焊接接头的组织性能优化分析

钛合金焊缝凝固结晶特点直接影响其组织性能，焊接方法及焊接参数等也会影响焊缝凝固组织的晶粒生长、晶粒尺寸和焊后冷却速度，最终影响焊缝组织性能。其中，熔合区的微观组织对接头区性能影响很大。焊后热处理是改善焊缝组织性能的有效手段，可通过特定的热处理达到改善微观组织的目的。

为了研究钛合金焊接接头区的组织变化，用TIG焊试验了两种焊接接头。将较厚的纯钛板材的接头加工成V形坡口（60°），清理干净接头处的氧化物、金属残渣和油污后，用两组工艺进行焊接：

（1）低氧焊缝 前2条焊道在充氩焊箱内焊接，后2条焊道在焊箱外用焊炬上的氩气进行保护。

（2）高氧焊缝 4条焊道均在焊箱外进行焊接，仅有氩气保护。

对两组试样的力学性能试验表明，两组焊缝的强度性能都不如钛合金基体金属，低氧焊缝的强度约为基体金属的67%，高氧焊缝的强度仅为基体金属的25%。低氧焊缝的O含量与基体金属和焊丝的基本相同，而高氧焊缝的O含量是基体金属和焊丝的2倍多。

显微组织分析表明，沿焊缝自上而下，接近表面处的氧含量和硬度有所升高，C、N含量则相对稳定，O含量高的焊缝硬度明显高于O含量低的焊缝；垂直于焊缝方向，在焊缝中心线上的硬度最低，在热影响区的硬度有所增加，基体金属处于一恒定值，而且O、C、N含量也基本恒定。

两组焊缝的显微组织分析表明，弯曲试验后的焊缝均发生了开裂；由于两组焊缝的热输入相同，焊缝和热影响区的显微组织相似：焊缝的显微组织为典型的α相，焊缝中心处的晶粒尺寸粗大，β相在晶界上析出；热影响区的晶粒尺寸逐渐降低至基体金属的20μm；基体金属的α相为等轴晶，α相晶内外残留有少量高温β相。高氧含量焊缝的上部存在明显的氧污染，还可见到带有魏氏体片的针状α相和沿晶界析出的β相。这是由于高温下Ti与TiO₂之间发生包晶反应所致，焊后快速冷却时，氧的存在使部分β相保留到了室温。(www.xing528.com)

钛合金焊接区加热到高于α→β转变的临界温度时，晶粒开始长大的瞬间是以晶界突跃式位移的方式进行的；随着晶粒尺寸的增大，晶粒长大的速度减慢；但随着温度的提高，晶粒长大的速度又重新加快。

钛合金焊接时热影响区β相晶粒的长大，首先取决于最高加热温度，在此温度下的停留时间和近缝区的冷却速度，对晶内组织和晶粒尺寸产生显著影响，而对晶内组织的影响又远大于对晶粒尺寸的影响。在靠近熔合区的热影响区粗晶区，晶粒长大使焊接接头的强度和塑性降低；钛合金焊缝和近缝区金属的粗大结晶组织，也导致韧性降低。

钛合金焊缝金属中细小的魏氏组织和晶界α相分布提高了接头区的断裂强度，这与退火β钛合金断裂强度提高相一致。这种高断裂强度的产生原因是沿β相晶界裂纹尖端的钝化及分枝。用高能束方法焊接α+β钛合金时，焊缝金属断裂强度明显低于母材。

尽管优化了焊接工艺及参数，采用了冶金和焊后热处理等措施，使钛合金焊缝金属的静载强度和塑性提高到接近母材的水平，但由于焊缝金属中粗大柱状晶的存在，使钛合金焊缝金属动载强度和耐蚀性显著降低。

以上分析表明，钛及钛合金焊接中，加强氩气保护和控制热输入对提高焊接接头的抗裂性和力学性能是非常重要的。