超薄鈦合金激光疊焊焊接特性

盧兵兵， 董梁

(上海捷氫科技有限公司,上海 201800)

0 前言

作為車(chē)載燃料電池的重要組成部分，金屬雙極板不僅在燃料電池金屬堆中起到支撐、提供反應(yīng)空間的作用，還起到為冷凝水提供流道降低電堆溫度等作用。金屬雙極板復(fù)雜的工作環(huán)境使得其對(duì)材料的需求極為苛刻。相比于其他構(gòu)件而言，燃料電池金屬雙極板的制造屬于大結(jié)構(gòu)精細(xì)化機(jī)構(gòu)，精密加工的范疇領(lǐng)域。在現(xiàn)有國(guó)內(nèi)的金屬雙極板加工中不銹鋼是普遍應(yīng)用的材料之一。主要原因是由于不銹鋼的造價(jià)更低且在可焊接性、導(dǎo)電性上具有不錯(cuò)的應(yīng)用價(jià)值[1]。但隨著燃料電池領(lǐng)域的發(fā)展，不銹鋼金屬雙極板的劣勢(shì)也逐步顯露出來(lái)。為了提高金屬雙極板的耐腐蝕性，避免影響電堆整體性能，目前常采用鈦合金進(jìn)行替代[2]。鈦及鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性能等特點(diǎn)，能夠降低燃料電池汽車(chē)的運(yùn)行負(fù)載，且提高電池使用壽命，因此在燃料電池雙極板的制造中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

燃料電池金屬雙極板為2片厚度0.1 mm的超薄單極板連接組成的密封件，并要求具有一定的連接強(qiáng)度和耐腐蝕性能。目前金屬雙極板或超薄板的連接中，常用的方法包括膠接、真空釬焊、微弧等離子體焊接等[3-5]，這些方法可能存在連接強(qiáng)度低、成本高、加工效率低及熱輸入過(guò)大導(dǎo)致燒穿等問(wèn)題。而激光焊接具有能量精確可控、可在常壓環(huán)境下進(jìn)行焊接、加工效率高而成本低等特點(diǎn)[6-8]，更適合用于燃料電池的金屬雙極板焊接。但目前對(duì)于金屬雙極板的激光焊接研究尤其是針對(duì)鈦合金雙極板的激光焊接研究較少，因此文中采用TA1超薄板研究激光焊接工藝參數(shù)對(duì)雙極板焊縫質(zhì)量的影響，為金屬雙極板的激光焊接應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備

試驗(yàn)材料為T(mén)A1工業(yè)純鈦超薄板，相應(yīng)元素含量見(jiàn)表1，焊接板材規(guī)格為90 mm×250 mm×0.1 mm，試驗(yàn)前鈦板經(jīng)過(guò)酸洗去除鈦板表面氧化膜，并用酒精清理鈦板表面油污，在80 ℃下烘干0.5 h后進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)使用IPG公司生產(chǎn)的YLR-1000光纖激光器進(jìn)行焊接，激光束波長(zhǎng)約為1 070 nm，在零離焦處光斑直徑為0.2 mm，焊接接頭形式為疊焊，母材兩側(cè)使用夾具壓緊，激光束后方采用99.99%的氬氣進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)氣體流量為15 L/min，焊接方式如圖1所示。焊后試樣經(jīng)多道金相砂紙研磨并拋光后采用SZX12與VHX1000光學(xué)金相顯微鏡對(duì)焊縫的表面與截面進(jìn)行觀察。

表1 TA1成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 焊接方式示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鈦合金焊接缺陷

2.1.1焊接成形缺陷

在激光焊接薄板時(shí)由于工藝參數(shù)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)宏觀焊接缺陷，如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)焊接過(guò)程中熱輸入過(guò)高或過(guò)低時(shí)都會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)表面缺陷。由于金屬雙極板母材厚度較小，而激光焊接過(guò)程本身是一種非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，因此可能會(huì)出現(xiàn)明顯呈周期性的缺陷，如圖2a所示，當(dāng)采用200 W的激光功率、200 mm/s的焊接速度及0離焦量進(jìn)行焊接時(shí)，由于激光能量需要從上層母材上表面?zhèn)鲗?dǎo)至下表面，進(jìn)而到達(dá)下層母材，但疊焊接頭存在一定的間隙，導(dǎo)致該處激光能量向兩側(cè)傳導(dǎo)的效率高于向下傳導(dǎo)的效率，而激光焊接熔池流動(dòng)方向?yàn)閺募す夤獍呦騼蓚?cè)再向后回填，如圖2b所示，尤其在薄板焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生小孔效應(yīng)[9]，且鈦合金具有較大的表面張力[10-11]，熔體向母材兩側(cè)流動(dòng)后由于表面張力作用回填滯后，堆積在焊縫兩側(cè)，最終形成將上層母材切斷的效果。當(dāng)采用過(guò)大的能量輸入時(shí)，如450 W的激光功率、250 mm/s的焊接速度及0離焦量進(jìn)行焊接時(shí)，由于匙孔的周期波動(dòng)和熔體回流不足等原因?qū)е鲁霈F(xiàn)焊縫斷續(xù)貫穿的現(xiàn)象，進(jìn)一步增大功率則會(huì)導(dǎo)致焊縫連續(xù)貫穿，形成“切斷”的效果，如圖2c所示。

圖2 焊縫表面缺陷

2.1.2焊縫內(nèi)部缺陷

對(duì)于鈦合金疊焊接頭，由于材料韌性良好、焊接性較好，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，焊縫內(nèi)部主要缺陷形式為氣孔缺陷。接頭中的氣孔缺陷主要由外部氣體卷入所致，如圖3所示，其位置主要分布在接頭熔合面兩端。由于疊焊接頭不可避免的存在間隙，接頭又處于大氣壓環(huán)境下，在焊接時(shí)熔體劇烈流動(dòng)導(dǎo)致兩側(cè)空氣卷入熔池，或由于激光前進(jìn)并擠壓母材之間的空氣向兩側(cè)排出，但由于該試驗(yàn)接頭厚度導(dǎo)致焊接速度較快，氣泡到達(dá)熔池兩側(cè)后被上下熔池?cái)D壓固定在熔合線附近，因此極易在兩母材熔合面處產(chǎn)生氣孔缺陷。該氣孔隨熱輸入增加、熔池凝固時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)有向熔池中心流動(dòng)的趨勢(shì)，如圖4a～圖4c所示。除此之外，該類氣孔大多存在于疊焊間隙小于40 μm時(shí)，而當(dāng)間隙大于50 μm，接頭可能出現(xiàn)明顯下塌，接頭形態(tài)有所改變，兩側(cè)間隙足夠氣體逸出，因此未見(jiàn)氣孔缺陷存在。

圖3 典型氣孔缺陷特征

圖4 不同熱輸入下的氣孔缺陷

另一種氣孔缺陷則是由于鈦合金在不同溫度下對(duì)于不同氣體的吸收導(dǎo)致的[12-13],在較高的溫度下，鈦及鈦合金會(huì)與周?chē)目諝饨橘|(zhì)(氫氣、氧氣、氮?dú)?發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，鈦會(huì)從250 ℃開(kāi)始吸收氫氣，當(dāng)溫度升高到400 ℃時(shí)吸收氧氣，當(dāng)溫度升高到600 ℃時(shí)吸收氮?dú)鈁14-16]。這使得鈦合金在激光焊接過(guò)程中會(huì)由于周?chē)諝獾挠绊懀诤缚p中形成氣孔、裂紋等焊接缺陷。該氣孔為冶金型氣孔，通常呈邊緣光滑的圓形或橢圓形，尺寸在幾十微米之間，可能分布于整個(gè)焊縫，如圖5所示。該類氣孔可能由于激光能量過(guò)大使得焊接過(guò)程不穩(wěn)定、熔池劇烈波動(dòng)，且背面大量熔透，將外部氣體卷入導(dǎo)致。

圖5 激光能量過(guò)大導(dǎo)致的氣孔缺陷

2.2 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響

2.2.1焊接熱輸入對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響

在激光焊接過(guò)程中，激光功率對(duì)于焊接質(zhì)量起著重要的作用，同樣的熱輸入下由于選用了不同的焊接速度與激光功率會(huì)導(dǎo)致焊縫成形朝著不同的方向發(fā)展，這主要是由于在激光焊接過(guò)程中，隨著激光功率的增加，焊接模式會(huì)從熱導(dǎo)焊向深熔焊轉(zhuǎn)變，焊縫形態(tài)由較淺的弧形向大深寬比的錐形轉(zhuǎn)變。圖6為焊接熱輸入與上表面熔寬之間的關(guān)系，可以看到表面熔寬隨熱輸入的增加大致呈增加趨勢(shì)。但進(jìn)一步將不同焊接速度下的熔寬區(qū)分可發(fā)現(xiàn)，在焊接速度較低時(shí)(200～230 mm/s)，表面熔寬受熱輸入影響較小，且有下降趨勢(shì)。而焊接速度較高時(shí)(280～300 mm/s)，表面熔寬隨熱輸入的增加近似線性增加，其中熱輸入為1.66 J/mm時(shí)出現(xiàn)較大差異，由于間隙較大無(wú)法快速傳導(dǎo)至下層母材，因此能量向上層母材兩側(cè)擴(kuò)散，導(dǎo)致熔寬顯著增加，隨后熔池出現(xiàn)塌陷，與下層母材連接。

圖6 焊接熱輸入與上表面熔寬的關(guān)系

由于疊焊接頭主要受力方式為橫向拉伸/剪切應(yīng)力，因此母材之間的熔合面寬度也能夠反映其結(jié)合強(qiáng)度。圖7為焊接熱輸入與熔合面寬度之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)熔合面寬度隨焊接熱輸入的增加呈增加趨勢(shì)。但由于焊接熱輸入是激光功率與速度結(jié)合得到的參量，因此并不能完全反應(yīng)所有的特征變化，同樣的熱輸入可能對(duì)應(yīng)不同的焊接速度和功率，在鈦合金疊焊接頭中，熔合面寬度受接頭形態(tài)影響較大，隨著激光功率的增加，焊縫逐漸由圓弧形向V形轉(zhuǎn)變，在熔深接近母材厚度后又逐漸向X形轉(zhuǎn)變，如圖8所示。熔合面的寬度在緩慢增加到一定程度后，可能隨著X形焊縫的出現(xiàn)而顯著提升。

圖7 焊接熱輸入與熔合面寬度的關(guān)系

圖8 焊縫形態(tài)變化示意圖

2.2.2離焦號(hào)對(duì)接頭質(zhì)量影響

在激光焊接過(guò)程中不同的離焦量可以實(shí)現(xiàn)不同的焊接效果，激光焦點(diǎn)位置為能量密度最大的區(qū)域，而當(dāng)離焦量為正時(shí)，隨著離焦量的增加，能量在母材上表面聚集并逐漸擴(kuò)大，趨近于熱導(dǎo)焊形式；隨著離焦量變負(fù)，能量向母材下方轉(zhuǎn)移，趨近于深熔焊形式。圖9為不同離焦量下的鈦合金疊焊接頭成形，隨著離焦量由負(fù)變正，表面熔寬顯著增加，熔合面寬度也隨之增加，焊縫形態(tài)逐漸趨近于圓弧形，熔深減小。當(dāng)離焦量與能量配比滿足熔深為0.1mm左右時(shí)，同樣出現(xiàn)上層母材被切斷的現(xiàn)象，切口寬度與光斑相關(guān)，明顯大于離焦量為0時(shí)出現(xiàn)的切口。同樣，由于能量焦點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，同樣的焊接熱輸入值下可以將成形較差的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槌尚屋^好的參數(shù)，如圖10所示，隨著焦點(diǎn)上移，從整體的切割變?yōu)榱己玫暮附映尚巍?/p>

圖9 不同離焦?fàn)顟B(tài)下焊縫成形(330 W，280 mm/s)

圖10 不同離焦量下焊縫表面形貌

通過(guò)以上試驗(yàn)分析，在不同的離焦量下調(diào)節(jié)激光能量與焊接速度均可獲得較好的焊接接頭，隨著離焦量由正變負(fù)，可以適當(dāng)提高焊接速度來(lái)防止焊縫下塌，同時(shí)降低焊接熱輸入保證成形穩(wěn)定，不同離焦情況下的焊縫成形如圖11～圖12所示。

圖11 不同離焦量下焊縫截面成形

圖12 不同離焦量下焊縫表面的成形

2.3 焊縫力學(xué)性能

在焊接過(guò)程中焊縫的力學(xué)性能是評(píng)價(jià)焊縫是否滿足使用要求的主要判定參數(shù)，在燃料電池電堆的使用過(guò)程中，金屬雙極板為密封構(gòu)件，因此對(duì)于焊縫強(qiáng)度要求較為苛刻，該試驗(yàn)主要通過(guò)拉伸試驗(yàn)的方法進(jìn)行焊縫抗剪切性能的確定，評(píng)估鈦板金屬雙極板在受外力作用時(shí)焊縫的力學(xué)行為。

試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，可以看出拉伸試樣均斷裂在母材位置且距離焊縫較遠(yuǎn)，證明焊縫具有較高的力學(xué)性能，在受到外界載荷作用的情況下不會(huì)成為構(gòu)件上力學(xué)性能的薄弱點(diǎn)影響焊接構(gòu)件使用壽命。拉伸試樣抗拉強(qiáng)度值見(jiàn)表2。可以看出在承受外界對(duì)焊縫施加的力時(shí)焊縫并不是整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)薄弱點(diǎn)，焊縫在力學(xué)性能上優(yōu)于母材，滿足使用要求。

圖13 拉伸試驗(yàn)斷裂試樣

表2 不同參數(shù)下拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度

3 結(jié)論

(1)合理控制焊接時(shí)的熱輸入是實(shí)現(xiàn)TA1薄板焊接的關(guān)鍵因素之一，過(guò)低或過(guò)高熱輸入都會(huì)導(dǎo)致母材出現(xiàn)被切斷的現(xiàn)象。

(2)氣孔缺陷主要分布于接頭熔合面兩端，在接頭間隙小于40 μm時(shí)易出現(xiàn)氣孔缺陷，且隨焊接熱輸入的增加逐漸向熔池中心移動(dòng)并長(zhǎng)大。

(3)離焦量及焊接熱輸入對(duì)焊縫成形的影響主要通過(guò)影響能量分布和熔池形態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著焊接熱輸入的增加及離焦量的降低，焊縫逐漸由圓弧形向V形轉(zhuǎn)變進(jìn)而向X形轉(zhuǎn)變，熔合面寬度逐漸增加。

(4)力學(xué)性能試驗(yàn)證明焊縫具有優(yōu)于母材的抗拉強(qiáng)度，可以滿足燃料電池對(duì)金屬極板焊接的需求。