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新型TC4钛合金缆式焊丝设计制备及其MIG自旋转电弧焊接特征研究——基于多表征手艺剖析焊接讨论微观组织演化，，，，，，，，填补缆式焊丝在钛合金焊接领域的应用空缺，，，，，，，，为TC4合金高效高质量焊接提供全新手艺支持与理论依据

宣布时间：2026-01-23 22:10:25 浏览次数：

小序

钛及钛合金因具有比强度高、耐侵蚀性好、质量轻等优点[1-2]，，，，，，，，且在高温顺低温情形下均具有优异的机械性能[3]，，，，，，，，在航空航天、舰船制造及军事装备领域均有普遍的应用[4]。。。。。钛合金主要依赖焊接举行差别组件毗连，，，，，，，，激光焊接[5]、电子束焊接[6]、摩擦焊接[7]等焊接手艺虽能获得质量较高的焊接讨论，，，，，，，，但由于本钱较高导致不可大规模推广使用[8]。。。。。相比之下，，，，，，，，MIG焊有较好的沉积率，，，，，，，，更高的焊接效率，，，，，，，，较低的本钱等优点，，，，，，，，因而受到普遍应用。。。。。可是MIG焊接时热输入集中，，，，，，，，可能会导致焊接质料局部过热，，，，，，，，从而引起侧壁过熔和热裂纹等缺陷，，，，，，，，使讨论质量下降[9]。。。。。

焊接历程中，，，，，，，，通过送丝形式的改变，，，，，，，，如接纳双丝、多丝、以及缆式焊丝等可以实现焊接效率、焊缝因素以及讨论性能的设计与改变。。。。。这其中缆式焊丝因其奇异的结构特点还可在MIG焊接历程中形成自旋转电弧效应，，，，，，，，提升焊接质量而逐渐受到人们青睐。。。。。缆式焊丝一样平常是由多股丝材通过绞合方法制备而成。。。。。常见的缆式焊丝多由七根相同直径丝材绞合而成，，，，，，，，一根丝材在中心，，，，，，，，另外六根丝材匀称纠葛漫衍在中心丝周围，，，，，，，，其漫衍如图1所示。。。。。

MIG焊接历程中缆式焊丝熔化时六根外围导线最后的小液滴在电磁力的作用下向中心丝最后的小液滴群集生长，，，，，，，，在电磁力和外貌张力的作用下形成较大的耦合液滴[10]。。。。。同时，，，，，，，，电弧中重力和电弧耦协力以及缆式焊丝制备时绞制丝材的约束力配相助用于液滴[11]。。。。。耦合液滴强烈的自转运动对熔池有强烈的搅拌作用，，，，，，，，能够提高熔池金属液体流速，，，，，，，，增进熔池与侧壁之间的传热，，，，，，，，增添电弧对侧壁的穿透力[12-13]，，，，，，，，并增进熔池内的气体逸出，，，，，，，，有利于镌汰焊接缺陷。。。。。别的，，，，，，，，自旋转电弧的搅拌作用使得熔池温度场及元素漫衍更匀称，，，，，，，，且对晶核的破碎效应具有细化晶粒的作用，，，，，，，，有助于削弱焊接讨论剩余应力，，，，，，，，提升焊接讨论性能。。。。。研究批注，，，，，，，，缆式焊丝CO2焊的熔敷率相关于单丝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]通过实验发明，，，，，，，，缆式焊丝埋弧焊与通俗焊丝埋弧焊均具有优异的堆焊成形性能，，，，，，，，但焊缝性能有较大差别。。。。。缆式焊丝埋弧焊的电磁压力和两坡口界面间的温度转变梯度均小于通俗焊丝埋弧焊。。。。。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，，，，，，，，加速冷却速率降低过热倾向。。。。。使用H10Mn2缆式焊丝举行A36钢埋弧堆焊时，，，，，，，，旋转电弧可以使共析铁素体破碎成碎片，，，，，，，，堆焊层中粗大的共析铁素体数目镌汰，，，，，，，，组织变得细小匀称，，，，，，，，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，，，，，，，，旋转电弧增进熔融金属的搅拌，，，，，，，，搅拌作用增强了熔融金属的流动，，，，，，，，加速熔池向侧壁的传热，，，，，，，，提高侧壁熔深、细化焊缝晶粒。。。。。

缆式焊丝的结构特点不但使其可以有助于降低能耗、提升焊接效率和焊接讨论性能，，，，，，，，还可以是一种新型合金设计制备手段和要领。。。。？？？？？？？？翁庋芯客哦邮褂美滤拷屎现票竿纺云平飧哽睾辖鹚坎墓こ袒票改烟，，，，，，，，设计制备出一款MoNbTaWTi难熔高熵合金缆式丝材，，，，，，，，并开展了MoNbTaWTi难熔高熵合金线弧增材制造成形实验，，，，，，，，所制备的MoNbTaWTi难熔高熵合金成形层结构为简单的BCC相，，，，，，，，室温平均硬度值为533HV 0.2 [17]。。。。。同时，，，，，，，，基于NbMoTaNiCr缆式丝材使用TIG旋转电弧手艺制备的FCC固溶体相结构涂层平均硬度为911HV，，，，，，，，凌驾现在所有已知的BCC结构高熵合金硬度，，，，，，，，抵达了非晶硬度水平[18]，，，，，，，，相关研究效果已获批中国国家发明专利3项。。。。。温州大学的陈希章教授也接纳同样要领举行FeCoCrNi系高熵合金的电弧成形研究获得较好的合金性能[19]。。。。。

缆式焊丝焊接已展现出很好的手艺优势与生长潜力，，，，，，，，但现在尚无缆式焊丝在钛合金焊接中的应用报导。。。。。本文设计制备了TC4钛合金缆式焊丝并开展TC4钛合金MIG自旋转电弧焊接实验，，，，，，，，研究焊接讨论的组织及性能，，，，，，，，可为实现TC4合金高质量焊接提供手艺支持，，，，，，，，同时也有助于进一步推动缆式焊丝焊接手艺的应用与生长。。。。。

1、实验

焊接电源为松下公司生产的YD-350GL5MIG焊机。。。。。焊接母材为TC4合金，，，，，，，，尺寸为100mm100mm9 mm，，，，，，，，其因素含量见表1所示。。。。。缆式焊丝直径1.6mm，，，，，，，，由7根直径0.5mm的TC4丝绞合制成，，，，，，，，绞距12mm，，，，，，，，因素同母材。。。。。实验为在室温条件下举行的30°V型坡口对接焊，，，，，，，，焊接前使用砂纸去除试样外貌氧化层，，，，，，，，并使用超声洗濯装备洗濯后烘干备用。。。。。

表1 Ti-6Al-4V合金板的化学因素(质量分数%)

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

元素	Ti	Al	V	Fe	O	C	C
含量/%	余量	5.5~6.75	3.5~4.5	≤0.30	≤0.20	≤0.08	≤0.015

实验历程中焊接电流为190A、送丝速率7mm/s、焊接速率180mm/min。。。。。焊接时使用自行设计气体；；；；；；；ぷ爸枚院阜煺趁婢傩斜；；；；；；；，，，，，，，，氩气流量为20L/min，，，，，，，，焊接熄弧后一连吹气；；；；；；；5min。。。。。

焊接完成后首先使用AR80电火花线切割装备对焊缝举行切割取样，，，，，，，，并对试样举行磨抛和侵蚀处置惩罚后，，，，，，，，接纳仪器装备对试样的组织性能举行视察剖析。。。。。侵蚀液为配比3:6:91(HF:HNO₃:H₂O)的硝酸氢氟酸混淆液。。。。。金相组织使用IMM 5000型光学显微镜视察剖析。。。。。使用德国蔡司生产的 ZEISS Sigma 300型场发射扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscope，，，，，，，，SEM)对焊接讨论试样外貌形貌举行视察剖析，，，，，，，，使用能谱(Energy Dispersive Spectroscopy，，，，，，，，EDS)对元素漫衍举行剖析，，，，，，，，同时使用C-Nano+探测器对样品举行电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction，，，，，，，，EBSD)测试，，，，，，，，并接纳Channel5软件对测试效果举行处置惩罚，，，，，，，，剖析焊缝的晶粒取向等信息;剖析测试历程中电压为20kV，，，，，，，，步长0.8μm。。。。。使用Bruker D8 Advance型X射线衍射(X-Ray Diffraction，，，，，，，，XRD)装备剖析焊缝区与热影响区的相结构，，，，，，，，扫描速率为5deg/min，，，，，，，，扫描角度为10°~90°。。。。。透射微观结构剖析在JEM-F200透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)上举行，，，，，，，，样品制备接纳离子减薄法。。。。。首先，，，，，，，，通过电火花线切割手艺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制出直径为3mm的圆形孔。。。。。离子减薄处置惩罚的参数设置如下:首先，，，，，，，，在8°的角度下，，，，，，，，以4.5keV的加速电压举行离子束处置惩罚，，，，，，，，直至孔洞穿透样品中心;然后，，，，，，，，调解角度至4°，，，，，，，，以4keV的能量一连处置惩罚20分钟;最后，，，，，，，，调解角度至3°，，，，，，，，以3-3.5keV的离子束继续处置惩罚30分钟，，，，，，，，以获得理想的薄区结构。。。。。

使用 FM-700e型显微硬度测试仪举行硬度测试。。。。。测试时沿试样中心高度位置从左侧由基体向热影响区到焊缝再到基体距离0.5mm取点举行硬度值丈量，，，，，，，，载荷为2N，，，，，，，，保载时间为15s。。。。。使用CHI760E电化学事情站，，，，，，，，接纳三电极系统举行电化学测试。。。。。事情电极为TC4钛合金焊接讨论，，，，，，，，饱和甘汞溶液为参比电极，，，，，，，，铂片为辅助电极。。。。。测试时，，，，，，，，事情电极先在开路电位下(OCP)稳固3600s，，，，，，，，后划分举行交流阻抗谱(EIS)测试、动电位极化测试。。。。。为包管测试的准确性，，，，，，，，所有测试均至少设置3个平行样。。。。。

2、效果与剖析

2.1组织结构

图2所示为焊接试样焊缝照片和讨论焊缝横截面微观形貌图。。。。。由图2a可以看出，，，，，，，，焊缝外貌泛起亮银色，，，，，，，，说明焊接历程中实验的气氛；；；；；；；げ椒タ梢杂杏帽苊夂阜煅趸。。。。。由于没有匹配的缆式焊丝专用送丝机，，，，，，，，送丝稳固性有些许欠佳，，，，，，，，造成焊接历程中的电弧稳固性欠佳，，，，，，，，焊接时坡口填充不敷充裕，，，，，，，，焊缝不敷饱满，，，，，，，，焊缝底部发明有少量气孔保存(图2b)。。。。。焊接讨论的焊缝区由典范的联生结晶柱状晶组成，，，，，，，，柱状晶由两侧向焊缝中心处生长且对称漫衍。。。。。焊缝与热影响区域界线显着，，，，，，，，热影响区平均宽度为1.85mm。。。。。

焊接时由于缆式焊丝的特殊结构熔化时对熔池保存搅拌作用，，，，，，，，增强熔融液态金属对坡口侧壁的攻击效应，，，，，，，，同时增大焊接侧壁的热输入。。。。。通过图3a发明热影响区随着温度升高组织爆发相变，，，，，，，，原始母材的片状 α相和晶间β相逐渐变得模糊，，，，，，，，形成的显微组织主要为细小初生等轴α相及β相晶界，，，，，，，，部分区域泛起短粗的棒状 α ′相 [20]。。。。。焊缝区域(图3d中)泛起 α ′马氏体，，，，，，，，交织排列呈网篮状组织漫衍在 β晶粒内，，，，，，，，同时图3d中也泛起针状为主的 α'马氏体贯串整个晶粒并终止于β晶界，，，，，，，，较小的 α'马氏体最先生长抵达另一个 α'马氏体或晶界时阻止生长,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，，，，，，，，并向晶内生长呈位向排列，，，，，，，，因此原始β相晶界保存下来。。。。。网篮状马氏体组织不但具有优异的强度和硬度，，，，，，，，其塑性、抗蠕变性和强度等性能均提高[21]。。。。。

X射线衍射(XRD)剖析效果批注，，，，，，，，TC4钛合金MIG焊接讨论的热影响区和焊缝区均由β-Ti相和α'马氏体相组成，，，，，，，，且马氏体衍射峰占主导职位。。。。。这一征象与焊接历程中快速冷却的动力学行为亲近相关。。。。。在焊接热源的作用下，，，，，，，，原始的α+β双相组织中的α相完全消融，，，，，，，，形成简单的高温β相。。。。。随后，，，，，，，，由于焊接熔池及其相近区域履历了极高的冷却速率，，，，，，，，高温β相爆发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衍射峰强度显着高于热影响区，，，，，，，，这一征象可归因于两方面机制:一方面，，，，，，，，焊缝中心履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)的匀称化水平提高，，，，，，，，从而抑制了β相向α'相的完全转变;另一方面，，，，，，，，热影响区由于受温度梯度影响，，，，，，，，β相的稳固性降低，，，，，，，，从而增进了更多马氏体的形核。。。。。除此之外，，，，，，，，焊接热循环历程中可能保存的原位回火效应，，，，，，，，也会促使部分马氏体爆发剖析，，，，，，，，然而由于快速冷却条件的保存，，，，，，，，亚稳相得以保存，，，，，，，，最终形成以马氏体为主、剩余β相为辅的典范焊接显微组织。。。。。

EBSD测试效果显示，，，，，，，，TC4母材为等轴晶，，，，，，，，如图5a所示，，，，，，，，相较于焊缝区，，，，，，，，热影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)。。。。。热影响区主要由块状α相与针状a马氏体相组成，，，，，，，，β相主要泛起在晶粒边沿。。。。。焊缝区域能视察到网篮组织和 α ′马氏体相，，，，，，，，这与SEM效果一致。。。。。母材平均晶粒巨细为2.38μm，，，，，，，，相关于母材，，，，，，，，热影响区与焊缝区域的晶粒尺寸大幅减小，，，，，，，，平均晶粒尺寸划分为0.15μm与0.18μm，，，，，，，，这可能与自旋转焊接历程快冷特点，，，，，，，，以及自旋转电弧对熔池搅拌作用有关，，，，，，，，见图6所示。。。。。

晶粒的取向差漫衍如图7，，，，，，，，母材的晶粒取向差在0~5°周围，，，，，，，，峰值泛起在1.05°。。。。。热影响区，，，，，，，，焊缝区的取向差峰值也在1°周围，，，，，，，，两者晶粒取向差0~5°规模内漫衍无显着差别，，，，，，，，在8°~12°，，，，，，，，55°~65°与85°~90°规模时，，，，，，，，晶粒取向差漫衍呈增强趋势。。。。。晶粒取向差小于15°时称为小角度晶界(LAGBs)，，，，，，，，大于15°时为大角度晶界(HAGBs)。。。。。热影响区的小角度晶界占比为17.69%，，，，，，，，焊缝区域小角度晶界占比为59.47%，，，，，，，，这可归因于焊缝区凝固结晶时的非平衡快速凝固，，，，，，，，且爆发联生结晶行为有关，，，，，，，，导致(LAGBs)大宗保存;而HAZ受到热处置惩罚作用爆发回复再结晶行为，，，，，，，，LAGBs占比自然较低。。。。。这与图5中显示的热影响区晶粒取向越发无序和其平均晶粒尺寸更细小具有较好的一致性。。。。。

钛合金β→α相变是钛合金中最基本、最常见的相变，，，，，，，，初生β相和α相之间的晶体取向遵照{0001}α∥{110}β和<112?0>α∥<111>β 的 Burgers 关系[22]。。。。。图8中{0001}极图批注，，，，，，，，BM具有典范的轧制织构，，，，，，，，这也说明前文剖析的热影响区爆发了回复再结晶的准确性。。。。。从焊缝区(Fusion Zone,FZ)和母材(Base Metal,BM)测得的{0001}和{10}极图剖析发明{0001}基面的强度显著高于{10}棱柱面的强度{23]。。。。。

图9为焊缝中心位置TEM效果，，，，，，，，图9a中可以看到焊缝中心区域泛起针状/板条状 α ′相，，，，，，，，其中板条状 α ′相数目较多并且在 α ′相转变历程中，，，，，，，，β相主要保存 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爆发，，，，，，，，并通过应力释放历程爆发湮灭或重排。。。。？？？？？？？？樽绰硎咸宓奈淮砻芏仍陡哂诎逄趼硎咸，，，，，，，，块状马氏体易爆发相变[24]。。。。。焊接时热输入越高，，，，，，，，停留在β相变温度以上时间越多，，，，，，，，快速冷却后β相转变为马氏体的数目越多。。。。。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添。。。。。

2.2硬度与耐蚀性

图10所示为焊接讨论硬度测试效果，，，，，，，，由图示可知，，，，，，，，TC4钛合金MIG自旋转电弧焊接讨论焊缝区和热影响区硬度均高于母材，，，，，，，，其平均硬度划分为393 HV\0{0.2}和364 HV\0{0.2}。。。。。由上文知焊缝区域主要是 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运动比在β相中的BCC少[26]，，，，，，，，焊缝区域到热影响区硬度有较洪流平下降。。。。。由于MIG自旋转电弧焊接时讨论冷却速率快，，，，，，，，焊缝金属中形成大宗的细长α'马氏体。。。。。α'马氏体相交织排列位错密度高，，，，，，，，而热影响区爆发再结晶后位错密度下降，，，，，，，，这是焊缝金属的硬度高于热影响区和母材的主要缘故原由。。。。。别的，，，，，，，，钛合金焊缝金属的硬度与焊缝中针状马氏体 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，，，，，，，，电流密度增添平缓，，，，，，，，批注试样外貌形成了钝化膜。。。。。在0V~0.9V电压区间，，，，，，，，电流密度坚持稳固，，，，，，，，样品处于钝化状态;凌驾0.9V后，，，，，，，，钝化膜爆发涯性消融，，，，，，，，样品重新活化。。。。。钛合金的耐蚀性取决于是否坚持钝化，，，，，，，，钝化条件下TC4耐侵蚀性较强，，，，，，，，未钝化时钛合金化学生动性较强将会爆发强烈的化学反应[27]。。。。。在含CI溶液中，，，，，，，，钝化膜笼罩的TC4外貌易爆发点蚀。。。。。金属外貌缺陷处因电位较低成为阳极，，，，，，，，形成氧浓差电池加速侵蚀向内部生长[28]。。。。。Tafel外推法获得的数据显示(表2)，，，，，，，，MIG讨论的侵蚀电位高于母材，，，，，，，，批注其耐蚀性更优。。。。。

表2 MIG焊接讨论与母材极化参数

Table 2 Polarization parameters of MIG welded joint and base material

样品	侵蚀电位(VsCE)	侵蚀电流密度(A/cm?)
MIG焊接讨论	-0.594	5.570x10^-7
母材	-0.646	3.362x10-⁷

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,从图中可以看出，，，，，，，，母材、焊缝的交流阻抗谱为简单的容抗弧，，，，，，，，合金的外貌天生的钝化膜结构为单层。。。。。母材的容抗弧的弯曲水平较量小，，，，，，，，说明电子容易通过样品的外貌膜，，，，，，，，容易爆发侵蚀。。。。。焊缝的容抗弧的弯曲水平较量大，，，，，，，，证实外貌膜较量稳固，，，，，，，，电子难以通过其外貌，，，，，，，，阻碍基体与周围情形介质的接触从而获得强耐蚀性，，，，，，，，这与极化曲线的剖析效果一致。。。。。在波特曲线中母材与焊缝在低频时有相同的阻抗模量值，，，，，，，，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]。。。。。由此可以推断焊缝的耐蚀性优于母材。。。。。

3、结论

使用钛合金缆式焊丝开展TC4钛合金MIG自旋转电弧焊接实验，，，，，，，，通过对焊接讨论组织及力学性能测试得出以下结论。。。。。

(1)缆式焊丝焊接历程中，，，，，，，，焊缝的形成是个非平衡凝固快速冷区历程，，，，，，，，加上受电弧自旋转效应爆发的熔池搅拌作用。。。。。焊缝区爆发联生结晶行为，，，，，，，，形成由β相与α'相组成的篮状组织结构，，，，，，，，其小角度晶界占比为59.47%，，，，，，，，平均晶粒尺寸较母材小，，，，，，，，为0.18μm。。。。。HAZ受到热处置惩罚作用爆发回复再结晶行为，，，，，，，，组织主要由细小初生等轴 α相及 β相组成，，，，，，，，晶粒越发细小，，，，，，，，取向性越发无序，，，，，，，，平均晶粒尺寸为0.15μm，，，，，，，，小角度晶界占比为17.67%。。。。。

(2)TC4钛合金MIG自旋转电弧焊接讨论焊缝区和热影响区硬度均高于母材，，，，，，，，其平均硬度划分为393 HV_0.2 和364HV_0.2电化学测试批注，，，，，，，，焊接讨论的耐蚀性优于TC4母材。。。。。极化曲线显示讨论具有更高的侵蚀电位(-0.594VsCE)和相近的侵蚀电流密度(~10^-7A/cm²量级)，，，，，，，，且钝化区间更稳固;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，，，，，，，，批注其外貌膜层更致密，，，，，，，，有用抑制了CI-情形中的侵蚀扩展。。。。。

(3)缆式焊丝自旋转电弧焊接是一种有潜力和生长远景的焊接手艺，，，，，，，，可以为金属结构(零部)件的高质量毗连提供手艺支持。。。。。下一步，，，，，，，，设计开发缆丝配套送丝机构，，，，，，，，解决缆丝焊接历程中送丝不稳固问题，，，，，，，，将有助于进一步提升焊接讨论质量和性能。。。。。

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（注，，，，，，，，原文问题：TC4合金自旋转电弧焊接讨论组织及性能研究）

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