基于正交實驗的TC4鈦合金激光焊接頭組織性能優(yōu)化研究

許愛平 董俊慧 甄邵楊 張藝程

摘要：為研究5 mm TC4鈦合金激光焊的最優(yōu)工藝參數(shù)，采用YLS-10000型光纖激光器進行實驗。設計三因素、三水平正交實驗，研究功率、速度和活性劑對熔寬、熔深和成型系數(shù)的影響。通過極差方法優(yōu)化工藝，并用綜合平衡找出最佳工藝。結果表明，工藝對熔寬的影響按大小排列為活性劑>速度>功率，熔寬的最優(yōu)組合是A3B1C2;工藝對熔深的影響按大小排列為速度>功率>活性劑，熔深的最優(yōu)組合是A3B1C2;工藝對成型系數(shù)的影響按大小排列為活性劑>功率>速度，成型系數(shù)的最優(yōu)組合為A2B3C3。經(jīng)過綜合評價最優(yōu)工藝是功率為2 900 W，速度為0.06 m/s，活性劑為YbF3。優(yōu)化后焊縫組織為針狀馬氏體α′，在融合區(qū)組織為等軸晶，熱影響區(qū)主要為α+β+α′，且越靠近焊縫的熱影響區(qū)晶粒越粗大，晶內馬氏體越多、越密集。接頭硬度值隨著與焊縫中心距離的增大先降低后升高，且在距離焊縫中心0.8～1.2 mm粗晶區(qū)硬度發(fā)生突變，存在一個軟化區(qū)。

關鍵詞：TC4鈦合金;激光焊;正交實驗;工藝優(yōu)化

0 ? ?引言

TC4鈦合金具有密度低、比強度高、高溫性能良好、耐腐蝕性能好、無毒無磁、焊接性和生物相容性良好等特點，在航空航天、航海、兵器、化工、生物醫(yī)藥等領域具有廣泛的應用前景[1-3]。近年來，隨著我國航空航天技術及鈦金屬冶煉技術的快速發(fā)展，鈦合金的產量和需求量逐年增加，其中TC4鈦合金占主導地位，由此可見，鈦合金材料是今后發(fā)展的一個重要方向。鈦合金應用的持續(xù)增長對其焊接技術提出了更高要求，激光焊、電子束焊和釬焊是鈦合金連接方法中的重要選擇[4-5]。隨著激光技術、機器人技術及計算機技術的快速發(fā)展，激光制造已成為航空工業(yè)的重要方法[6-7]，其具有焊接效率高等優(yōu)點，越來越受到重視，將來會逐漸成為鈦合金焊接的主要方法。提高鈦合金綜合性能具有重要意義，研究表明，激光焊接相對于其他焊接具有焊縫截面窄、組織晶粒細小的優(yōu)點，較小的組織晶粒會使焊縫力學性能更佳。但是鈦合金在激光焊接的實驗中也存在著焊接接頭出現(xiàn)氣孔、夾雜、焊縫晶粒粗大等問題[8-9]，可以借鑒A-TIG的實驗成果，將活性劑應用到鈦合金激光焊接中，進而有效減少鈦合金激光焊接出現(xiàn)的問題，并且使焊接接頭的組織細化，提高焊接接頭的力學性能。

1 ? ?正交實驗設計

1.1 ? ?實驗材料

焊接實驗材料選用母材為5 mm的TC4鈦合金，其化學成分與力學性能如表1、表2所示。將母材加工成尺寸為90 mm×30 mm×5 mm的焊接試樣，采用單道激光焊。對TC4母材進行嚴格的焊前表面預處理：砂紙打磨→丙酮→清水沖洗→酸洗→清水沖洗→烘干待焊，選用5%HF+5%HNO3+90%H2O的腐蝕液對試樣進行腐蝕，采用蔡司光學顯微鏡觀察分析接頭組織。利用日本D/MAX-2500/PC型X射線衍射儀對接頭進行物相分析，保護氣體為99.9%的純氬氣。

1.2 ? ?實驗設備

本次實驗使用的光纖激光焊接設備是由德國Photonics公司生產的IPG，能夠達到最大的輸出功率為10 kW，輸出的光波的波長為1 025～1 080 nm。在焊接實驗過程需要與由德國KUKA公司生產的KR-C4型高精度6軸機器人系統(tǒng)以及立柱—軸變位機配合使用。

1.3 ? ?實驗方案設計

該實驗是三因素、三水平正交實驗;其中，三因素分別為功率、速度、活性劑，功率三水平為2 800 W、2 900 W、3 000 W，速度三水平為0.04 m/s、0.05 m/s、0.06 m/s，活性劑三水平為Na2SiF6、NaF、YbF3。因素水平表如表3所示。

2 ? ?實驗結果分析

極差分析可確定影響實驗結果的主次因素，極差值R大表明該因素對實驗結果的影響大，是主要因素;反之為次要因素。通過極差分析方法判斷各因素對試樣熔寬、熔深、成型系數(shù)的影響，TC4激光焊的極差分析結果如表4所示。

由結果可知，工藝對熔寬的影響按大小排列為活性劑>速度>功率，對應的最優(yōu)組合是A3B1C2;工藝對熔深的影響按大小排列為速度>功率>活性劑，其最優(yōu)組合是A3B1C2;工藝對成型系數(shù)的影響按大小排列為活性劑>功率>速度，其最優(yōu)組合是A2B3C3。

3 ? ?綜合平衡法分析最優(yōu)組合

多指標正交實驗中，各個指標所計算出的工藝參數(shù)組合可能存在不一致，因此在綜合分析時需要應用綜合平衡法，考慮各個因素、實際實驗等確定最優(yōu)水平，設計出顯著減小熔寬、增加熔深的工藝參數(shù)。不過熔深太深會導致焊縫有氣孔產生，以熔寬和成型系數(shù)為指標進行綜合評價，最終確定最優(yōu)工藝組合為A2B3C3，即功率為2 900 W，速度為0.06 m/s，活性劑為YbF3。

4 ? ?優(yōu)化實驗

在三因素三水平正交實驗下，對焊接熔深、熔寬、成型系數(shù)進行極差計算，從而得出TC4鈦合金激光焊的最優(yōu)工藝組合為A2B3C3，即功率為2 900 W，速度為0.06 m/s，活性劑為YbF3，工藝參數(shù)如表5所示。

4.1 ? ?TC4鈦合金母材微觀組織

圖1所示為TC4鈦合金在室溫下的微觀照片，TC4鈦合金母材組織為等軸狀白色的α相和黑色的β相組成的機械混合物，β相均勻依附在基體α相的周邊，二者相互交錯分布。

4.2 ? ?接頭組織與性能

圖2、圖3分別為功率為2 900 W涂活性劑YbF3和沒有涂覆活性劑時激光焊接頭橫截面形貌和200倍焊縫中心到母材的顯微組織。由圖可見，在激光焊過程中，TC4鈦合金母材中的等軸晶消失，焊接接頭被分為焊縫區(qū)（WM）、熔合區(qū)（FZ）、熱影響區(qū)（HAZ）及母材（BM）四個區(qū)域。

由圖2（b）可見，焊縫中心為粗大的β柱狀晶，其柱狀晶晶界清晰可見，β柱狀晶內部為縱橫交錯的針狀馬氏體α′相，α′相為合金元素在α相中的過飽和固溶體。針狀馬氏體α′相在激光焊的過程中，隨著焊件不斷吸收能量，當焊件中的液態(tài)金屬達到（α+β）/β相變點時，α+β雙相就會轉變?yōu)楦邷氐摩孪?，在隨后的冷卻過程中，由于焊件合金的冷卻速度快，高溫β相的元素來不及發(fā)生β/α相的轉變，只能通過非擴散的方式轉變?yōu)榕c母體成分相同、晶體結構不同的過飽和固溶體α′，即發(fā)生馬氏體相變。如圖2（c）所示，在融合區(qū)組織為等軸晶，在焊焊接過程中，焊接溫度達到TC4鈦合金的熔點，這樣會使母材的α相和β相發(fā)生重熔，在焊接凝固的過程中，由于熔池的溫度高，而靠近母材的一側溫度低，這樣焊縫液態(tài)金屬與母材之間會形成一個溫度梯度，促進了形核的生長，抑制了晶粒的長大，從而使融合區(qū)為細小的等軸晶。如圖2（d）所示，熱影響區(qū)主要為α+β+α′，這是因為雙相鈦合金從β相區(qū)和接近（α+β）/β相變點的高溫淬火均能生成α′，在焊接過程中，熱影響區(qū)加熱到α+β雙相區(qū)，部分α轉變?yōu)楦邷卅?，又由于熱影響區(qū)冷卻速度較焊縫區(qū)低，而且僅有部分α+β轉變?yōu)棣孪?，因此熱影響區(qū)的α′比焊縫中的α′更少、更細小，且與遠離焊縫的熱影響區(qū)相比較，靠近焊縫熱影響區(qū)溫度更高，發(fā)生馬氏體相變的β更多，高溫停留的時間較長，靠近焊縫的熱影響區(qū)晶粒更加粗大，馬氏體更多、更密集。

圖3為200倍下涂覆YbF3激光焊的焊縫區(qū)、融合區(qū)、熱影響區(qū)的顯微組織。由圖3（b）可知，焊縫的β晶粒也是由針狀馬氏體組成的網(wǎng)籃狀組織，由圖3（c）可知，融合區(qū)為等軸晶，晶內為細小的針狀馬氏體α′，且與未涂覆YbF3的顯微組織無區(qū)別。但涂YbF3焊縫內部組織得到明顯的細化，馬氏體α′更加細小，晶粒內的針狀所交織而成的網(wǎng)狀組織增加且更加密集。由此可見，涂覆YbF3可以細化焊接的晶粒和晶粒內部的針狀馬氏體。

4.3 ? ?接頭顯微硬度

圖4為優(yōu)化工藝條件下接頭顯微硬度的分布情況，兩組試樣硬度值隨著與焊縫中心距離的增大呈先降低后升高的趨勢，即從焊縫中心到熱影響區(qū)，硬度值下降，從熱影響區(qū)到母材，硬度值上升，其中焊縫區(qū)域的硬度大于母材硬度，且在距離焊縫中心0.8～1.2 mm粗晶區(qū)硬度發(fā)生突變，存在一個軟化區(qū)。這是由于在冷卻過程中焊縫區(qū)形成α′，且焊縫區(qū)α′數(shù)量多于熱影響區(qū)，故接頭硬度值先降低后升高。相比未涂活性劑焊縫，涂覆YbF3焊縫的硬度有所增加，而馬氏體的密集程度是硬度增加的原因。

5 ? ?結論

（1）通過設計L9（33）正交表作為實驗方案，以熔寬、熔深及成型系數(shù)為指標，采用極差分析方法，分析得出影響熔寬的主次因素為活性劑>速度>功率，熔寬的最優(yōu)組合是A3B1C2;影響熔深的主次因素為速度>功率>活性劑，熔深的最優(yōu)組合是A3B1C2;影響成型系數(shù)的主次因素為活性劑>功率>速度，成型系數(shù)的最優(yōu)組合為A2B3C3。以熔寬和成型系數(shù)為指標，采用綜合評價得出最優(yōu)工藝是功率為2 900 W，速度為0.06 m/s，活性劑為YbF3。

（2）在功率為2 900 W、速度為0.06 m/s、活性劑為YbF3的優(yōu)化實驗中，焊縫組織為針狀馬氏體α′，在融合區(qū)組織為等軸晶，熱影響區(qū)主要為α+β+α′，且越靠近焊縫的熱影響區(qū)晶粒越粗大，晶內馬氏體越多、越密集。接頭硬度值隨與焊縫中心距離的增大先降低后升高，且在距離焊縫中心0.8～1.2 mm粗晶區(qū)硬度發(fā)生突變，存在一個軟化區(qū)。

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收稿日期：2020-01-15

作者簡介：許愛平（1992—），男，甘肅隴西人，碩士研究生，研究方向：鈦合金激光焊。