氣體保護(hù)對TD3合金激光焊接頭成形及性能影響

田銀寶， 谷曉燕， 蘇金龍

（吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引 言

隨著航天航空工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對高性能材料的關(guān)注度也越來越高。航空航天工業(yè)中，不僅要求材料具有高強(qiáng)度、耐高溫和耐蝕性，同時應(yīng)該具有良好的成形性和加工性［1－2］。TD3合金為新一代無釩（V）的Ti3Al基合金，具有低密度、高強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)良特性，可適用于700～1 000℃，是一種具有開發(fā)潛能，且可以應(yīng)用于高溫的結(jié)構(gòu)材料，可以應(yīng)用于航空航天等多個方向［3－5］。一般用于TD3合金的焊接方法有擴(kuò)散焊、鎢極氬弧焊、電子束焊和激光焊。其中，鎢極氬弧焊和激光焊最常用。文中研究了不同保護(hù)氣體流量對TD3合金激光焊接成形及接頭力學(xué)性能的影響，為改善該種合金的連接質(zhì)量提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為Ti3Al基合金的連接提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

本試驗(yàn)使用的母材為環(huán)軋態(tài)TD3合金，其名義化學(xué)成分為Ti－24Al－15Nb－1Mo，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1。

表1 環(huán)軋TD3合金成分

試驗(yàn)采用純度為99.99%的Ar氣作為保護(hù)氣體。焊接試板的尺寸為50mm×25mm×2mm。焊前先用砂紙去除試樣表面的氧化膜，而后進(jìn)行酸洗處理，進(jìn)一步去除氧化膜。酸洗溶液配比為HF∶HNO3∶H2O＝1∶3∶6。各接頭試樣焊接參數(shù)見表2。

表2 焊接參數(shù)

本試驗(yàn)使用自制氣體保護(hù)裝置，在裝置下面有4個氣體通道，可以均勻地通入保護(hù)氣體，在裝置的側(cè)面有一個氣體通道，可以從側(cè)面吹入保護(hù)氣體，從而吹散等離子體，減少光致等離子體吸收激光能量。激光焊接過程中，背面和正面保護(hù)氣體流量為恒定值25L／min，采用自制焊接夾具如圖1所示。

采用MH－3型顯微硬度計(jì)測量接頭的顯微硬度，加載載荷為100g，加載時間為15s。室溫拉伸性能在MTS810－22M型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為0.5mm／min。拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖1 焊接夾具圖

圖2 拉伸試樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 接頭表面成形

TD3合金激光焊接頭表面成形如圖3所示。

圖3 焊縫表面成形

由圖3可以看出，1＃接頭焊縫正面呈現(xiàn)藍(lán)紫色，且存在橫向裂紋，焊縫背面為銀白色。這主要是由于在焊接過程中，激光把空氣卷入氣體保護(hù)裝置中，同時，裝置無側(cè)面氣體保護(hù)，熔池會吸收裝置中存在的氧，導(dǎo)致焊縫被氧化，使焊縫正面呈藍(lán)紫色。另外，焊接過程熔池還會吸收大量的氫，隨著氫含量的增加，接頭中會生成TiH2，使得組織脆性增大。同時，析出TiH2時會引起體積膨脹，產(chǎn)生組織應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)生延遲裂紋［6］。從焊縫背面可以看出，焊縫熔透不均勻，局部未焊透。這主要是由于側(cè)面沒有氣體保護(hù)，光致等離子體不能消除，光致等離子體會吸收部分激光能量，造成量損失，導(dǎo)致接頭未焊透。焊縫背面為銀白色，說明在焊接過程中焊縫背面得到充分保護(hù)。

2＃接頭表面成形美觀，焊縫表面呈現(xiàn)銀白色，具有金屬光澤，且未出現(xiàn)裂紋，表明保護(hù)氣體流量為20L／min時，具有較好的保護(hù)效果。

3＃接頭焊縫正面成形均勻，焊縫中間有1條橫向裂紋，焊縫背面成形均勻，局部呈現(xiàn)淡黃色。這主要是由于側(cè)面氣體流量過大，導(dǎo)致焊接區(qū)氣流不穩(wěn)定，形成氣流紊亂，混入空氣，氣體保護(hù)不充分，使得焊縫正面和背面均被氧化，但正面氧化程度大于背面氧化程度。焊縫中出現(xiàn)裂紋主要是由于保護(hù)氣體流量過大造成的。氣體流量過大使氣流不穩(wěn)定，卷入了空氣，導(dǎo)致接頭吸收一定量的氫，使得組織脆化，從而產(chǎn)生裂紋。

綜上可知，3個接頭表面成形質(zhì)量依次為：1＃接頭＜3＃接頭＜2＃接頭。這表明TD3合金激光焊接時，需要正面、側(cè)面和底面同時進(jìn)行氣體保護(hù)，而且需要適當(dāng)?shù)膫?cè)面氣體流量。側(cè)面沒有保護(hù)氣體時，不能充分保護(hù)焊縫，不能將光致等離子體吹掉；側(cè)面氣體流量過大時，氣流不穩(wěn)定，卷入空氣，導(dǎo)致接頭被氧化。

2.2 接頭橫截面形狀分析

研究結(jié)果表明，側(cè)面氣體流量對接頭橫截面形狀有一定的影響。接頭橫截面如圖4所示。

圖4 接頭橫截面

由圖4可以看出，1＃試樣接頭呈V形，這是因?yàn)榧す夂笗r形成大量的光致等離子體，1＃試樣焊接時，無側(cè)面保護(hù)氣體，入射激光的能量被工件上方的等離子體大量吸收和反射，只有一部分能量穿過等離子體，導(dǎo)致能量損失，此時，為熱傳導(dǎo)焊，在熔池中形成匙孔較小，散熱主要依靠焊縫正面，因此，接頭橫截面呈V形。2＃和3＃試樣接頭呈X形，因?yàn)?＃試樣和3＃試樣焊接時，側(cè)面保護(hù)氣體可以吹散光致等離子體，使工件吸收的能量增加，熔化的母材增多，匙孔增大，此時，為深熔焊，焊縫正面和背面同時散熱，接頭橫截面呈X形。

2.3 接頭力學(xué)性能分析

2.3.1 硬度分析

接頭顯微硬度分布如圖5所示。

圖5 接頭的顯微硬度分布

由圖中可以看出，TD3合金激光焊接頭硬度分布是不均勻的，接頭熱影響區(qū)硬度較高，母材區(qū)硬度較低。側(cè)面保護(hù)氣體流量對接頭顯微硬度具有一定的影響。焊縫區(qū)和熱影響區(qū)平均顯微硬度大小依次為：2＃接頭＜3＃接頭＜1＃接頭。

TD3合金激光焊接過程中，若保護(hù)不當(dāng)，接頭會吸收一定量的氫、氧和氮，吸氮導(dǎo)致硬度增加［7］。氧在TD3合金的α相和β相中具有較高的溶解度，同時形成間隙固溶體，導(dǎo)致晶格扭曲，使得硬度增加。在焊接高溫條件下，氮與Ti發(fā)生反應(yīng)，形成脆硬的TiN，導(dǎo)致硬度增加。由于1＃接頭在焊接過程中無側(cè)面氣體保護(hù)，而3＃接頭焊接過程中側(cè)面保護(hù)氣體流量過大，氣流不穩(wěn)定，卷入了空氣，因此，導(dǎo)致1＃接頭和3＃接頭焊接時均吸收氫、氧和氮，導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)硬度不同程度的增加。吸收氣體的量越多，硬度增加的越大。因此，接頭硬度與側(cè)面保護(hù)氣體流量有關(guān)，當(dāng)氣體流量合適時，接頭的硬度最小。

2.3.2 抗拉強(qiáng)度分析

TD3合金激光焊接頭室溫抗拉強(qiáng)度值如圖6所示。

圖6 接頭的抗拉強(qiáng)度

由圖中可以看出，接頭抗拉強(qiáng)度隨著側(cè)面保護(hù)氣體流量的不同而發(fā)生變化，依次為：1＃接頭＜3＃接頭＜2＃接頭＜母材。1＃接頭和3＃接頭抗拉強(qiáng)度小于母材抗拉強(qiáng)度，而2＃接頭抗拉強(qiáng)度接近于母材抗拉強(qiáng)度。

在側(cè)面沒有氣體保護(hù)條件下焊接時，雖然熔池凝固后形成焊縫，但依然處于高溫狀態(tài)，會吸收空氣中的氫、氧和氮，TiH2及氮化物使焊縫組織脆化，導(dǎo)致焊縫抗拉強(qiáng)度降低，接頭在焊縫處斷裂。在側(cè)面保護(hù)氣體流量為20L／min時，接頭抗拉強(qiáng)度較高；當(dāng)側(cè)面保護(hù)氣體流量過大時，卷入空氣，使焊縫被氧化，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低。

2.3.3 斷口分析

接頭的斷裂位置如圖7所示。

圖7 斷裂位置

拉伸試驗(yàn)過程中，1＃接頭在焊縫處斷裂，2＃接頭和3＃接頭在熱影響區(qū)斷裂。這主要是由于1＃接頭焊縫吸氫，導(dǎo)致組織脆化，成為接頭的薄弱區(qū)。2＃接頭和3＃接頭在焊接過程中有側(cè)面氣體保護(hù)，焊縫抗拉強(qiáng)度增大，熱影響區(qū)成為接頭的薄弱區(qū)。因此，沒有側(cè)面氣體保護(hù)時，接頭在焊縫斷裂，適當(dāng)?shù)膫?cè)面氣體保護(hù)時，接頭在熱影響區(qū)斷裂。

接頭斷口的掃描電鏡照片如圖8所示。

圖8 斷口

從圖8可以看出，3個接頭的斷口均呈現(xiàn)脆性斷裂的特征。1＃接頭斷口表面為比較平直的大刻面。2＃接頭斷口較平齊，存在少量的河流花紋，且局部區(qū)域具有韌性斷裂特征的韌窩，這也表明了其抗拉強(qiáng)度高于1＃和3＃接頭的抗拉強(qiáng)度。3＃試樣斷口平齊，存在明顯的河流花樣和解理臺階。

3 結(jié) 語

TD3合金激光焊接時，適當(dāng)?shù)膫?cè)面保護(hù)氣體流量能夠吹掉光致等離子體，同時使氣流穩(wěn)定，可以得到表面成形良好的焊縫。側(cè)面無保護(hù)氣體時，接頭橫截面為V形，側(cè)面有保護(hù)氣體時，接頭橫截面為X形。隨著側(cè)面保護(hù)氣體流量的增加，接頭平均顯微硬度下降，側(cè)面保護(hù)氣體流量過大時，接頭的平均顯微硬度增大。隨著側(cè)面保護(hù)氣體流量的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度增加，但側(cè)面保護(hù)氣體流量過大時，接頭的抗拉強(qiáng)度下降。TD3合金激光焊接頭的斷口均呈現(xiàn)脆性斷裂的特征。

［1］ 張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］ 李梁，孫健科，孟祥軍.鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2005，21（5）：19－24.

［3］ 曹京霞，孫福生，曹春曉.Ti3Al基合金研究進(jìn)展［J］.材料工程，2001，32：90－92.

［4］ Djanarthany S，Viala J C，Bouix J.An overview of monolithic titanium aluminides based on Ti3Al and TiAl［J］.Materials Chemistry and Physics，2001，72（3）：301－319.

［5］ Ding H，Song D，Zhang C B，et al.Superplastic behavior of aβ－forged Ti3Al－Nb alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2000，281（1）：248－252.

［6］ 高賓，鄧琦林，周春燕.鈦合金激光焊接過程中氣體保護(hù)問題的研究［J］.電加工與模具，2009（5）：44－49.

［7］ 張?jiān)歧?氫、氮化和熱氧化對鈦合金性能影響的研究［D］.長春：長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2004.

［8］ 殷世強(qiáng)，李桂中，白璐璐.S355J2W耐候鋼火焰矯正區(qū)組織與性能［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（3）：245－248.