鈦/鋁異種合金激光焊接研究

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(1.華南師范大學 廣東省微納光電子功能材料與器件重點實驗室，廣東 廣州510006；2.深圳市聯(lián)贏激光股份有限公司，廣東 深圳510000)

0 前言

在汽車、航空等領域，鈦合金是應用非常廣泛的金屬。為了實現(xiàn)輕量化，鈦合金和鋁合金的連接受到越來越多的關注和重視。與攪拌摩擦焊、電阻點焊、擴散焊和超聲波焊等焊接方法相比，激光焊具有可控性好、熱輸入量小等特性，特別是光纖激光器，還具有較好的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，可以對熱輸入量進行合理的控制和分配。

由于鈦合金和鋁合金的物理與化學性能差異較大導致其焊接極其困難。首先，鈦合金在不同溫度下與空氣中的氫氣、氮氣和氧氣等發(fā)生反應形成脆性化合物，嚴重的降低了接頭的抗拉強度，所以合理的氣體保護方式是鈦/鋁異種合金焊接的關鍵之一。其次，鈦/鋁異種合金易生成一層較厚的脆性金屬間化合物，嚴重的影響了焊縫的力學性能，因此減少金屬間化合物的生成是鈦/鋁異種合金焊接的關鍵。Majmndar B等人[1]以CO2激光器作為激光源，在鈦/鋁界面加入鈮薄片進行對接焊試驗，研究發(fā)現(xiàn)添加鈮薄片可以有效的阻止鈦/鋁的相互擴散，從而達到減少金屬間化合物生成的目的，但是接頭強度仍不高，而且復雜的工藝和昂貴的成本很難得以實用。Chen等人[2]利用散焦CO2激光束作為激光源，Al-12Si作為焊絲對鋁和鈦進行對接焊試驗，研究發(fā)現(xiàn)界面化合物的種類和厚度都對焊縫性能有極大的影響。國內(nèi)外研究學者大多都以加入不同中間層和焊絲去減少脆性化合物的產(chǎn)生，但是從熱量的輸入和分配著手去減少脆性化合物從而改善接頭力學性能的研究還較少。文中不添加任何中間材料進行對接焊試驗，對熱輸入量進行合理的控制和分配，從而減少了金屬間化合物的厚度，得到了力學性能良好的焊接接頭，為異種材料焊接的研究提供了參考。

1 試驗材料與方法

試驗所用設備型號為UW-S1000-TU光纖激光器，最大功率為1 kW、光纖直徑為50 μm、出射頭準直焦距和聚焦焦距分別為200 mm和150 mm。焊接前需除去鈦板和鋁板的毛刺和氧化膜，用自行設計的四管式排氣管(圖1)在焊縫上部和下部進行氬氣保護，焊接試驗系統(tǒng)如圖2所示。試驗材料選用尺寸均為50 mm×30 mm×1 mm的TC4鈦板和LD2鋁板，其化學成分如表1所示。文中選擇激光離焦量2 mm，激光光束垂直材料表面入射，分別研究焊接速度和激光偏置距離(偏鈦側(cè)為正、鋁側(cè)為負)對接頭性能的影響。焊后垂直于焊縫切割，并進行打磨、拋光、腐蝕，采用金相顯微鏡、SEM、EDS、XRD等方法對焊縫微觀組織和結(jié)構(gòu)進行分析，使用MT6104型拉伸試驗機對焊后接頭進行拉伸試驗測試，每組工藝參數(shù)測試4個試樣取平均值，作為該接頭的抗拉強度。

圖1 四管式排氣管

圖2 焊接試驗示意圖

表1 TC4和LD2的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接速度對焊縫形貌的影響

圖3是偏置距離為0.24 mm，激光功率為820 W的不同焊接速度下的焊縫形貌?？梢钥闯?，當焊接速度為20 mm/s時，焊縫表面凹凸不平，而且焊縫明顯變寬，鈦側(cè)金屬大量熔化且出現(xiàn)下塌現(xiàn)象，這是因為熱輸入量過大導致金屬出現(xiàn)了嚴重的燒損。隨著焊接速度的增加，鈦合金和鋁合金之間的界限明顯變窄，當焊接速度為80 mm/s時，它們之間已經(jīng)沒有明顯的界限，結(jié)合非常緊密，鈦、鋁異種合金之間產(chǎn)生了良好的冶金反應。當焊接速度為120 mm/s 時，鋁合金和鈦合金之間有很明顯的界限，這是因為焊接速度過快，激光停留時間過短，熱輸入量過低導致部分焊縫未熔合，界面沒有產(chǎn)生良好的冶金反應。

圖3 不同焊接速度下的焊縫形貌

焊縫形貌在不同的功率和焊接速度下呈現(xiàn)出X形和Y形等形貌。從圖4a可以看到，焊縫形狀為X形，焊接速度很小時，單位時間內(nèi)材料吸收的激光能量增加，而冷卻速度相對較慢，對熔池上表面的熱傳導作用加劇，通過熱傳導的方式增大熔寬的時間也隨之增加，勢必導致熔寬增加[3-4]。另一方面小孔內(nèi)部和工件表面的等離子體密度及其對激光能量的吸收率提高，導致溫度升高，這會削弱匙孔壁直接對激光能量吸收，焊縫下部在較高的能量和熔池的攪拌作用下使熔寬變寬，呈現(xiàn)出兩頭寬中間窄的形貌[5]。同時可以看出，焊縫上端熔寬比焊縫下端熔寬窄，這是因為焊縫上端保護氣體流量比焊縫下端保護氣體流量大，焊縫上端等離子體和金屬蒸氣受到氬氣的抑制，削弱了對熔池焊縫上端的熱輻射，而焊縫下端蒸氣和等離子體受氬氣的熱沉作用，因此焊縫下端受到持續(xù)加熱作用，使焊縫下端更寬。當焊接速度很大或功率很小時，其焊縫成形如圖4b所示，可以看出焊縫呈Y形，這是由于焊接速度過快或者激光功率太小時，焊縫上端和焊縫下端迅速冷卻，受到的熱作用時間短，因此焊縫熔寬變窄，特別是下端影響更加明顯，Y形焊縫焊縫下端易出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。

圖4 焊縫形貌

2.2 力學性能分析

2.2.1焊接速度對接頭力學性能的影響

圖5為偏置距離0.24 mm、激光功率820 W條件下不同焊接速度的抗拉強度變化曲線?？梢钥闯隹估瓘姸瘸尸F(xiàn)出先增大后減小的趨勢；當焊接速度為20 mm/s時，由于焊接速度較慢，熔池高溫停留的時間較長，熔池冷卻速度相對緩慢，熱影響區(qū)寬度增加，焊接接頭的晶粒變粗，有可能在界面形成了Al2Ti，Al3Ti，AlTi等多種金屬間化合物[6]。當焊接速度增大到80 mm/s時，獲得了良好的焊接接頭；但是當焊接速度增大到120 mm/s左右時，其抗拉強度明顯下降，這是因為焊接速度過快，焊縫底部冷卻也較快，出現(xiàn)了未熔合現(xiàn)象。

圖5 抗拉強度隨焊接速度的變化曲線

焊接速度的快慢影響焊縫的冷卻速度，焊接速度越快焊縫冷卻速度越快，反之則越慢，然而冷卻速度對焊縫上部、中部和下部的焊縫形貌、熔合比、內(nèi)應力以及金屬間化合物的厚度都有重要的影響。圖6為偏置距離0.24 mm、激光功率820 W條件下不同焊接速度下斷后伸長率的變化曲線。當焊接速度小于40 mm/s時，斷后伸長率雖然緩慢增加，但是其值很低，這跟高功率相似，主要是加熱時間長導致鈦金屬大量熔化，鈦、鋁兩種液態(tài)金屬相互擴散，因此生成了大量的金屬間化合物，而且焊縫產(chǎn)生大量的氣孔等缺陷，因此斷裂為脆性斷裂，斷后伸長率不高，當焊接速度在60～90 mm/s時，斷裂伸長率曲線平穩(wěn)，而且斷裂方式為韌性斷裂；當焊接速度增大到120 mm/s時，斷后伸長率嚴重下降，這是因為焊縫出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，導致結(jié)合力極低。

圖6 焊接速度對斷后伸長率的影響

2.2.2激光偏置距離對接頭力學性能的影響

圖7為焊接熱輸入10.25 J/mm、焊接速度恒定的情況下抗拉強度隨著激光偏置距離的變化曲線。隨著向鈦、鋁側(cè)偏置距離的增加，抗拉強度先增大后減小，當偏置鈦合金一側(cè)很近時，由于鋁合金熔點較低以及鋁合金存在氧化鋁等雜質(zhì)，使鋁合金產(chǎn)生大量的氣孔等缺陷，嚴重地影響了接頭的力學性能，而當偏置距離太大時，會因熱源中心到界面的距離太遠而無法產(chǎn)生很好的冶金反應，甚至有的連接僅是機械咬合。

圖7 抗拉強度隨偏置距離的變化曲線

從圖7可以看出，偏置鈦側(cè)比偏置鋁側(cè)更能獲得優(yōu)異的接頭，這是因為當激光偏向鋁側(cè)時，鈦合金通過熱傳導而熔化，要使高熔點(1 677 ℃)的鈦合金熔化，鋁側(cè)必須處于高溫狀態(tài)(高于鋁的熔點660 ℃)，這會使鋁側(cè)金屬發(fā)生汽化不利于焊接。焊后，由于鋁具有較高導熱系數(shù)會使焊縫以較快的速度冷卻，從而產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。而當激光束偏向鈦側(cè)時，激光能量直接作用在鈦合金上，鋁合金通過熱傳導而熔化，鋁側(cè)溫度并不會過高，且鈦的熱導系數(shù)較低，可以減緩焊后冷卻速度，有利于焊縫中氣體的溢出，減少氣孔的產(chǎn)生，從而改善焊接接頭質(zhì)量。

2.3 焊接速度對金屬間化合物厚度的影響

鈦合金和鋁合金物化性能差異極大，當激光束偏置距離較小或激光功率較大時，由于鈦合金、鋁合金均發(fā)生熔化，因此鈦合金和鋁合金焊縫界面易生成一層較厚的金屬間化合物。金屬間化合物的厚度的計算公式，即

(1)

式中：K0為反應常數(shù)；Q為擴散激活能；T為溫度；t為反應時間；R為理想氣體常數(shù)[4]。

由式(1)可以看出，金屬間化合物的厚度主要受溫度和反應時間的影響。激光功率越大，熱輸入越大，焊接溫度越高，因此金屬間化合物的厚度也越大。激光焊接速度越快，焊接時間越短，熱循環(huán)迅速，金屬間化合物的厚度較小。因此可以通過適當?shù)慕档图す夤β屎驮龃蠛附铀俣葋頊p少金屬間化合物的生成。

圖8為焊接速度 80 mm/s、偏置距離0.24 mm的焊縫中間區(qū)域電子顯微照片。區(qū)域1是在界面上連續(xù)的反應層，平均厚度只有2 μm，區(qū)域2和區(qū)域3是偏向鈦側(cè)的厚度在30 μm左右的區(qū)域，對區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3和區(qū)域4進行能譜(EDS)分析,能譜分析結(jié)果如表2所示。區(qū)域1中Al元素和Ti元素比率接近1∶1，此區(qū)域為金屬間化合物層；區(qū)域2和區(qū)域3 Al元素都發(fā)生了少量的偏析，但是未生成金屬間化合物。4區(qū)域為Ti元素含量極少，沒有生成金屬間化合物。

圖8 焊縫中部顯微結(jié)構(gòu)圖及能譜分析結(jié)果

表2 EDS能譜分析結(jié)果(原子分數(shù)，%)

2.4 接頭的斷裂行為分析

經(jīng)對不同焊接速度下的接頭進行了抗拉強度試驗，接頭斷口形貌圖及EDS圖如圖9～11所示。對試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)接頭的斷裂位置有鋁側(cè)、焊縫區(qū)和界面處三種。據(jù)試驗結(jié)果統(tǒng)計，斷于鋁側(cè)的接頭金屬間化合物厚度在2 μm左右；斷于焊縫區(qū)的接頭大多都是因為熱輸入過大，此種接頭的金屬間化合物厚度大于16 μm；斷裂在界面處的接頭大多都是因為熱輸入不夠造成未完全熔合。

斷裂位置在鋁側(cè)的抗拉強度可達242 MPa，其斷口形貌和EDS如圖9所示，此種斷后伸長率在5.42%左右，如圖9a所示，斷口有大量撕裂棱，是韌性斷裂，圖9b為撕裂棱頂端能譜(EDS)分析，可以看到該處Al元素質(zhì)量分數(shù)達到94.21%，沒有生成金屬間化合物、氧化物等影響焊縫性能的脆性物質(zhì)，可推斷該斷裂位置為鋁側(cè)。圖10為焊接速度20 mm/s處的斷口形貌和EDS圖，這種斷裂主要是熱輸入量過高造成的脆性斷裂，其斷后伸長率在3.34%左右，斷裂區(qū)域在焊縫處的平均抗拉強度僅有174 MPa，其斷口能譜分析如圖10b所示，此區(qū)域有70.65%的鋁元素和27.3%的鈦元素，可推斷此處斷裂位置是焊縫區(qū)。圖11是焊接速度為120 mm/s處的斷口形貌和EDS圖，可以從圖11a中可以看出斷口比較平滑，這是因為焊接速度過快，熱輸入量過低造成了未熔合現(xiàn)象，從能譜圖11b也可以發(fā)現(xiàn)此處成分接近鈦母材的成分，此種接頭的斷后伸長率在2.28%左右、抗拉強度最低。

圖9 焊接速度為80 mm/s時接頭斷口形貌及EDS圖

圖10 焊接速度為20 mm/s時接頭斷口形貌及EDS圖

圖11 焊接速度為120 mm/s時接頭斷口形貌及EDS圖

總結(jié)上述分析結(jié)果，接頭斷裂于鋁側(cè)的接頭大多可以獲得較高的抗拉強度，而斷裂于焊縫區(qū)位置的接頭因為熱輸入量過多生成了較厚的金屬間化合物，其抗拉強度明顯降低。也就是說，界面反應層的結(jié)構(gòu)和厚度是影響接頭力學性能的關鍵，界面處形成的金屬間化合物越厚，接頭的韌性和塑性越差，同時界面反應層也是導致焊縫萌生裂紋與擴展的薄弱區(qū)域。

3 結(jié)論

(1)光纖激光器可以對鈦/鋁異種合金進行有效的焊接。激光光束置于鈦側(cè)利用熱傳導使鋁熔化形成的焊接接頭比直接作用于鋁側(cè)形成的焊接接頭質(zhì)量要好。

(2)優(yōu)化焊接速度來控制熱輸入量，以及利用激光偏置距離來合理分配能量。研究表明，當焊接速度為80 mm/s、鈦側(cè)偏置距離0.24 mm時，獲得良好的焊接接頭，斷后伸長率為5.42%，其抗拉強度最高可達242 MPa。

(3)在材料激光焊接參數(shù)允許的范圍內(nèi)，可以通過適當降低激光焊接功率、增大焊接速度來減少焊縫處金屬間化合物的厚度。

[1] Majmndar B,Jalun R,Weisheit A,et al. Formation of a crack-free joint between Ti alloy and Al alloy by using a high-power CO2laser[ J]. Journal of Materials Science 1997,32(23): 6191-6200.

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