热连轧高强钛合金厚壁管道的TIG工艺及组织和性能

冯靖， 吕雪岩， 周晓锋， 武少杰， 程方杰，2

(1.天津大学，天津 300072；2.天津市现代连接技术重点实验室，天津 300072)

0 前言

钛及钛合金作为20世纪中叶发展起来的一种重要金属材料，在性能上具有低温性能好、比强度高、抗冲击性能与耐腐蚀性能强等优点，满足了许多海洋工程材料的特殊要求，因此钛合金享有“海洋金属”、“智能金属”等美誉[1-2]。另外，在某些特定腐蚀环境下，钛合金管也成为代替不锈钢管、铜合金管及镍基合金管的理想材料，在显著提高管道寿命的同时，还可达到减重的目的[3]。在国外，钛合金管道已经被成功用于了高温油井管、医疗设备介入导管、飞机舰船的燃料和冷却管道系统[4]；国内对于钛合金管道焊接性的研究尚未形成成熟的体系，特别是在批量化生产高强度高耐蚀性的厚壁无缝管及其配套焊接工艺方面明显落后工业发达国家，这极大限制了国内钛合金管道的推广应用。

钛合金由于熔点高、导热性差、在焊接等热加工过程中易吸收H，O，N等元素使得接头产生脆化等，严重地降低了焊接接头的综合力 学性能[5-6]。理论上，常用的焊接工艺包括等离子弧焊、电子束焊、激光焊、MIG、电渣焊及TIG等都可以用于钛合金的焊接[7-13]。但经过调研发现，在诸多的钛合金焊接方法中，真正在工程上应用最成熟和最广泛的还是TIG，TIG工艺虽然效率较低，但是它具有操作灵活、适用范围广、成本低及接头综合性能高等优点[14]。

该研究选用了自动送丝和手动填丝2种典型的TIG进行工艺开发。文中的焊接对象是采用热连轧工艺制造的一种厚壁高强高耐蚀的钛合金无缝管，热连轧作为一种简便高效的钛合金管材生产技术，可实现厚壁钛合金无缝管的连续化生产，但热连轧工艺具有厚度公差大、生产管胚短的缺点，通常需要配合相应的焊接成形工序。文中采用TIG手工填丝和自动送丝2种焊接方式进行工艺试验，对比分析了2种TIG焊接方法下焊缝的成形、组织及力学性能差异，对于该系厚壁高强高耐蚀的钛合金无缝管的焊接生产具有一定的参考价值。

1 试验材料、设备及方法

TIG自动送丝选用了福尼斯TransTig型焊机，TIG手工填丝选用了米勒350型多功能焊机。试验材料选用了198 mm×89 mm×7.8 mm的Ti-Al-Nb-Zr-Mo系近α型无缝高强钛管。自动送丝选用了直径1.6 mm、钛含量大于99.9%、标称抗拉强度为295～470 MPa的HTA0-1M纯钛型焊丝，手工填丝工艺使用同材质直径3.0 mm的焊料棒。管与管之间采用V形坡口对接，坡口角度为60°±5°，钝边尺寸为1 mm，坡口间隙量为1.5 mm，焊道排布及坡口形貌尺寸如图1所示。保护气采用纯度为99.99%的高纯氩气，保护气流量为15 L/min，焊接过程中采用拖罩通氩气对高温焊缝进行保护，尾罩保护气流量为20 L/min。TIG自动送丝与手工填丝的焊接电参数和运动参数见表1。

图1 TIG过程焊道排布及坡口尺寸形貌图

表1 2种TIG方式下焊接工艺参数

由于TIG自动送丝与手工填丝选用的试验材料、尺寸一致，因此采用相同的取样标准进行力学综合性能评判。采用线切割的方法分别在钛管上截取2个全厚度尺寸的拉伸标准试样和9个冲击标准试样，冲击试样的缺口分别开在母材、热影响区处和焊缝处，取样标准参照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》和GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》。

硬度测试选用了HVA-10A型小负荷的显微维氏硬度仪，测量载荷为1 kg，负载时间10 s，测量位置为焊缝上沿距离表面4 mm位置处。从焊缝中心线到母材方向，每隔0.5 mm进行一次硬度测试；拉伸试验在MTS的电子万能拉伸机上进行，试验前用水砂纸打磨线切割加工面，以保证试验的准确性；冲击试验采用摆锤式冲击试验机在-10 ℃条件下保温15 min后，分别对母材、热影响区及焊缝区域进行试验，测试结果取平均值。

2 焊缝成形及组织分析

图2为2种焊接方法下接头的宏观形貌，可以看出，TIG自动送丝的接头宏观成形要优于TIG手工填丝，这取决于小尺寸管道自动焊下具有更高的精准度与稳定性。TIG手工填丝接头表面成形不均匀，形成了明显的余高，约为1.5 mm。TIG自动送丝的接头表面光滑平整，无明显余高，焊缝表面有亮银色鱼鳞纹产生。2种TIG方法下的熔宽均在10 mm左右，且表面均无明显氧化、未熔合和气孔等缺陷产生；图3为2种焊接方法下接头的截面形貌，由图可知，焊缝背部均存在一定的余高。此外，TIG手工填丝由于热输入更大、焊接过程中的热作用更加随机复杂，截面形貌表现更粗大的晶粒尺寸及更复杂的组织变化特征。

图2 2种TIG焊接方法下的钛管表面形貌

图3 2种TIG焊接方式下钛管截面形貌

由图4可知，母材主要由白亮色初生等轴α相、魏氏组织及少量β相成。魏氏组织为原β晶粒上析出的平行片层状α相。钛合金中魏氏组织的形成机理是当加热到β相区温度下缓慢冷却，α片层充分生长而形成，其组织特点表现为断裂韧性高，延伸率差，母材中魏氏组织的出现是热连轧过程中变形量不足与冷却速度慢导致的。

图4 母材微观组织

2种焊接方法下焊缝及热影响区组织形貌如图5所示，图5a和图5e截取了2种焊接方法下接头的典型区域。其中，TIG手工填丝的热输入要远大于自动送丝，导致2种方法下的焊缝及热影响区处组织特征有一定的区别。图5b与图5f为过渡区组织，在高于β相变点的焊接热循环作用下，该区域中原始等轴初生α相和β相发生了明显粗化，原始等轴α晶粒上析出了大量的不均匀β相，导致过渡区中原始等轴α组织的晶界特征变得模糊，并伴随有少量细针状α’马氏体生成，2种焊接方法下过渡区组织无明显差异；图5c与图5g为热影响区组织，该区域所经历的焊接热循环峰值温度升高，晶粒尺寸变大。其中，TIG手工填丝下β晶界轮廓明显，并沿β晶界首先析出连续的晶界α相，β晶界内部生成了大量的细针状α’马氏体。TIG自动送丝下原始β晶界难以发现，生成粗大的α’马氏体组织。相比而言，手工填丝下接头的粗晶区形成的细针状α’马氏体比例更高，尺寸更加均匀细长；图5d与图5h为焊缝区组织，TIG手工填丝焊缝处的组织为沿β晶界形成的高长径比大板条状α，以及少量块状α和细针状α’马氏体组织，β晶界不再清晰；TIG自动送丝焊缝处组织主要为沿β晶界生长出大块状α组织和少量细针状α’马氏体组织。

图5 2种TIG下的热影响区组织与焊缝微观组织

3 力学性能分析

3.1 显微硬度

图6为2种焊接方法下的硬度变化规律，数据得出，TIG自动送丝和手工填丝下接头的硬度变化规律近似，总体硬度趋势均为热影响区>母材>焊缝。热影响区处由于冷却速度超过了临界冷却温度而形成了大量硬、脆的α’马氏体，导致硬度值相比于母材显著提升。而焊缝由于填充材料为纯钛，合金元素含量低，凝固过程中仅形成的α’马氏体比例大大减少，接头处硬度发生了明显的软化。此外，TIG手工填丝在焊缝及热影响区处整体硬度值要高于自动送丝，这与手工填丝热输入高，导致β晶粒尺寸更大，Ms点上升，生成马氏体含量更多导致的。

图6 显微硬度分布图

3.2 拉伸性能

由表2可知，TIG自动送丝下接头的平均抗拉强度为603.8 MPa，手工填丝下接头的平均抗拉强度为571.7 MPa，自动送丝下接头的抗拉强度略高于手工填丝。由图7可知，2种焊接方法下的拉伸试样均断裂在焊缝的位置处，焊缝处抗拉强度低于母材。

表2 TIG自动送丝与手工填丝拉伸性能

图7 拉伸试样断裂位置

图8为2种焊接方法下的断口形貌，TIG自动送丝和手工填丝下拉伸接头断口形貌表现为大量网状等轴韧窝，同时混合了一定比例的光滑解理面。相比之下，TIG自动送丝断口处的韧窝更加致密，尺寸小而深，抗拉强度更高。2种焊接方法下的拉伸试样断裂形式均为韧性断裂+少量的解理断裂形式。

图8 试样断口形貌

3.3 冲击试验结果

图9给出了2种焊接方法下的冲击试验结果。TIG自动送丝的试样冲击韧性无明显差异，TIG手工填丝下热影响区的冲击韧性要优于母材。对于焊缝及热影响区，TIG手工填丝的冲击功高于TIG自动送丝。观察冲击试样发现，TIG自动送丝下，缺口开在不同位置处的试样全部断裂，而TIG手工填丝下，缺口开在热影响处的试样仍保证了部分连接。

图9 TIG自动送丝与手工填丝冲击结果图

4 讨论

该次试验选取了TA0级的纯钛焊材，该焊材的标称抗拉强度仅为295～470 MPa。拉伸试验结果得出，尽管焊缝抗拉强度仍低于母材，但是TIG手工填丝抗拉强度可达571.7 MPa，TIG自动送丝更是达到了603.8 MPa，抗拉强度远高于焊材标称抗拉强度。这是因为钛合金TIG焊过程中，焊缝及热影响区处冷却速度超过生成马氏体的临界速度，析出了一定量的马氏体组织，提高了焊缝的抗拉强度，这为钛合金焊材选取提供了参考。焊接过程中要充分考虑焊缝冷却速度、焊材合金元素对焊缝组织转变过程的影响，可以通过低合金化的材料作为填充金属，利用快速冷却形成一定量的马氏体相提升接头强度和硬度，获得综合性能优异的焊接接头，不宜简单遵循钢材焊接时选择成分近似填充金属的原则。

文中试验结果发现TIG手工填丝下热影响区表现出了优异的冲击韧性(78.5 J)，甚至明显高于母材(57.7 J)。可以推测，该热输入下的手工多层多道焊复杂的热过程可能也是一种不错的热处理过程，使热影响区处原交织分布的针状马氏体组织发生相变，沿晶界形成了白块状α组织，进而提升接头韧性。出现该现象的具体原因尚不清楚，还需要后续进一步的研究分析。

5 结论

(1)采用自动送丝或手动填丝的TIG焊工艺都可以成功的实现厚壁钛合金管的环缝焊接，焊道成形良好，颜色银白而且无气孔、未熔合和夹渣等缺陷。

(2)2种TIG焊接方法下热影响区组织差异不大，都是由沿粗大的β晶粒边界析出的连续晶界α相和晶内大量交错分布的细针状α’组织构成；焊缝区组织主要是沿β晶粒生成的板条状α、大块状α及少量α’马氏体组织构成。

(3)TIG自动送丝焊接接头的平均抗拉强度为603.8 MPa，TIG手工填丝下接头的平均抗拉强度略低，为571.7 MPa。断裂发生在焊缝金属上。

(4)TIG自动送丝和手工填丝接头处均表现了良好的冲击韧性，前者热影响区的冲击吸收能量甚至超过了母材。