引言

钛脊合金因拥有比强度高、耐侵蚀性好、质量轻蹬着点[1-2]，且在高和善低温环境下均拥有优良的机械机能[3]，在航空航天、舰船造作及军事设备领域均有宽泛的利用[4]。钛合金重要依附焊接进行分歧组件衔接，激光焊接[5]、电子束焊接[6]、摩擦焊接[7]等焊接技术虽能获得质量较高的焊接接头，但由于成本较高导致不能大领域推广使用[8]。相比之下，MIG焊有较好的沉积率，更高的焊接效能，较低的成本蹬着点，因而受到宽泛利用。但是MIG焊接时热输入集中，可能会导致焊接资料部门过热，从而引起侧壁过熔和热裂纹等缺点，使接头质量降落[9]。

焊接过程中，通过送丝大局的扭转，如选取双丝、多丝、以及缆式焊丝等能够实现焊接效能、焊缝成分以及接头机能的设计与扭转。这其中缆式焊丝因其怪异的结构特点还可在MIG焊接过程中形成自旋转电弧效应，提升焊接质量而逐步受到人们青睐。缆式焊丝通常是由多股丝材通过绞合方式造备而成。常见的缆式焊丝多由七根一样直径丝材绞合而成，一根丝材在中心，另表六根丝材均匀缠绕散布在中心丝周围，其散布如图1所示。

MIG焊接过程中缆式焊丝溶解时六根表围导线结尾的幼液滴在电磁力的作用下向中心丝结尾的幼液滴荟萃成长，在电磁力和表表张力的作用下形成较大的耦合液滴[10]。同时，电弧中沉力和电弧耦合力以及缆式焊丝造备时绞造丝材的约束力共同作用于液滴[11]。耦合液滴剧烈的自转活动对熔池有强烈的搅拌作用，可能提高熔池金属液体流速，推进熔池与侧壁之间的传热，增长电弧对侧壁的穿透力[12-13]，并推进熔池内的气体逸出，有利于削减焊接缺点。此表，自旋转电弧的搅拌作用使得熔池温度场及元素散布更均匀，且对晶核的破碎效应拥有细化晶粒的作用，有助于减弱焊接接头残存应力，提升焊接接头机能。钻研批注，缆式焊丝CO2焊的熔敷率相对于单丝CO2焊提高40%，缆式焊丝埋弧焊相对单丝埋弧焊节能提高25%

Fang等[15]通过尝试发现，缆式焊丝埋弧焊与通常焊丝埋弧焊均拥有优良的堆焊成形机能，但焊缝机能有较大差距。缆式焊丝埋弧焊的电磁压力和两坡口界面间的温度变动梯度均幼于通常焊丝埋弧焊。缆式焊丝自旋转电弧作用下，熔池中的液态金属呈螺旋状流动，加快冷却速度降低过热偏差。使用H10Mn2缆式焊丝进行A36钢埋弧堆焊时，旋转电弧能够使共析铁素体破碎成碎片，堆焊层中粗壮的共析铁素体数量削减，组织变得藐幼均匀，同时缆式焊丝埋弧堆焊的硬度较高。Chen等[16]使用缆式焊丝焊接AH36钢，旋转电弧推进熔融金属的搅拌，搅拌作用加强了熔融金属的流动，加快熔池向侧壁的传热，提高侧壁熔深、细化焊缝晶粒。

缆式焊丝的结构特点不只使其能够有助于降低能耗、提升焊接效能和焊接接头机能，还可所以一种新型合金设计造备伎俩和步骤？翁庾暄型哦永美滤拷屎显毂杆枷肫平飧哽睾辖鹚坎墓こ袒毂改烟，设计造备出一款MoNbTaWTi难熔高熵合金缆式丝材，并发展了MoNbTaWTi难熔高熵合金线弧增材造作成形尝试，所造备的MoNbTaWTi难熔高熵合金成形层结构为单一的BCC相，室温均匀硬度值为533HV 0.2 [17]。同时，基于NbMoTaNiCr缆式丝材使用TIG旋转电弧技术造备的FCC固溶体相结构涂层均匀硬度为911HV，超过目前所有已知的BCC结构高熵合金硬度，达到了非晶硬度水平[18]，有关钻研成就已获批中国国度发现专利3项。荆州大学的陈希章教授也选取同样步骤进行FeCoCrNi系高熵合金的电弧成形钻研获得较好的合金机能[19]。

缆式焊丝焊接已展示出很好的技术优势与发展潜力，但目前尚无缆式焊丝在钛合金焊接中的利用报导。本文设计造备了TC4钛合金缆式焊丝并发展TC4钛合金MIG自旋转电弧焊接尝试，钻研焊接接头的组织及机能，可为实现TC4合金高质量焊接提供技术支持，同时也有助于进一步推动缆式焊丝焊接技术的利用与发展。

1、尝试

焊接电源为松下公司出产的YD-350GL5MIG焊机。焊接母材为TC4合金，尺寸为100mm100mm9 mm，其成分含量见表1所示。缆式焊丝直径1.6mm，由7根直径0.5mm的TC4丝绞合造成，绞距12mm，成分同母材。尝试为在室温前提下进行的30°V型坡口对接焊，焊接前使用砂纸去除试样表表氧化层，并使用超声洗濯设备洗濯后烘干备用。

表1 Ti-6Al-4V合金板的化学成分(质量分数%)

Table 1Chemical Composition of Ti-6Al-4V Alloy Plate

尝试过程中焊接电流为190A、送丝速度7mm/s、焊接速度180mm/min。焊接时使用自行设计气体；ぷ爸枚院阜煺趁娼斜；，氩气流量为20L/min，焊接熄弧后持续吹气；5min。

焊接实现后首先使用AR80电火花线切割设备对焊缝进行切割取样，并对试样进行磨抛和侵蚀处置后，选取仪器设备对试样的组织机能进行观测分析。侵蚀液为配比3:6:91(HF:HNO₃:H₂O)的硝酸氢氟酸混合液。金相组织使用IMM 5000型光学显微镜观察分析。使用德国蔡司出产的 ZEISS Sigma 300型场发射扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscope，SEM)对焊接接头试样表表描摹进行观察分析，利用能谱(Energy Dispersive Spectroscopy，EDS)对元素散布进行分析，同时使用C-Nano+探测器对样品进行电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction，EBSD)测试，并选取Channel5软件对测试了局进行处置，分析焊缝的晶粒取向等信息;分析测试过程中电压为20kV，步长0.8μm。使用Bruker D8 Advance型X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)设备分析焊缝区与扰装响区的相结构，扫描速度为5deg/min，扫描角度为10°~90°。透射微观结构分析在JEM-F200透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)上进行，样品造备选取离子减薄法。首先，通过电火花线切割技术在焊缝中心区域截取约500μm厚的试样，并使用机械研磨将样品厚度降至约80μm，随后用冲头在样品上冲造出直径为3mm的圆形孔。离子减薄处置的参数设置如下:首先，在8°的角度下，以4.5keV的加快电压进行离子束处置，直至孔洞穿透样品中心;而后，调整角度至4°，以4keV的能量持续处置20分钟;最后，调整角度至3°，以3-3.5keV的离子束持续处置30分钟，以获得梦想的薄区结构。

使用 FM-700e型显微硬度测试仪进行硬度测试。测试时沿试样中心高度地位从左侧由基体向扰装响区到焊缝再到基体距离0.5mm取点进行硬度值丈量，载荷为2N，保载功夫为15s。使用CHI760E电化学工作站，选取三电极系统进行电化学测试。工作电极为TC4钛合金焊接接头，鼓和甘汞溶液为参比电极，铂片为辅助电极。测试时，工作电极先在开路电位下(OCP)不变3600s，后别离进行互换阻抗谱(EIS)测试、动电位极化测试。为保障测试的正确性，所有测试均至少设置3个苹叫样。

2、了局与分析

2.1组织结构

图2所示为焊接试样焊缝照片和接头焊缝横截面微观描摹图。由图2a能够看出，焊缝表表出现亮银色，注明焊接过程中执行的空气；ご胧┠芄挥行гし篮阜煅趸。由于没有匹配的缆式焊丝专用送丝机，送丝不变性有些许欠佳，造成焊接过程中的电弧不变性欠佳，焊接时坡口填充不够充盈，焊缝不够鼓满，焊缝底部发现有少量气孔存在(图2b)。焊接接头的焊缝区由典型的联生结晶柱状晶组成，柱状晶由两侧向焊缝中心处成长且对称散布。焊缝与扰装响区域界限显著，扰装响区均匀宽度为1.85mm。

焊接时由于缆式焊丝的特殊结构溶解时对熔池存在搅拌作用，加强熔融液态金属对坡口侧壁的冲击效应，同时增大焊接侧壁的热输入。通过图3a发现扰装响区随着温度升高组织产生相变，原始母材的片状 α相和晶间β相逐步变得吞吐，形成的显微组织重要为藐幼初生等轴α相及β相晶界，部门区域出现短粗的棒状 α ′相 [20]。焊缝区域(图3d中)出现 α ′马氏体，交错分列呈网篮状组织散布在 β晶粒内，同时图3d中也出现针状为主的 α'马氏体贯通整个晶粒并终止于β晶界，较幼的 α'马氏体起头成长达到另一个 α'马氏体或晶界时终场成长,形成篮状组织结构。由于钛合金在高温下 β相向 α'相转变时, α'先在 β相晶界受到阻止，并向晶内成长呈位向分列，因而原始β相晶界保留下来。网篮状马氏体组织不仅拥有优良的强度和硬度，其塑性、抗蠕变性和强度等机能均提高[21]。

X射线衍射(XRD)分析了局批注，TC4钛合金MIG焊接接头的扰装响区和焊缝区均由β-Ti相和α'马氏体相组成，且马氏体衍射峰占主导职位。这一景象与焊接过程中急剧冷却的动力学行为亲昵有关。在焊接热源的作用下，原始的α+β双相组织中的α相齐全溶化，形成单一的高温β相。随后，由于焊接熔池及其邻近区域经历了极高的冷却速度，高温β相产生了非扩散型的切变转变，转变为亚稳态的 α ′马氏体。焊缝区的β-Ti衍射峰强度显著高于扰装响区，这一景象可归因于两方面机造:一方面，焊缝中心经历了更高的峰值温度，导致β相晶粒的显著粗化，同时溶质元素(如V)的均匀化水平提高，从而抑造了β相向α'相的齐全转变;另一方面，扰装响区由于受温度梯杜装响，β相的不变性降低，从而推进了更多马氏体的形核。除此之表，焊接热循环过程中可能存在的原位回火效应，也会促使部门马氏体产生分化，然而由于急剧冷却前提的存在，亚稳相得以保留，最终形成以马氏体为主、残存β相为辅的典型焊接显微组织。

EBSD测试了局显示，TC4母材为等轴晶，如图5a所示，相较于焊缝区，扰装响区的晶粒取向比焊缝区的晶粒取向越发无序(图5b、c所示)。扰装响区重要由块状α相与针状a马氏体相组成，β相重要呈此刻晶粒边缘。焊缝区域能观察到网篮组织和 α ′马氏体相，这与SEM了局一致。母材均匀晶粒大幼为2.38μm，相对于母材，扰装响区与焊缝区域的晶粒尺寸大幅减幼，均匀晶粒尺寸别离为0.15μm与0.18μm，这可能与自旋转焊接过程快冷特点，以及自旋转电弧对熔池搅拌作用有关，见图6所示。

晶粒的取向差散布如图7，母材的晶粒取向差在0~5°周围，峰值呈此刻1.05°。扰装响区，焊缝区的取向差峰值也在1°左近，两者晶粒取向差0~5°领域内散布无显著差距，在8°~12°，55°~65°与85°~90°领域时，晶粒取向差散布呈加强趋向。晶粒取向差幼于15°时称为幼角度晶界(LAGBs)，大于15°时为大角度晶界(HAGBs)。扰装响区的幼角度晶界占比为17.69%，焊缝区域幼角度晶界占比为59.47%，这可归因于焊缝区凝固结晶时的非平衡急剧凝固，且产生联生结晶行为有关，导致(LAGBs)大量保留;而HAZ受到热处置作用产生回复再结晶行为，LAGBs占比天然较低。这与图5中显示的扰装响区晶粒取向越发无序和其均匀晶粒尺寸更藐幼拥有较好的一致性。

钛合金β→α相变是钛合金中最根基、最常见的相变，初生β相和α相之间的晶体取向遵循{0001}α∥{110}β和<112?0>α∥<111>β 的 Burgers 关系[22]。图8中{0001}极图批注，BM拥有典型的轧造织构，这也注明前文分析的扰装响区产生了回复再结晶的正确性。从焊缝区(Fusion Zone,FZ)和母材(Base Metal,BM)测得的{0001}和{10}极图分析发现{0001}基面的强度显著高于{10}棱柱面的强度{23]。

图9为焊缝中心地位TEM了局，图9a中能够看到焊缝中心区域出现针状/板条状 α ′相，其中板条状 α ′相数量较多并且在 α ′相转变过程中，β相重要存在 α ′相晶界之间。马氏体相变与位错有关，而位错通过应力场的作用产生，并通过应力开释过程产生湮灭或沉排？樽绰硎咸宓奈淮砻芏仍陡哂诎逄趼硎咸，块状马氏体易产生相变[24]。焊接时热输入越高，停顿在β相变温度以上功夫越多，急剧冷却后β相转变为马氏体的数量越多。较高热输入类似于淬火时的较高加热温度，增大了温度梯度使马氏体宽度增长。

2.2硬杜纂耐蚀性

图10所示为焊接接头硬度测试了局，由图示可知，TC4钛合金MIG自旋转电弧焊接接头焊缝区和扰装响区硬度均高于母材，其均匀硬度别离为393 HV\0{0.2}和364 HV\0{0.2}。由上文知焊缝区域重要是 α ′马氏体与 β相组成的“网篮组织”组成，钛合金中α'马氏体硬度>α相硬度>β相硬度[25]，钛合金中α相为六方晶系，β相为体心立方晶系，α相在HCP晶体结构滑移系统中的位错活动比在β相中的BCC少[26]，焊缝区域到扰装响区硬杜仔较大水平降落。由于MIG自旋转电弧焊接时接头冷却速度快，焊缝金属中形成大量的细长α'马氏体。α'马氏体订交错排各位错密度高，而扰装响区产生再结晶后位错密度降落，这是焊缝金属的硬度高于扰装响区和母材的重要原因。此表，钛合金焊缝金属的硬杜纂焊缝中针状马氏体 α ′相含量有关，即针状 α ′马氏体越多硬度越高。

图11显示，自旋转电弧焊接焊缝与TC4母材的极化曲线中，两者自侵蚀电位相近。当电压升高时，电流密度增长平缓，批注试样表表形成了钝化膜。在0V~0.9V电压区间，电流密度维持不变，样品处于钝化状态;超过0.9V后，钝化膜产生涯性溶化，样品沉新活化。钛合金的耐蚀性取决因而否维持钝化，钝化前提下TC4耐侵蚀性较强，未钝化时钛合金化学活跃性较强将会产生强烈的化学反映[27]。在含CI溶液中，钝化膜覆盖的TC4表表易产生点蚀。金属表表缺点处因电位较低成为阳极，形成氧浓差电池加快侵蚀向内部发展[28]。Tafel表推法获得的数据显示(表2)，MIG接头的侵蚀电位高于母材，批注其耐蚀性更优。

表2 MIG焊接接头与母材极化参数

Table 2 Polarization parameters of MIG welded joint and base material

图12a为等效电路图，图12(b,c)所示为自旋转电弧焊接焊缝与TC4母材的电化学阻抗谱,从图中能够看出，母材、焊缝的互换阻抗谱为单一的容抗弧，合金的表表天生的钝化膜结构为单层。母材的容抗弧的弯曲水平比力幼，注明电子等闲通过样品的表表膜，容易产生侵蚀。焊缝的容抗弧的弯曲水平比力大，证明表表膜比力不变，电子难以通过其表表，故障基体与周围环境介质的接触从而获得强耐蚀性，这与极化曲线的分析了局一致。在波特曲线中母材与焊缝在低频时有一样的阻抗模量值，高频时焊缝的阻抗模量值较高。高阻抗模量意味着更好的耐侵蚀性[29]。由此能够揣度焊缝的耐蚀性优于母材。

3、结论

使用钛合金缆式焊丝发展TC4钛合金MIG自旋转电弧焊接尝试，通过对焊接接头组织及力学机能测试得出以下结论。

(1)缆式焊丝焊接过程中，焊缝的形成是个非平衡凝固急剧冷区过程，加上受电弧自旋转效应产生的熔池搅拌作用。焊缝区产生联生结晶行为，形成由β相与α'相组成的篮状组织结构，其幼角度晶界占比为59.47%，均匀晶粒尺寸较母材幼，为0.18μm。HAZ受到热处置作用产生回复再结晶行为，组织重要由藐幼初生等轴 α相及 β相组成，晶粒越发藐幼，取向性越发无序，均匀晶粒尺寸为0.15μm，幼角度晶界占比为17.67%。

(2)TC4钛合金MIG自旋转电弧焊接接头焊缝区和扰装响区硬度均高于母材，其均匀硬度别离为393 HV_0.2 和364HV_0.2电化学测试批注，焊接接头的耐蚀性优于TC4母材。极化曲线显示接头拥有更高的侵蚀电位(-0.594VsCE)和相近的侵蚀电流密度(~10^-7A/cm²量级)，且钝化区间更不变;电化学阻抗谱进一步证实焊缝区钝化膜阻抗模量更高、容抗弧曲率更大，批注其表表膜层更致密，有效抑造了CI-环境中的侵蚀扩大。

(3)缆式焊丝自旋转电弧焊接是一种有潜力和发展远景的焊接技术，可以为金属结构(零部)件的高质量衔接提供技术支持。下一步，设计开发缆丝配套送丝机构，解决缆丝焊接过程中送丝不不变问题，将有助于进一步提升焊接接头质量和机能。

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（注，原文标题：TC4合金自旋转电弧焊接接头组织及机能钻研）

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