立合適的數(shù)學(xué)模型,探究焊接過(guò)程中的溫度、應(yīng)力變化,優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。結(jié)合焊縫金屬化學(xué)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(yàn)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(kāi)45°的V形坡口的對(duì)接接頭,裝配時(shí)無(wú)預(yù)留間隙。模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

模型建立后,需要對(duì)模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證,本次研究采用熔池邊界準(zhǔn)則。通過(guò)計(jì)算,可得到熱源模型在不同參數(shù)下的焊縫截面形貌(熔寬、熔深)與試驗(yàn)所得焊縫對(duì)比,確保模型的準(zhǔn)確適用性。

在保證其他變量相同的情況下,選取焊接熱輸入?yún)?shù):焊接電流110A,焊接電壓15V,焊接速度10mm∕s進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖2所示。

以溫度分布660℃作為實(shí)際接頭鋁側(cè)熔合線與模擬結(jié)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(guò)程中未考慮液態(tài)金屬的流動(dòng),以致焊縫邊緣部分略有差距。

2、溫度場(chǎng)分析

2.1　熱輸入

Ti∕Al異種金屬進(jìn)行焊接時(shí),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(diǎn)以下的較高溫度,促進(jìn)液態(tài)混合金屬在鈦合金表面鋪展?jié)櫇裥纬赦F焊連接。此外,由于異種金屬在熱物理性等方面的差異,導(dǎo)致焊接過(guò)程溫度場(chǎng)分布狀態(tài)與傳統(tǒng)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(shù)對(duì)焊接接頭溫度場(chǎng)、應(yīng)力、變形及焊縫成形有著重要影響。

結(jié)合前期試驗(yàn)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?yún)?shù)進(jìn)行分析,焊接過(guò)程同一時(shí)刻的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布如圖3,4所示。

整體來(lái)看,不同熱輸入下的溫度場(chǎng)分布均為近橢圓形,焊接進(jìn)入準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程,由于鈦合金和鋁合金熱導(dǎo)率相差較大,焊縫兩側(cè)溫度場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱(chēng)分布:鋁合金一側(cè)等溫線稀疏,高溫區(qū)域?qū)?溫度梯度較小;鈦合金一側(cè)等溫線密集,高溫區(qū)域窄,溫度梯度較大。

對(duì)比不同熱輸入下熔釬焊接頭溫度場(chǎng)的分布,隨著熱輸入的增大,焊縫溫度隨之升高,鈦合金一側(cè)溫度梯度明顯加大,當(dāng)熱輸入為1.44kJ∕cm時(shí),最高溫度達(dá)到了1686℃,超過(guò)了TC4鈦合金的熔化溫度,鋁合金高溫區(qū)范圍擴(kuò)大,鋁合金母材也將發(fā)生大量熔化。

觀察接頭橫截面(左側(cè)為鈦合金,右側(cè)為鋁合金)溫度場(chǎng)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(shí),鈦合金一側(cè)熔池深度較小,底部溫度僅為600℃左右,同時(shí)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?jié)櫇?實(shí)際焊接中存在根部未熔合現(xiàn)象。隨著熱輸入的增加,雖然鈦合金一側(cè)整體溫度保持在1600℃以下的較高溫度不會(huì)發(fā)生大量熔化,但鋁合金母材高溫區(qū)范圍較大,實(shí)際焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)塌陷、燒穿等焊接缺陷。當(dāng)熱輸入為1.32kJ∕cm時(shí),鋁合金母材高溫區(qū)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(jìn)釬焊進(jìn)行,形成厚度均勻的釬焊界面。因此,通過(guò)調(diào)節(jié)焊接電流控制焊接熱輸入時(shí),選擇1.32kJ∕cm的熱輸入獲得的焊接溫度場(chǎng)分布更為合理。

從圖4整體來(lái)看,表現(xiàn)出由溫度場(chǎng)不均、異質(zhì)材料熱物性參數(shù)相差較大引起的應(yīng)力場(chǎng)在熔池兩側(cè)呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)分布,鈦合金一側(cè)近焊縫區(qū)域主要是焊接熱影響區(qū),其為應(yīng)力集中區(qū),熔池前方金屬由于受熱膨脹遭到周?chē)浣饘偌s束,也形成了高應(yīng)力區(qū)。隨著熱輸入的增加,金屬受熱膨脹加大,尤其是鈦合金一側(cè)未發(fā)生熔化且屈服強(qiáng)度較高,不易發(fā)生變形,應(yīng)力值不斷增加,200~300MPa的高應(yīng)力區(qū)范圍明顯擴(kuò)大。當(dāng)熱輸入達(dá)到1.44kJ∕cm時(shí),最大應(yīng)力出現(xiàn)在熔池周?chē)拟伜辖鹛?達(dá)到300MPa。從圖4可知,隨著焊接熱輸入的增加,最大應(yīng)力值不斷增加,高應(yīng)力區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大。

2.2　電弧偏移

為保證焊接過(guò)程中溫度分布能使鋁合金一側(cè)熔化發(fā)生熔焊結(jié)合,同時(shí)使鈦合金一側(cè)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(duì)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(duì)于焊縫中心線不同偏移條件下,焊接接頭橫截面的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5所示。

整體來(lái)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(cè)偏移為正,如圖5a所示,當(dāng)焊接熱源向鈦合金一側(cè)偏移0.5mm時(shí),鈦合金一側(cè)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(dá)到1550℃。焊接過(guò)程中鈦合金可能會(huì)發(fā)生熔化,和焊縫金屬元素結(jié)合,產(chǎn)生大量脆性化合物,不利于焊接。如圖5b所示,當(dāng)焊接熱源位于焊接中心線時(shí),鈦合金釬焊界面溫度基本均勻,最高溫度低于鈦合金熔點(diǎn),但沿厚度方向鈦合金一側(cè)中上部和底部高溫區(qū)范圍存在一定差異,這會(huì)導(dǎo)致鈦合金中上部釬焊界面冶金反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于下部,釬焊界面化合物分布不均勻。如圖5c所示,當(dāng)焊接熱源向鋁合金一側(cè)偏移0.5mm時(shí),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(yīng)產(chǎn)生組織均勻的釬焊界面層。如圖5d所示,當(dāng)焊接熱源向鋁合金一側(cè)偏移1mm時(shí),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(dǎo)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(xiàn)象,影響接頭質(zhì)量。

圖6為不同電弧偏移量的焊接應(yīng)力場(chǎng)分布。

從圖6可見(jiàn),當(dāng)電弧向鈦合金一側(cè)偏移0.5mm時(shí),結(jié)合溫度場(chǎng)鈦合金一側(cè)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(qū)直接加熱的鈦合金部分受熱膨脹加劇,受周?chē)浣饘僮璧K,應(yīng)力最大達(dá)到320MPa。從圖6b,c,d可見(jiàn),當(dāng)電弧向鋁合金一側(cè)偏移時(shí),受熱鋁合金發(fā)生熔化,應(yīng)力幾乎為0,而鈦合金一側(cè)溫度梯度減小,應(yīng)力降低,應(yīng)力集中區(qū)范圍減小。

3、組織分析

在進(jìn)行Ti∕Al異種金屬M(fèi)IG電弧熔釬焊時(shí),鈦合金與焊縫之間熔融的填充金屬通過(guò)元素?cái)U(kuò)散形成釬焊界面反應(yīng)層達(dá)到冶金結(jié)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(guò)相關(guān)文獻(xiàn)及試驗(yàn)探究選用Si含量較高的Al-Si系焊絲ER4043鋁基焊絲進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)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(wú)明顯焊接缺陷,焊縫兩側(cè)形貌有明顯差異,焊接接頭呈現(xiàn)鈦合金、焊縫、鋁合金3個(gè)區(qū)域。2A12鋁合金一側(cè)呈現(xiàn)典型的熔化焊接頭形貌:有明顯的焊縫、熔合區(qū)、母材區(qū)域劃分。TC4鈦合金一側(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的熔化,母材輪廓清晰可見(jiàn),有明顯的界面區(qū)域。釬焊界面處熔化的金屬沿鈦合金坡口充分鋪展呈現(xiàn)典型的釬焊接頭形式。整體來(lái)說(shuō),在合理的焊接參數(shù)下,接頭成形良好,焊縫填充致密,未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋、氣孔、未熔合等焊接缺陷。鈦合金一側(cè)液態(tài)金屬鋪展良好,呈現(xiàn)“包裹”鈦合金趨勢(shì)。

為進(jìn)一步探究焊縫界面特征,采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)兩側(cè)焊縫區(qū)域進(jìn)行分析,得到的鋁合金一側(cè)焊縫組織如圖8所示,鈦合金一側(cè)焊縫組織如圖9所示。

從圖8a可知,焊接接頭呈現(xiàn)明顯的熔化焊接頭組織特征。白線中間部分為熔合區(qū),柱狀晶組織明顯,且基本垂直于熔合區(qū),柱狀晶組織之間存在少量共晶組織。由圖8b可見(jiàn),有Al-Si焊絲填充形成的熔焊接頭內(nèi)部呈現(xiàn)典型的Al-Si合金鑄造態(tài)組織,其晶粒尺寸粗大,晶界處存在一定數(shù)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(diǎn),因此推斷晶界處深色共晶組織為Al-Si共晶相。

由圖9a可見(jiàn),釬焊層界面附近焊縫組織形貌與鋁合金融合區(qū)附近焊縫組織基本相同,呈鑄造態(tài)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(cè),晶粒尺寸越大。在晶粒內(nèi)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(qū)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(qū)未發(fā)現(xiàn)鈦合金大量熔化或未熔合現(xiàn)象。釬焊界面呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu),由鋸齒狀反應(yīng)層、中間灰白色反應(yīng)層和灰暗色薄層組成。其中,灰白色反應(yīng)層厚度均勻,接頭上部反應(yīng)層較厚,由此可推測(cè)接頭上部鈦合金受電弧直接加熱發(fā)生了微量熔化,導(dǎo)致形成了一定厚度的鈦鋁熔合區(qū),熔合區(qū)內(nèi)應(yīng)為T(mén)i∕Al液態(tài)混合形成的一系列金屬間化合物。熔合區(qū)和鈦合金之間的界面為灰暗色、平直的薄層,基本無(wú)組織過(guò)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(jié)合強(qiáng)度。

4、結(jié)論

針對(duì)Ti∕Al異種合金MIG電弧熔釬焊工藝,通過(guò)建立可靠的有限元模型,對(duì)焊接過(guò)程中瞬態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行了分析。采用優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),探究焊接接頭界面形態(tài),得出以下結(jié)論:(1)熔釬焊過(guò)程中兩側(cè)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)呈非對(duì)稱(chēng)式分布。鈦合金一側(cè)溫度梯度較大,焊縫附近應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。焊接熱輸入、電弧偏移量對(duì)焊接過(guò)程的影響表現(xiàn)在鈦合金界面的溫度梯度變化。

優(yōu)化后合理的工藝參數(shù)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(cè)偏移0.5mm。(2)采用優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),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(qū)域發(fā)生微量熔化,形成具有一定厚度的多層結(jié)構(gòu)熔合區(qū)。釬焊截面周?chē)缚p中存在一定數(shù)量的棒狀、塊狀的析出相,推測(cè)為T(mén)i∕Al金屬間化合物。

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作者簡(jiǎn)介: 汪保良 (1982—), 男, 碩士, 高級(jí)工程師, 主要從事特 種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)、 結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試、 失效分析等方面的科研工作, 發(fā) 表論文 10 余篇.