Ti75合金激光焊接接頭的組織及力學(xué)性能

曹守啟，何 鑫，劉婉榮，馮杰才

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2.上海銳戎激光焊接技術(shù)有限公司, 上海 201306)

海洋在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局中的地位和作用日益突出，意味著對船舶材料的工藝與性能要求不斷提高。鈦合金具有強(qiáng)度高、耐熱性高和耐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶制造領(lǐng)域[1-3]，焊接是其主要的連接工藝。然而，鈦合金對焊接工藝要求較高，焊接接頭易出現(xiàn)應(yīng)力集中、組織不均勻等現(xiàn)象，成為影響焊接接頭質(zhì)量的重要因素[4-6]。相對于其他焊接方式，激光焊接具有能量集中、速度穩(wěn)定、焊后接頭美觀等優(yōu)點(diǎn)，可在海洋工程裝備中推廣使用[7]。

Ti75合金是一種具有中等強(qiáng)度、耐腐蝕、高韌性等特點(diǎn)的新型材料，可在船舶建造過程中大范圍使用，在提升船舶各方面性能上擁有較好的前景[8]。現(xiàn)有的激光焊接接頭組織研究都是針對其他鈦合金材料，針對Ti75合金激光焊接接頭組織及力學(xué)性能研究的不多。王維新等[9]對GTi70與TC4異種鈦合金材料激光焊縫組織與性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，脈沖激光焊縫熱影響區(qū)較窄，母材損傷小，焊縫強(qiáng)度與塑性優(yōu)于連續(xù)激光焊縫。李文杰等[10]對Ti75合金的焊接工藝進(jìn)行系統(tǒng)的研究，通過焊接參數(shù)調(diào)試及優(yōu)化，獲得了接頭綜合力學(xué)性能良好，強(qiáng)度和韌性超過母材水平的焊接接頭。奚泉等[11]對Ti75合金TIG焊接頭力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，Ti75合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度與母材相近,接頭表現(xiàn)出良好的塑性。Wang等[12]針對TC4鈦合金焊接接頭，對其組織、力學(xué)性能和鍵合機(jī)理進(jìn)行了研究和探討。Kumar等[13]研究了脈沖激光焊接中鈦合金熱輸入對組織和力學(xué)性能的影響。探究Ti75合金激光焊接熱輸入量對焊接接頭組織及力學(xué)性能的變化規(guī)律，對提高鈦合金加工工藝具有一定指導(dǎo)意義。

本文采用10 kW的連續(xù)光纖激光器對3 mm厚的Ti75合金板進(jìn)行了激光焊接，研究了激光焊接接頭的組織變化情況及其力學(xué)性能，為該合金的激光焊接工藝提供一定的參考標(biāo)準(zhǔn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)材料為Ti75合金，尺寸為200.0 mm×100.0 mm×3.0 mm，表1為材料的化學(xué)成分組成，表2為材料的力學(xué)性能。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能

依據(jù)《GBT 19867.4-2008激光焊接工藝規(guī)程》，針對3 mm厚的Ti75合金板，采用10 kW的連續(xù)光纖激光器進(jìn)行了激光對接焊。焊接前先把待焊接部位用打磨機(jī)和砂紙打磨平整，再用酒精擦拭待焊接部位，待其揮發(fā)后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用KUKA機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)，如圖1所示。其中KUKA機(jī)器人由光纖激光器、機(jī)械臂、冷卻裝置等系統(tǒng)組成。激光器為IPG公司生產(chǎn)，焊接激光頭聚焦焦距為382 mm。

圖1 KUKA機(jī)器人激光焊接系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中保持焊接速度不變，通過調(diào)整激光功率得到不同的熱輸入量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中所使用的激光焊接工藝參數(shù)如表3所示。控制激光器的功率分別為2.7、3.0、3.1和3.3 kW, 分別標(biāo)號(hào)為1#, 2#, 3#, 4#。由式(1)可得，保持焊接速度為2.4 mm/s不變，可得到激光功率在2.7 kW到3.3 kW所對應(yīng)的熱輸入為67.5、75.0、77.5和82.5 J/mm。由于試件在焊接過程中與空氣接觸容易發(fā)生氧化反應(yīng)，所以整個(gè)焊接過程中試件的正反面皆采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，選用氣體為99.9%氬氣，控制氬氣的流量在20 min/L左右。

表3 Ti75合金的焊接參數(shù)

(1)

式中：E為熱輸入量；P為激光功率；v為焊接速度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對焊接接頭試樣進(jìn)行機(jī)械拋光，再采用體積分?jǐn)?shù)為4.0%的硝酸乙醇溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕，之后進(jìn)行接頭組織觀察；按圖2所示，將焊接后的Ti75合金板加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，進(jìn)行拉伸性能測試；選取焊接接頭較好的試件，在試件接頭上表面1/3處進(jìn)行顯微硬度測試。

圖2 拉伸試樣的尺寸(單位：mm)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 接頭的外觀形狀

在4種不同大小的激光輸入能量下，得到焊接接頭外觀形狀如圖3所示，從圖3可以看出，在熱輸入量從67.5提高到82.5 J/mm時(shí)，所有試件的焊接接頭完全被熔透，且接頭大部分呈現(xiàn)銀白色，小部分出現(xiàn)淡黃色，說明焊縫氧化程度低。焊接接頭連續(xù)未出現(xiàn)明顯的缺陷，成型美觀。

圖3 不同熱輸入下接頭外觀形貌

將焊縫沿著橫截面切開，由圖4可以看出，在不同激光功率下，焊接接頭形狀分為3個(gè)不同的部分，焊縫區(qū)(WS)、熔合線區(qū)(FL)和熱影響區(qū)(HAZ)。WS是鈦合金試件在熱輸入下變成液體又凝結(jié)成固體的部位，HAZ是指在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側(cè)的材料還未熔化成液體，但由于熱量作用發(fā)生明顯的組織和性能變化的部位。

圖4 不同熱輸入下接頭形貌

在焊接的過程中，鈦合金表面的少量材料受熱輸入的作用發(fā)生氣化脫離，這些材料的瞬間氣化會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用力作用在試件上，同時(shí)，鈦合金試件由于熱輸入作用也會(huì)發(fā)生液化，產(chǎn)生熔融的液體。隨著熱輸入逐漸增大，鈦合金試件發(fā)生氣化的現(xiàn)象逐步明顯，產(chǎn)生的作用力也會(huì)逐漸增大，當(dāng)這些作用力大于鈦合金液體向其周圍施加的力時(shí)，會(huì)擠壓鈦合金液體向周圍運(yùn)動(dòng)，從而接頭表面產(chǎn)生了一些凹陷[14]。當(dāng)激光束產(chǎn)生的能量達(dá)到一定值時(shí)，這些能量能夠擊穿材料形成氣孔，受熱量影響產(chǎn)生的金屬氣體會(huì)隨之向上和向下迸發(fā)，從而在這兩個(gè)地方造成變形。隨著激光能量進(jìn)一步增加，達(dá)到77.5和82.5 J/mm時(shí)，此時(shí)由于過多的能量攝入，大部分激光能量可以透過整塊鈦合金板，直至焊接樣品的底部，造成焊接部位出現(xiàn)的下塌現(xiàn)象更加明顯。

隨著熱輸入的逐漸增大，焊縫的熔寬也逐漸增大，測得4種熱輸入條件下的熔寬分別是1.90、2.32、2.51和2.85 mm。

2.2 焊縫接頭的顯微組織

1)母材組織。圖5為Ti75合金的原始顯微組織，其主要由兩種不同形態(tài)的α相組成：等軸α相和片狀α相。等軸α相和片狀α相這兩種形態(tài)在顯微組織中被稱為雙態(tài)組織，在兩種α相之間填充了原始β相。即母材顯微組織由等軸α相、片狀α相以及少量β相組成，縱向條紋形成一種特色的織構(gòu)組織。

圖5 Ti75合金原始組織

2)焊合區(qū)。不同熱輸入下焊合區(qū)的顯微組織如圖6所示，焊合區(qū)的組織與母材相比發(fā)生了較大的變化，該區(qū)域形成了針狀等軸α相和β相，并且產(chǎn)生了大量的馬氏體組織。發(fā)生這一轉(zhuǎn)變是由于激光焊接的過程中，在激光束高強(qiáng)度的功率密度下，原始母材粗大的β晶粒受熱發(fā)生熔化變形，產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而析出α相，形成了等軸晶粒組織。

圖6 Ti75合金焊接接頭的顯微組織

Ti75合金激光焊接后焊縫中存在大量的馬氏體組織，且隨著熱輸入量的增大數(shù)量逐漸增多。該組織是由β相轉(zhuǎn)變而來。圖6中顯示的是焊縫典型組織：馬氏體和馬氏體條。圖中片或針片之間殘留的黑色組織為殘余β相，大量的粗條狀馬氏體、馬氏體條互相交錯(cuò)，并在交錯(cuò)點(diǎn)處停止生長，表現(xiàn)出交錯(cuò)角形態(tài)。觀察焊縫中的馬氏體，其都在晶界處停止生長，快速冷卻過程中形成的馬氏體與緩慢冷卻過程中形成的α相具有相同的結(jié)構(gòu)，二者的主要區(qū)別是馬氏體在原晶體中停止生長[15]。

2.3 性能測試及分析

2.3.1 拉伸性能

焊接接頭的力學(xué)性能和斷裂類型如表4所示。在熱輸入量為67.5、75.0和77.5 J/mm時(shí)，拉伸試件的斷裂位置均未發(fā)生在焊接接頭的部位，即焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高于其他部位；當(dāng)熱輸入量上升到82.5 J/mm時(shí)，此時(shí)的斷裂位置發(fā)生在焊縫。分析其原因認(rèn)為，隨著激光功率的增加，焊接接頭的熔寬逐漸變大，接頭缺陷逐漸增加，對接頭力學(xué)性能造成的影響變大，在拉伸過程中會(huì)造成焊縫區(qū)域發(fā)生斷裂。

表4 不同熱輸入下焊接接頭的力學(xué)性能

因此，在合理的熱輸入下得到的Ti75合金焊接接頭，斷裂位置發(fā)生在母材, 接頭的力學(xué)性能能達(dá)到母材標(biāo)準(zhǔn)，滿足性能要求。

2.3.2 顯微硬度

選取熱輸入量為75.0 J/mm時(shí)的焊接接頭進(jìn)行硬度測試，每隔0.1 mm測試一個(gè)數(shù)據(jù)，得到的橫向接頭硬度分布如圖7所示。接頭硬度在母材最低，熱影響區(qū)的硬度最高，焊合區(qū)的硬度比熱影響區(qū)的略低。Ti75合金母材的硬度平均值為265HV，熔合線附近的硬度值在315HV左右，焊合區(qū)的硬度值則在340HV到380HV之間上下波動(dòng)，沒有出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。

圖7 75.0 J/mm熱輸入量的接頭硬度測試結(jié)果

分析原因可知，激光焊接的過程從母材到焊縫的組織是連續(xù)變化的，材料在熱輸入下發(fā)生了劇烈變形，材料的馬氏體含量增加，導(dǎo)致了硬度上升,由于焊合區(qū)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，強(qiáng)化效果變小。所以硬度值從母材到熱影響區(qū)呈現(xiàn)上升，到焊縫又呈現(xiàn)一定的下降趨勢。

3 結(jié) 論

1)在激光功率3 kW、焊接速度2.4 mm/s，離焦量1 mm的工藝參數(shù)下，Ti75合金焊接效果較好，且焊接接頭性能較高。

2)隨著焊接熱輸入量的增大，焊接接頭的熔寬逐漸增加，焊接接頭明顯分為焊縫(WS)、熔合線(FL)和熱影響區(qū)(HAZ)。母材為等軸α相和少量β相，縱向織構(gòu)組織；焊合區(qū)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，呈現(xiàn)針狀等軸α相和原始β相。

3)激光焊接接頭在合理的熱輸入下，拉伸斷裂位置位于母材，其抗拉強(qiáng)度為740 MPa左右，滿足性能要求。焊接接頭的硬度值也高于母材。