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锆-钛复合板焊接接头局部力学性能研究

来源期刊：稀有金属2020年第12期

论文作者：李庆生李志贺小华

关键词：锆-钛复合板;焊接接头;数字图像相关方法;力学性能;

摘要：钛和锆及其合金具有强度高和良好的耐腐蚀性能,在多个工业领域的应用研究发展迅速。通过爆炸焊接方法制备了锆-钛复合板,并对复合板进行钨极惰性气体保护焊焊接制备对接焊接接头。采用微观组织分析、显微硬度测试、拉伸试验及数字图像相关（DIC）方法对锆-钛复合板焊接接头局部力学性能进行分析,结果表明:焊接接头基层钛材侧和覆层锆材侧均表现为焊缝区显微硬度值最高,均值分别达到HV 188.4及HV 186.3;显微硬度值沿焊缝区到母材区逐渐下降,最终稳定在HV 155（钛材侧）和HV 145（锆材侧）左右。通过引伸计与DIC方法得到的焊接接头应力-应变曲线吻合较好,表明DIC方法测量结果可信。采用DIC方法获得焊接接头各区域的局部应力-应变曲线,结果表明:母材区局部弹性模量与屈服强度最低,成为焊接接头最薄弱区域,在拉伸过程中应变集中出现在该区域,局部应变极值达到0.5269,最终在该位置引起断裂失效。

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稀有金属 2020,44(12),1240-1248 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.XY20060027

锆-钛复合板焊接接头局部力学性能研究

李庆生李志贺小华

南京工业大学机械与动力工程学院

摘要：

钛和锆及其合金具有强度高和良好的耐腐蚀性能,在多个工业领域的应用研究发展迅速。通过爆炸焊接方法制备了锆-钛复合板,并对复合板进行钨极惰性气体保护焊焊接制备对接焊接接头。采用微观组织分析、显微硬度测试、拉伸试验及数字图像相关(DIC)方法对锆-钛复合板焊接接头局部力学性能进行分析,结果表明:焊接接头基层钛材侧和覆层锆材侧均表现为焊缝区显微硬度值最高,均值分别达到HV 188.4及HV 186.3;显微硬度值沿焊缝区到母材区逐渐下降,最终稳定在HV 155(钛材侧)和HV 145(锆材侧)左右。通过引伸计与DIC方法得到的焊接接头应力-应变曲线吻合较好,表明DIC方法测量结果可信。采用DIC方法获得焊接接头各区域的局部应力-应变曲线,结果表明:母材区局部弹性模量与屈服强度最低,成为焊接接头最薄弱区域,在拉伸过程中应变集中出现在该区域,局部应变极值达到0.5269,最终在该位置引起断裂失效。

关键词：

锆-钛复合板;焊接接头;数字图像相关方法;力学性能;

中图分类号： TG407

作者简介：李庆生(1969-),男,江苏盐城人,硕士,副教授,研究方向:复合材料、结构强度,电话:025-58139953,E-mail:lqsh@njtech.edu.cn;

收稿日期：2020-06-18

基金：国家自然科学基金项目(51675260)资助;

Local Mechanical Properties of Welded Joint of Zr/Ti Cladding Plate

Li Qingsheng Li Zhi He Xiaohua

School of Mechanical and Power Engineering,Nanjing Tech University

Abstract：

Titanium,zirconium and their alloys have high strength and good corrosion resistance,and their application research has developed rapidly in many industrial fields.Zr/Ti cladding plates were prepared by explosive welding,and butt welded joints were prepared by tungsten inert gas welding.The local mechanical properties of welded joint of Zr/Ti cladding plate were studied by microstructure analysis,microhardness test,tensile test,and digital image correlation(DIC)method.The results showed that the microhardness values of the base titanium side and the cladding zirconium side of the welded joint were the highest,with the average values of HV 188.4 and HV 186.3,respectively.The microhardness values decreased gradually from weld zone to base metal zone,and finally stabilized at HV 155(titanium side)and HV 145(zirconium side).The stress-strain curves of welded joints obtained by extensometer and DIC method were in good agreement,which indicated that the measurement results of DIC method were reliable.The local stress-strain curves of each region of welded joint were obtained by DIC method.The results showed that the local elastic modulus and yield strength of the base metal were the lowest,which was the weakest area of the welded joint.During the tensile process,the strain concentration occurred in this area,and the local strain extreme value reached 0.5269,which finally caused fracture failure at this position.

Keyword：

Zi/Ti cladding plate; welded joint; digital image correlation method; mechanical properties;

Received： 2020-06-18

近年来，我国国民经济得到了快速发展，带动了各种新技术需求日益增长。某些工业领域中应用的强腐蚀性酸、碱、盐介质对设备提出较高的防腐要求，单一材料制造无法同时满足强度高以及耐腐蚀的特性。因此，研发综合性能优越的复合材料成为当前工业生产亟需解决的问题 ^[1] 。

钛和锆及其合金具有耐腐蚀、强度高、密度小等性能，在航空航天、石油化工、海洋工程等领域得到广泛应用 ^[2,3,4] 。目前市场应用的钛-钢复合板及锆-钛-钢复合板等产品采用爆炸焊接方法制备 ^[5] ，这些产品以钢为基材，设备制造焊接时焊缝处铁离子易渗透引起钛与锆的污染，降低了材料的耐腐蚀性能，给设备的安全运行带来隐患 ^[6,7] 。

本文采用钛材取代碳钢基材并通过爆炸焊接工艺制备锆-钛复合板，采用钨极氩弧焊制备锆-钛复合板焊接接头。由于受到焊接热循环作用影响，焊接接头的微观组织及力学性能与母材存在差异。提高焊接接头性能是防止设备失效的关键。鉴于目前关于锆-钛复合板焊接接头的研究较少，本文进行R60702/TA2复合板焊接接头过渡层力学性能研究。

1 实验

1.1 试验材料

试验选用工业纯锆R60702为覆层材料、工业纯钛TA2为基层材料制备的锆-钛复合板进行钨极氩弧焊焊接，制备的R60702/TA2复合板对接焊接接头厚15 mm，其中R60702覆层厚3 mm,TA2基层厚12 mm。R60702和TA2的化学成分见表1和表2，力学性能和物理性能见表3和表4，焊接工艺参数见表5。

1.2 微观组织与显微硬度测试

采用线切割机沿着R60702/TA2复合板焊接接头垂直于焊接方向的焊缝位置取样，加工尺寸为20 mm×15 mm×15 mm金相试样，逐级使用60#到1500#水磨砂纸对金相试样进行预磨，然后使用金相试样磨抛机进行抛光处理，去除试样表面磨痕及变形层，直至其成为光滑镜面。抛光机转速为1000 r·min^-1。使用体积比为HNO₃∶HF∶H₂O=2∶1∶17的配置溶液对试样表面进行腐蚀，通过奥林巴斯DSX510光学显微镜（OM）进行焊接接头微观组织观察。使用HXD-1000TM型显微硬度计对锆-钛复合板焊接接头显微硬度进行测定，试验前对试样进行磨抛处理，试验加载载荷为0.98 N，持续时间为15 s，相邻测试点距离为0.5 mm，如图1所示。

表1 R60702的化学成分下载原图

Table 1 Chemical composition of R60702(%,mass frac-tion)

表2 TA2的化学成分下载原图

Table 2 Chemical composition of TA2(%,mass fraction)

表3 材料的力学性能下载原图

Table 3 Mechanical properties of materials

表4 材料的物理性能下载原图

Table 4 Physical properties of materials

表5 焊接工艺参数下载原图

Table 5 Welding process parameters

1.3 拉伸试验

20世纪80年代Peter和Ranson ^[8] 提出了一种非接触式应变测量方法-数字图像相关（digital image correlation,DIC）方法，又被称为数字散斑相关方法。这种方法通过对比变形前后的散斑图像，采用特定算法计算出表面的全场应变 ^[9,10] 。与小试样法 ^[11,12,13] 、热模拟法 ^[14,15,16] 、硬度测试法 ^[17,18,19] 等方法相比，DIC方法具有测量精度高、受环境影响小等优点，目前已经成功用于非均匀材料如焊接接头的局部力学性能表征 ^{[20,21,22,23]} 。

图1 测试点位置示意图

Fig.1 Schematic diagram of test location(BM:base metal,HAZ:heat affected zone,WM:weld metal)(mm)

通过MTS809材料试验机进行锆-钛复合板焊接接头拉伸试验，拉伸试样取样方案及尺寸分别如图2和图3所示。使用比利时Match-ID公司提供的MTI非接触式全场应变测量系统对拉伸试验过程进行测量。图4给出了DIC方法的MTI全场应变测量系统，整个测量系统包括AVT工业相机配备光学镜头、数据同步采集器（DAQ）、照明装置（250 W卤素灯）、固定装置（三脚架）以及计算机系统。试验时MTS试验机的载荷数据通过DAQ传输，调节镜头焦距使计算机系统能够采集到清晰的试样散斑图。

图2 取样方案

Fig.2 Sampling plan(mm)

图3 拉伸试样尺寸

Fig.3 Tensile specimen size(mm)

图4 MTI全场应变测量系统

Fig.4 MTI global strain measurement system

2 结果与讨论

2.1 微观组织与显微硬度

图5给出了锆-钛复合板焊接接头微观组织形貌，图5(a～e）表示焊接接头覆层（R60702）不同区域的微观组织形貌，图5(f～j）表示焊接接头基层（TA2）不同区域的微观组织形貌。由图可知，无论覆层锆材还是基层钛材焊接接头不同区域微观组织存在差异，母材区（BM）为均匀的等轴晶，局部晶粒内存在孪晶与滑移现象。焊缝区（WM）晶粒在焊接过程中由于高温作用发生相变之后迅速冷却，有部分马氏体组织生成 ^[24] 。热影响区（HAZ）距离热源较近，由于热梯度的存在，其内部组织形貌存在显著差异。距离焊缝最近的粗晶粒区（CGZ）温度很高，晶粒急剧长大。细晶粒区（FGZ）温度相对较低，冷却后晶粒明显细化。靠近母材区的过渡区（TZ）只有部分晶粒发生重结晶，其余部分保持母材原始晶粒大小。

图6为锆-钛结合界面区域的微观组织形貌，覆层与基层的结合界面呈波状，能够清晰识别，符合平行安装爆炸焊接方式制备复合板的典型结合特征 ^[25] 。在爆炸焊接作用下，基板与复板之间产生了巨大的能量，使结合界面附近元素发生充分扩散，形成了一定厚度的扩散层，有利于提高复合板的结合质量。同时由于爆炸引起的高温高压作用，使结合界面附近的晶粒发生对流聚集，形成熔化块 ^[26,27] 。

图7(a,b）给出了钛材侧和锆材侧焊接接头的显微硬度分布。钛材侧焊接接头中焊缝区显微硬度值最高，均值达到HV 188.4，沿焊缝区到母材区显微硬度值逐渐下降，最终稳定在HV 155左右；锆材侧焊接接头具有相同规律，其焊缝区显微硬度值最高，均值达到HV 186.3，母材区显微硬度值稳定在HV 145左右。

2.2 有效性验证

为了验证DIC方法的可靠性，将DIC测量结果与MTS材料试验机及引伸计的测量结果进行比较。

图8给出了DIC方法验证结果，图8(a）表示DIC方法后处理计算的测量区域，为引伸计标距段。图8(b）给出了DIC方法与MTS材料试验机的位移-时间曲线，图8(c）给出了DIC方法与引伸计的真实应力-应变曲线。不同试验方法获得的位移-时间曲线及应力-应变曲线均吻合较好，验证了DIC方法测量结果可信。

图5 锆-钛复合板焊接接头微观组织（OM)

Fig.5 Microstructure of welded joint of R60702/TA2 cladding plate(OM images)

(a)BM of R60702;(b)TZ of R60702;(c)FGZ of R60702;(d)CGZ of R60702;(e)WM of R60702;(f)BM of TA2;(g)TZ ofTA2;(h)FGZ of TA2;(i)CGZ of TA2;(j)WM of TA2

图6 结合界面区域微观组织形貌（OM)

Fig.6 Microstructure of bonding interface area(OM images)

(a)Microstructure of bonding interface under low power microscope;(b)Enlarged view of Area A

图7 焊接接头显微硬度分布

Fig.7 Microhardness distribution of welded joint

(a)Titanium side;(b)Zirconium side

图8 DIC方法验证结果

Fig.8 Validation results of DIC method

(a)Measuring area;(b)Displacement-time curves;(c)True stress-strain curves

2.3 变形过程与应变分布

通过DIC方法可以获得焊接接头拉伸过程的全场应变云图。图9表示拉伸试验应变速率为5×10^-5s^-1下的锆-钛复合板焊接接头拉伸变形过程。试验开始时处于弹性阶段，焊接接头各区域沿着拉伸方向变形均匀，随着载荷的不断增大，应变呈现出明显的不均匀分布，应变集中出现在焊缝两侧的母材区。焊接接头在颈缩阶段前，其变形关于焊缝中心线呈现近似对称，但在到达颈缩位置时迅速增加，局部应变最大达到0.5269，随着变形的进一步增加，试样进入颈缩阶段（图9(b）中曲线1,2），此时载荷逐步下降，局部应变快速增加直至试样最终在母材处发生断裂。综上分析表明，锆-钛复合板焊接接头发生拉伸断裂时焊缝强度高于母材。

图9 焊接接头拉伸变形过程

Fig.9 Tensile deformation process of welded joint

(a)Tensile strain nephogram;(b)Local strain distribution

2.4 局部应力-应变曲线与性能参数

通过DIC方法可以获得锆-钛复合板焊接接头拉伸过程中所有载荷阶段的局部应变ε ⁱ ，采用等应力准则分析焊接接头的局部拉伸性能，拉伸试样评价区域的横截面面积A_i计算公式为式（1），拉伸过程中通过MTS材料试验机获得的适时输出载荷（F）由数据采集卡传输，焊接接头的局部应力（σ_i)计算公式为式（2) ^[28] :

式中，A₀ ⁱ 为评价区域拉伸试样的初始横截面面积，mm²；ε ⁱ 为评价区域通过DIC方法得到的局部轴向应变；A_i为评价区域拉伸试样的横截面面积，mm²;F为轴向载荷，N。

图给出了锆-钛复合板焊接接头局部应力-应变曲线，图10(a）表示焊接接头的测量区域，包括母材区（BM）、过渡区（TZ）、细晶粒区（FGZ）、粗晶粒区（CGZ）和焊缝区（WM）。图10(b～f）给出了焊接接头不同区域的局部应力-应变曲线，并与引伸计和DIC方法得到的全局应力-应变曲线进行比较。观察发现最大局部应变出现在母材区。热影响区的过渡层力学性能存在差异，过渡区晶粒大小不均匀，局部屈服强度较低，局部应变相对较大，是热影响区中相对薄弱的部分。细晶粒区晶粒在焊后冷却后得到细化，塑性与强度均得到改善，力学性能较好。粗晶粒区晶粒在高温作用下急剧粗化，在焊后冷却时塑性和韧性大大降低，局部应变相比于热影响区其他区域要小，但其强度保持在较高水平。焊缝区表现出较高的屈服强度和流变应力，但其局部应变远小于其他区域和全局应变。

图1 0 局部应力-应变曲线

Fig.10 Local stress-strain curves

(a)Measuring area;(b)BM;(c)TZ;(d)FGZ;(e)CGZ;(f)WM

Hollomon经验公式常用于描述材料的本构关系，根据DIC方法获得的局部应力应变数据，可以通过计算式（3）得到焊接接头不同区域的局部强度参数。

式中，E为局部弹性模量，MPa；ε_y为局部轴向应变；σ_y为局部轴向应变对应区域的局部应力，MPa；σ'_y为局部屈服强度，MPa;K为材料参数，MPa;n为应变硬化指数。

表6给出了焊接接头母材区（BM）、过渡区（TZ）、细晶粒区（FGZ）、粗晶粒区（CGZ）和焊缝区（WM）的局部强度参数。由表可知，局部弹性模量和局部屈服强度沿焊缝区（WM）到母材区（BM）路径呈现逐步减小的趋势，母材区（BM）局部屈服强度最低，这与拉伸试验中断裂发生在母材结论一致。

表6 焊接接头局部强度参数下载原图

Table 6 Local strength parameters of welded joint

3 结论

1.锆-钛复合板焊接接头无论钛材侧还是锆材侧，母材均为等轴晶，焊缝区分布部分马氏体组织，热影响区可分为粗晶区、细晶区和过渡区。焊缝区硬度值最高，均值达到HV 188.4（钛材侧）和HV 186.3（锆材侧），母材区硬度值最低，约为HV155（钛材侧）和HV 145（锆材侧）。

2.采用引伸计测量和DIC方法测量获得的锆-钛复合板焊接接头应力-应变曲线吻合较好，验证了DIC方法测量结果的可信性。

3.通过DIC方法结合Hollomon经验公式得到焊接接头不同区域的局部应力-应变曲线。根据曲线得出局部区域的弹性模量与屈服强度。结果表明，焊缝区的弹性模量和屈服强度最高，热影响区其次，母材最低，母材成为整个焊接接头中最薄弱环节。焊接接头在拉伸过程中由均匀变形转变为母材位置的局部应变集中，最终在母材发生断裂，断裂时局部应变达到0.5269。