激光焊接參數(shù)對1.2 mm TC4鈦合金薄板焊縫的影響

張穎云，陳素明，李 波

（航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，西安710089）

0 引 言

鈦合金具有密度低、比強度高、比模量高、耐腐蝕性好等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用在航空航天、能源、海洋工程等領(lǐng)域[1-2]。目前，鈦合金的焊接方式有釬焊、固相焊和熔化焊[3]。由于釬焊焊縫的疲勞性能較差，固相焊在實際工況中限制條件較多，因此在目前的工業(yè)生產(chǎn)中鈦合金主要焊接方式是熔化焊。在目前航空工業(yè)生產(chǎn)中，鈦合金主要利用傳統(tǒng)的熔化焊方式進(jìn)行焊接，以用于環(huán)控管路、燃油通道等異型導(dǎo)管的制造，生產(chǎn)效率低，焊接變形大，給后期安裝帶來諸多不便[4-5]。激光焊相對于傳統(tǒng)的熔焊焊接方式，具有能量密度高、焊接速度快、熱輸入小、焊后變形小等優(yōu)點[6-9]，適合鈦合金薄板的焊接。

國內(nèi)外對鈦合金的激光焊接開展了大量的研究工作。英國焊接研究所 （TWI）應(yīng)用 4 kW YAG 激光器實現(xiàn)6 mm 的Ti-6Al-4V 鈦合金的一次焊透，有些鈦合金激光器進(jìn)行的鈦合金焊接，焊接速度快，接頭質(zhì)量好，殘余應(yīng)力小[10]。梁春雷等[11]對TC4 鈦合金薄板的焊接接頭進(jìn)行了疲勞性能研究，明確了焊接接頭的拉伸和疲勞斷裂行為，為激光焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計、制造和安全評估提供了依據(jù)。由于激光器技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器成為第三代激光器的代表，擴展了激光焊的發(fā)展空間，許飛等[12-13]進(jìn)行了TC4 鈦板光纖激光焊和YAG 激光焊的焊接接頭性能差異分析，獲得了焊接熱輸入對光纖激光焊接接頭宏觀形貌與拉伸性能的影響規(guī)律。目前，關(guān)于光纖激光焊接鈦合金方面的報道較少，而關(guān)于焊接參數(shù)與焊縫的宏觀形貌及力學(xué)性能的關(guān)系方面的研究更少。

本研究分別從單因素試驗和正交試驗及試驗結(jié)果分析入手，探究了厚度1.2 mm 薄板鈦合金光纖激光焊接參數(shù)對焊縫宏觀形貌和力學(xué)性能的影響。

1 試驗材料及設(shè)備

試驗材料為TC4 鈦合金板材，厚度1.2 mm，狀態(tài)為退火態(tài) （M），其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 TC4 鈦合金板材化學(xué)成分 %

表2 TC4 鈦合金板材力學(xué)性能

采用單因素試驗方法在不同的焊接功率、焊接速度、離焦量及對接間隙下對1.2 mm 鈦合金試板進(jìn)行光纖激光焊接試驗，研究焊接參數(shù)對焊縫宏觀形貌的影響。單因素試驗參數(shù)見表3。采用正交試驗極差分析和方差分析方法探究激光焊接參數(shù)對焊接接頭力學(xué)性能的影響，正交試驗參數(shù)見表 4。焊后，采用 LEICA M125 型體式顯微鏡對焊縫的上下表面進(jìn)行觀察，采用AG-250KNG 型電子拉力試驗機測試其力學(xué)性能。

表3 單因素試驗參數(shù)

表4 正交試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 激光功率對焊縫形貌的影響

表5 顯示了不同激光功率作用下的焊縫成形數(shù)據(jù)，圖1 顯示了正面熔寬和背面熔寬隨激光功率升高的變化趨勢。從圖1、表5 可以看出，正面熔寬依次增大，但是在1.1～1.2 kW 范圍內(nèi)，尺寸變化不大，說明在該焊接功率條件下焊接熱輸入正好滿足薄板焊透，且處于穩(wěn)定狀態(tài)，焊縫正面、背面形貌如圖2 所示。

表5 不同激光功率下焊縫成形數(shù)值

圖1 焊縫正面熔寬、背面熔寬及背寬比隨激光功率的變化趨勢

焊縫的背寬比隨功率增大先增加，然后趨于穩(wěn)定，再稍有增加。焊縫尺寸的均勻度隨功率增大稍有變化，從表5 數(shù)據(jù)可知，激光功率在1.0～1.1 kW 的情況下，焊縫的寬度尺寸變化在同一水平，正面均勻度優(yōu)于背面，此區(qū)間焊縫邊緣形貌呈均勻的 “波紋狀”，而在1.2 kW 功率下，焊縫外形更平滑連續(xù)，當(dāng)功率為1.3 kW 時，背面均勻度優(yōu)于正面。從焊縫的宏觀形貌看，焊縫呈銀亮色，焊縫寬度均勻，未見燒穿和焊縫堆積等缺陷。

圖2 1.1 kW 和1.2 kW 功率條件下焊縫正、背面形貌

2.1.2 離焦量對焊縫形貌的影響

不同離焦量下的焊縫形貌特征數(shù)據(jù)見表6。正面熔寬和背面熔寬隨離焦量的變化趨勢如圖3所示。從圖3 可知，正面熔寬和背面熔寬隨離焦量的增大而減小，但是在1～2 mm 范圍內(nèi)，焊縫尺寸變化不大，當(dāng)離焦量達(dá)到4 mm 時，出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，說明薄板激光焊選用正離焦方式時，離焦量應(yīng)控制在一定范圍，當(dāng)超出了最大范圍就會出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，也說明離焦量對激光焊接的質(zhì)量影響較大。這是因為改變離焦量會影響試件表面光斑尺寸，并改變了到達(dá)試件表面及小孔內(nèi)的能量密度[14]，隨著焦點位置上移，光束聚焦位置遠(yuǎn)離工件表面，激光能量密度逐步降低，這樣主要的激光能量集中在工件的上表面，試件下表面能量密度不夠，無法實現(xiàn)穿透焊，從而導(dǎo)致未焊透[15]。從表6 中的均勻度數(shù)據(jù)也可看出，離焦量為1 mm 時，正面均勻度相對于背面較差； 離焦量為2 mm 時，正面和背面的均勻度相當(dāng)； 隨著離焦量再增大，背面出現(xiàn)了鏈狀的斷續(xù)焊縫形貌，甚至未焊透，焊縫形貌如圖4所示。因此可以得出，離焦量在 2 mm 時焊接過程最穩(wěn)定。

表6 不同離焦量下焊縫成形數(shù)值

圖3 焊縫正面熔寬、背面熔寬及寬背比隨離焦量的變化趨勢

圖4 離焦量為3 mm 時焊縫的正、背面形貌

2.1.3 焊接速度對焊縫形貌的影響

焊縫正面熔寬、背面熔寬及背寬比隨焊接速度的變化趨勢如圖5 所示。從圖5 可以看出，焊縫尺寸隨焊接速度波動變化，當(dāng)焊接速度提高至1.5 m/min 時，焊縫尺寸有減小趨勢，這是因為在一定的激光功率下提高焊接速度，熱輸入能量密度值下降，焊縫寬度減小。當(dāng)速度降低時，可增大熔深，但是速度過低，熔深不增反而增加熔寬，這主要是因為：①激光深熔焊接時，維持小孔存在的主要動力是金屬蒸汽的反沖壓力，在焊接速度低至一定程度時，熱輸入增加，熔化金屬越來越多，當(dāng)金屬汽化所產(chǎn)生的反沖壓力不足以維持小孔的存在時，小孔不僅不加深，甚至?xí)罎ⅲ附舆^程蛻變成為傳熱型焊接，因而熔深不會增大； ②隨著金屬汽化的增加，小孔區(qū)溫度上升，等離子體的濃度增加，對激光吸收增加[16]。

圖5 焊縫正面熔寬、背面熔寬及背寬比隨焊接速度的變化趨勢

不同焊接速度下焊縫成形數(shù)值見表7。從表7可見，隨著焊接速度的增大，焊縫正面和背面的均勻度變化不大，說明焊接速度對焊縫形狀無明顯影響。而焊縫邊緣起伏均勻性隨焊接速度增大而更趨于均勻。從焊縫的宏觀形貌看，焊縫呈銀亮色，焊縫寬度均勻，未見燒穿和焊縫堆積等缺陷。

表7 不同焊接速度下焊縫成形數(shù)值

2.1.4 焊縫間隙對焊縫形貌的影響

不同焊縫間隙下焊縫形貌特征數(shù)據(jù)見表8。正面熔寬、背面熔寬和背寬比隨焊縫間隙的變化趨勢如圖6 所示。從圖6 可知，焊縫間隙對焊縫外形的影響不大，從焊縫的宏觀形貌看，焊縫呈銀亮色，焊縫寬度均勻，未見燒穿和焊縫堆積等缺陷。焊接過程會形成熔池，當(dāng)焊接間隙大于0.3 mm 時，焊接熔池經(jīng)熔化和凝固補充不足造成焊接焊縫不連續(xù)、不均勻，甚至出現(xiàn)塌陷，因此當(dāng)對接間隙較大時自熔焊已不適應(yīng)，應(yīng)采用填絲焊工藝進(jìn)行焊接。

表8 不同焊接間隙下焊縫成形數(shù)值

圖6 焊縫正面熔寬、背面熔寬和背寬比隨焊縫間隙的變化趨勢

2.2 正交試驗分析

2.2.1 極差分析

表9 顯示了正交試驗得到的拉伸結(jié)果，表10為極差分析結(jié)果，因素 A （離焦量）、B （激光功率）、C （焊接速度）的主次關(guān)系可由極差大小決定。從表10 極差值可以看出，對于抗拉強度指標(biāo)，ΔkB＞ΔkA＞ΔkC，因此影響抗拉強度的主要因素是激光功率，離焦量和焊接速度影響水平相當(dāng)； 對于延伸率指標(biāo)，ΔkA＞ΔkC＞ΔkB，因此離焦量和焊接速度對延伸率的影響水平相當(dāng)，而激光功率的影響較小。

表9 抗拉強度和延伸率正交試驗結(jié)果

2.2.2 方差分析

方差分析不僅可以討論試驗誤差，還可以進(jìn)一步明確各獨立因素及其交互作用對試驗結(jié)果的影響程度。方差分析的基本原則，即設(shè)用正交表Ln（pm）安排試驗，總試驗次數(shù) N=n，表的縱列數(shù)為m，因素的水平數(shù)為p，則每一水平的試驗次數(shù)為n/p。

表10 抗拉強度和延伸率極差分析結(jié)果

對抗拉強度的結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到的結(jié)果見表11。從表11 可以看到，3 個因素對抗拉強度的影響均不顯著。這可能是由于鈦合金較好的焊接性所導(dǎo)致的。由于鈦合金接頭均表現(xiàn)出較高的力學(xué)性能，導(dǎo)致了試樣在不同參數(shù)下接頭的力學(xué)性能相差不大。

表11 抗拉強度方差分析結(jié)果

3 結(jié) 論

本研究采用光纖激光焊接方法對1.2 mm 厚TC4 鈦合金薄板進(jìn)行了單因素試驗和正交試驗，并根據(jù)試驗過程分析了焊接參數(shù)對焊縫宏觀形貌和力學(xué)性能的影響，得到了如下結(jié)論：

（1）單因素試驗結(jié)果表明，焊縫熔寬隨著激光功率的升高大體呈上升趨勢，焊縫背寬比隨著激光功率的升高先增大然后趨于穩(wěn)定； 焊縫熔寬隨著離焦量的增大逐漸減小，當(dāng)離焦量達(dá)到4 mm 時，出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象； 焊縫尺寸隨著焊接速度波動變化，當(dāng)焊速大于1.5 m/min 時，焊縫尺寸呈現(xiàn)減小趨勢。

（2）正交試驗結(jié)果表明，影響抗拉強度的主要因素是激光功率，離焦量和焊接速度影響相當(dāng)； 而對于延伸率，離焦量和焊接速度對延伸率的影響水平相當(dāng)，而激光功率的影響較小。