焊接功率對TC4鈦合金激光焊接頭成形與組織性能研究

許愛平，董俊慧，甄邵楊，張藝程

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

TC4鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、高溫性能良好、耐腐蝕性能好、無毒無磁、良好的焊接性和生物相容性等特點，在航空航天、航海、兵器、化工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。

關(guān)于TC4鈦合金焊接的方法有很多，常見的有氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、電子束焊、攪拌摩擦焊、激光焊等其它焊接方法。其中與其他焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)具有突出的優(yōu)點較高的功率密度[4，5]，在焊縫中形成更窄的熱影響區(qū)[6，7]和更深的熔合區(qū)[8]和更低的殘余應(yīng)力[9]以及焊件更小的變形。對2 mm的TC4鈦合金進(jìn)行焊接試驗，通過改變焊接功率，研究TC4鈦合金焊接接頭的成形以及力學(xué)性能。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 試驗材料

激光焊試驗選取厚度為2mm的TC4鈦合金擠壓板作為母材，母材化學(xué)成分見表1，焊接試驗采用單一變量法，研究焊接功率的變化對焊縫成形，以及力學(xué)性能的影響。

表1 為TC4鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表2 TC4鈦合金焊接工藝參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

實驗選用設(shè)備是IPG Photonics公司生產(chǎn)的IPG YLS-10000型光纖激光器，光電轉(zhuǎn)化效率十分可觀；功率穩(wěn)定性達(dá)+1%，所以焊接過程穩(wěn)定；輸出功率范圍靈活；占地面積??；波長在1075+5nm間變化。焊接中還要使用德國庫卡公司生產(chǎn)的KR-C4型機(jī)器人系統(tǒng)配合完成試驗過程。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 焊接功率對成形的影響

從圖1（a）線能量隨著激光焊功率的增加而增加，隨著焊接功率的進(jìn)一步增加，觀察到激光功率與熔深之間線性關(guān)系的變化。

隨著功率的進(jìn)一步增加從2200W到2300W，熔深急劇增加。然而，在2300W的激光焊功率下，基板上實現(xiàn)了完全穿透。這是由于在較高的功率下功率密度很高，而且由于負(fù)離焦距離，激光束逐漸收斂到執(zhí)行比試樣表面高能量密度的聚焦點。圖1(b)中發(fā)現(xiàn)的增加焊接功率，焊接希望由于對工件表面施加更高的熱輸入而不斷增加，在較高的功率下，焊縫頂面形成等離子云。由于等離子體云吸收施加的激光束能量，并重新輻射焊件表面的熱能，從而促進(jìn)熔寬變寬。此外，由于表面張力引起的對流效應(yīng)，在熔池的鎖孔內(nèi)形成了反沖壓力。

圖1 不同功率對熔深和熔寬的影響

2.2 焊接功率對硬度的影響

圖2 焊接功率為2200W時激光焊接接頭的典型硬度分布

圖2顯示了在2200W的焊接速度下激光焊接接頭的典型顯微硬度分布。在功率為2200W條件件，BM、HAZ、FZ和WM的顯微硬度為330 HV～350 HV、370 HV～360 HV、360 HV～350 HV、430 HV～450 HV。從焊縫到母材，顯微硬度有明顯的下降，因為焊縫區(qū)是粗大的柱狀晶，在柱狀晶內(nèi)是細(xì)小馬氏體相交互形成的網(wǎng)籃組織，硬度比較大，隨著離焊縫距離的增加，尤其是在熔合線附近，α′相減少的程度比較大，導(dǎo)致在這個區(qū)域硬度發(fā)生突變，母材為α+β相，顯微硬度比較低。

2.3 焊接功率對力學(xué)性能的影響

在四種不用功率下2mm厚的TC4鈦合金激光焊接接頭室溫下的抗拉強(qiáng)度，見表3，拉伸后的試件實物如圖5所示結(jié)合表2和圖3的數(shù)據(jù)分析得出，試樣在承受靜態(tài)拉伸載荷的過程中。隨著功率的提高，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度圍繞母材的抗拉強(qiáng)度上下波動，四種不同功率的TC4鈦合金激光焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為757MPa，焊接接頭的強(qiáng)度低于母材的，伸長率為8.1%，接頭強(qiáng)度系數(shù)為0.81。如圖3所示，在四種不同的焊接功率下，焊接接頭的斷裂位置都是在焊縫區(qū)域，進(jìn)一步說明了焊縫的抗拉強(qiáng)度比母材的要低。

表3 焊接接頭力學(xué)性能

圖3 不同功率拉伸試樣斷裂位置

3 結(jié)論

（1）隨著焊接功率的進(jìn)一步增加，觀察到激光功率與熔深之間線性關(guān)系的變化，隨著功率的增大，受高溫等離子體和金屬蒸汽的影響，熔深加深和熔寬變寬。

（2）不同功率下TC4鈦合金焊接接頭的室溫平均抗拉強(qiáng)度為762MPa，伸長率為8.1%，比母材的略低，焊接接頭系數(shù)為0.81，拉伸試樣均斷在焊縫區(qū)域。