碳納米管對TC4鈦合金激光焊焊縫成形和組織的影響

侯繼軍，董俊慧，康志凱

(內蒙古工業(yè)大學, 內蒙古 呼和浩特 010051)

TC4鈦合金是目前工程中廣泛應用的一種典型的雙相鈦合金，具有比強度高、抗蝕性好以及綜合力學性能優(yōu)異等特點，主要應用于航空航天、醫(yī)療等領域[1]。由于鈦合金的熔點高、熱導率小，焊接時容易出現(xiàn)焊接頭組織粗大、熱影響區(qū)過寬等問題，因而以激光束為代表的高能束流熱源焊接技術在鈦合金焊接中得到廣泛應用。

采用激光焊接某些反射率較大的材料時，由于材料對激光吸收率低，熱量散失嚴重，造成能源浪費。激光深熔焊過程強烈的金屬氣化使得熔池金屬沿小孔壁逆光束軸線方向遷移，熔池表面產(chǎn)生駝峰，熔池金屬因激光焊冷速快不能立即回填，再加上激光焊一般不加填充材料，使得焊縫容易出現(xiàn)咬邊缺陷。液態(tài)鈦合金的粘度和表面張力大，回填能力更差，所以鈦合金激光焊更容易出現(xiàn)咬邊缺陷[2]。

針對以上問題，研究人員受活性TIG焊(A-TIG)的啟發(fā)，將活性劑引入激光焊接并開展了相關的研究工作。目前，活性激光焊所用活性劑大多以A-TIG焊所用活性劑為主，多為氟化物、氧化物或成分未知的商用活性劑[3-7]。激光與電弧是不同的熱源，對于激光焊來講，選擇一種良好的吸波材料作為活性劑是進行活性激光焊的關鍵。碳納米管作為一種良好的吸波材料，從可見光到紅外波段，都有良好的吸波特性[8]。而且有文獻報道[9]，將碳納米管加入鎂、鋁、鉛、鐵、鎳等金屬合金中都可以明顯地細化這些合金材料的基體組織。基于以上考慮，選用碳納米管作為TC4鈦合金激光焊接活性劑，分析碳納米管對焊縫成形和組織的影響，以期能夠選出有效的鈦合金激光焊接活性劑。

1 實 驗

實驗所用母材為寶鈦集團有限公司生產(chǎn)的TC4鈦合金板材，其化學成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金的化學成分(w/%)

從TC4鈦合金板材上截取尺寸為50 mm×25 mm×5 mm的試樣，采用機械和化學方法清理焊件待焊表面，清理完畢后用無水乙醇擦拭，干燥后待用。

選用羥基功能化多壁碳納米管粉末(MWCNTs)為活性劑，以蒸餾水為溶劑，碳納米管水分散劑(TNWDIS)為分散劑，配制碳納米管質量分數(shù)分別為1%、2%、3%、4%的懸浮液。為使碳納米管分散良好，將碳納米管溶液置于超聲波振蕩器中進行分散。將配制好的溶液用扁平毛刷刷于焊件表面，放置在空氣中，待干燥后施焊。

采用GS-TFL-6000型橫流CO2激光器進行焊接，焊接功率為2 200 W，焊接速度為300 mm/min，離焦量為-2 mm，焦斑直徑為0.9 mm。在施焊及冷卻過程中利用氬氣保護焊縫，氬氣流量為10 L/min。在焊接過程中利用BaumerHXC13高速攝像機采集焊件上方的光致等離子體圖像。

焊后將中部焊縫截面打磨拋光，用95 mL H2O+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1.0 mL HF混合而成的腐蝕液腐蝕焊縫。借助ZEISS Stemi 2000-C顯微鏡觀察焊縫形狀，測量熔深和熔寬。采用ZEISS Axio Imager光學顯微鏡觀察焊縫顯微組織。采用HVS-30Z/LCD顯微硬度計測量接頭硬度。采用QUANTA FEG65場發(fā)射掃描電鏡觀察涂覆層碳納米管的分散狀態(tài)，用OXFORD X-Max50能譜儀測定焊縫元素含量。利用Philips APD-10型X射線衍射儀測定焊縫組織的物相組成。

2 結果與分析

2.1 涂覆效果比較

將碳納米管質量分數(shù)為1%～4%溶液涂覆在TC4鈦合金樣品表面，如圖1所示。由圖1可以看出，碳納米管質量分數(shù)為4%的溶液涂覆效果較好，涂覆層均勻致密。為進一步觀察涂覆層中碳納米管的分散狀態(tài)，利用掃描電鏡觀察碳納米管質量分數(shù)為4%的涂覆層微觀形貌，如圖2所示。由圖2可以看出，涂覆層中碳納米管的分散狀態(tài)良好，沒有產(chǎn)生團聚現(xiàn)象。所以實驗選擇對涂覆碳納米管質量分數(shù)為4%溶液焊件施焊，并對其焊縫進行研究。

圖1 TC4鈦合金表面不同質量分數(shù)碳納米管涂覆層的宏觀形貌

圖2 碳納米管涂覆層的微觀形貌

2.2 焊縫成形

在給定的焊接參數(shù)下對未涂覆碳納米管和涂覆碳納米管的TC4鈦合金試板分別施焊，焊縫外觀形貌如圖3所示。

圖3 未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫外觀形貌

從TC4鈦合金激光焊縫表面顏色判斷，在試驗條件下，涂覆碳納米管后造成焊縫氧化，但并不嚴重。另外，與未涂覆碳納米管的焊縫相比，涂覆碳納米管使得焊縫中心成形不太飽滿，焊縫魚鱗紋比較尖銳。為了進一步分析碳納米管對TC4鈦合金激光焊縫成形的影響，在顯微鏡下觀察了焊縫截面形狀并測量了焊縫熔深和熔寬，如圖4所示。由圖4可以看出，無論涂覆還是未涂覆碳納米管，TC4鈦合金CO2激光焊縫截面都呈“釘形”，這是因為激光束的能量達到了TC4鈦合金的氣化閾值，焊接過程中形成“匙孔”，產(chǎn)生所謂的小孔效應。激光束入射到匙孔內，經(jīng)孔壁多次反射到熔池上部，使得熔池上部吸收的熱量比下部多，所以形成上寬下窄的“釘形”焊縫截面形狀。通過測量及計算可得：未涂覆碳納米管的焊縫熔深(H)為2.951 2 mm、熔寬(B)為5.150 4 mm、深寬比(H/B)為0.573 0；涂覆碳納米管的焊縫熔深(H)為3.127 6 mm、熔寬(B)為4.974 1 mm、深寬比(H/B)為0.628 8。在TC4鈦合金表面涂覆碳納米管可使焊縫熔深增加約6%，熔寬降低約4%，深寬比增加約10%。從提高焊接效率和降低熱影響區(qū)寬度角度來講，涂覆碳納米管有利于TC4鈦合金焊縫成形。

圖4 未涂覆與涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫截面形狀

激光焊過程中，影響工件激光吸收率的因素主要有：①激光波長；②工件表面狀態(tài)，如表面粗糙度和表面涂層；③工件自身性質，如金屬的電阻率；④光致等離子體。通過歸納分析以上因素可知，本次試驗中造成涂覆碳納米管焊縫成形變化的可能原因主要是工件表面狀態(tài)變化和光致等離子體變化造成的。

激光深熔焊時，激光功率密度達到了工件金屬的氣化閾值，產(chǎn)生金屬蒸氣，金屬蒸氣中一些自由電子通過吸收激光能量碰撞金屬蒸氣和周圍氣體原子使其電離，電子密度呈雪崩式增長而形成光致等離子體[10]。激光焊的許多參數(shù)都會影響熔池的幾何形狀，并最終影響焊縫的成形，焊縫形貌是由這些參數(shù)決定的不同物理現(xiàn)象相互作用的結果，其中光致等離子體是眾多影響因素之一。

光致等離子體能夠吸收激光能量，所以對于焊件來講，光致等離子體會降低焊件對激光的吸收，即產(chǎn)生所謂的“屏蔽效應”。光致等離子體的吸收作用與激光入射方向等離子體的高度有關，其關系如式(1)所示[11]。

I=I0e-αh

(1)

式中：I為穿過光致等離子體發(fā)生衰減后的激光功率密度；I0為入射激光功率密度；α為等離子體吸收系數(shù)；h為等離子體高度。由式(1)可知，等離子體高度尺寸越大，對激光的吸收作用越強。利用高速攝像系統(tǒng)采集了涂覆與未涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊件激光焊過程中焊件上方的光致等離子體形態(tài)圖，選擇具有典型形態(tài)特征，且采集時刻相同(分別是1、2、3、4、5 s)的圖像進行分析，如圖5所示。整體觀察圖5未發(fā)現(xiàn)涂覆碳納米管后光致等離子體在激光入射方向(垂直方向)的高度產(chǎn)生明顯的變化，說明碳納米管對于光致等離子體對激光的吸收作用影響有限。

圖5 未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金激光焊接過程中的光致等離子體形態(tài)

光致等離子體屬于光疏介質(折射率小于1)，激光穿過光致等離子體時會產(chǎn)生散射，即所謂的“負透鏡效應”[11]。散射作用受光致等離子體面積影響，面積越大，散射作用越強。通過觀察圖5可以看出，涂覆碳納米管后光致等離子體的面積沒有明顯變化，說明涂覆碳納米管對光致等離子體的激光散射作用影響不大，因而涂覆碳納米管后焊縫成形的變化與光致等離子體的關系不大，主要歸因于焊件表面狀態(tài)的變化。

涂覆碳納米管焊件的表面粗糙度較未涂覆焊件更大。除此之外，碳納米管不僅具備納米材料因小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等特性而具有的吸波特性，而且其特有的高電、磁損耗正切角及獨特的AB效應等，還令其具有比其他的納米材料更優(yōu)越的電磁吸波性能[12]。綜上分析可知，涂覆碳納米管后TC4鈦合金CO2激光焊焊縫成形的變化是由于碳納米管增加了對CO2激光的吸收率的原因。

2.3 焊縫組織

圖6為未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫顯微組織。由圖6可以看出，涂覆碳納米管后，焊縫顯微組織未發(fā)生明顯變化，都是β晶內分布交錯的馬氏體α′相構成的網(wǎng)籃狀組織。α′相是高溫β相中的合金元素來不及擴散，轉變?yōu)榕c母相成分相同而晶體結構不同的固溶體[13]。

圖6 未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫顯微組織

由圖6還可以看出，涂覆碳納米管的焊縫晶粒較未涂覆焊縫細小，晶內的馬氏體α′相短小。這是因為碳納米管提高了激光吸收率的緣故。焊縫的冷卻速率與焊縫溫度的關系見式(2)[14]。

(2)

式中：R為冷卻速率；T為焊縫溫度；x為母材到焊縫的距離；v為焊接速度；K為玻爾茲曼常數(shù)；ρ為材料密度；Cp為比熱容；t為板厚；q為散熱速率；T0為母材溫度。

由式(2)可知，焊縫冷卻速率R與焊縫溫度和母材溫度差值的3次方成正比，說明溫度變化對熔池金屬的結晶速度影響顯著。在其他參數(shù)不變情況下，涂覆碳納米管焊件的激光吸收率更高，使得焊縫溫度升高，在冷卻過程中焊縫冷卻速度增加，結晶組織來不及長大，形成的β晶粒比未涂覆碳納米管的小，而且晶內的α′相也較未涂覆碳納米管的短小一些。

2.4 焊縫硬度及物相組成

圖7為未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫顯微硬度曲線。由圖7可以看出，不論涂覆還是未涂覆碳納米管，焊縫的硬度都處于較高水平。這是因為焊縫組織主要由馬氏體α′相構成，母材TC4鈦合金顯微組織由α+β相構成，所以焊縫硬度處于較高。由圖7還可以發(fā)現(xiàn)，涂覆碳納米管對焊縫硬度影響不大，這是因為馬氏體α′相屬于代位固溶體，對合金的強化作用較小[15]。

圖7 涂覆和未涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊接頭硬度分布

為了進一步分析碳納米管在TC4鈦合金激光焊接過程中的作用，利用能譜對未涂覆與涂覆碳納米管的焊縫進行了成分分析，結果見圖8。由圖8可見，未涂覆與涂覆碳納米管的焊縫成分一致，且涂覆碳納米管的焊縫中未檢測到碳元素。

圖8 未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫的EDS分析結果

圖9為未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫的XRD圖譜。由圖9可以看出，涂覆與未涂覆碳納米管的焊縫顯微組織均由α′相組成，沒有檢測到其他新相存在，說明碳納米管對焊縫顯微組織的物相組成沒有明顯的影響。XRD圖譜中未見碳的衍射峰，說明合金表面涂覆的碳納米管未熔入焊縫中。這是因為激光能量較強，焊接時熔池處于劇烈的振蕩狀態(tài)且有金屬蒸氣從熔池噴出，再加上碳納米管密度較低，所以碳納米管很難進入熔池。

圖9 涂覆和未涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫的X射線衍射圖譜

3 結 論

(1)TC4鈦合金表面涂覆碳納米管質量分數(shù)為4%的活性劑溶液，形成的涂覆層均勻致密，涂覆效果較好。在選定焊接參數(shù)條件下，該涂覆層可使焊縫熔深增加約6%，熔寬降低約4%，深寬比增加約10%。

(2)由于碳納米管提高了激光吸收率，使得焊縫溫度升高、冷卻速度增加，所以涂覆碳納米管的焊縫組織的β晶粒較未涂覆碳納米管的細小，β晶粒內的α′相也比未涂覆碳納米管的短小。碳納米管對焊縫硬度和顯微組織相構成無明顯影響。