激光焊接參數(shù)對(duì)鈦合金薄板組織及力學(xué)性能影響

陳偉，張宇鵬，董勇，王海燕，胡永俊，巴一

激光焊接參數(shù)對(duì)鈦合金薄板組織及力學(xué)性能影響

陳偉1,2，張宇鵬2，董勇1，王海燕2，胡永俊1，巴一2

（1.廣工工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣州 510520；2.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣州 510651）

研究不同激光焊接工藝參數(shù)對(duì)1 mm厚TA18薄板焊接的影響，為有效解決焊縫缺陷、脆性相等問題提供參考。采用大功率碟片激光器，在氬氣環(huán)境下，對(duì)1 mm厚TA18薄板進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同激光焊接參數(shù)下的焊接接頭進(jìn)行微觀組織觀察及力學(xué)性能測(cè)試。當(dāng)激光焊接功率為1.5 kW時(shí)，焊縫呈“葫蘆”狀，熔寬大且不均勻，熔寬隨著焊接速度的增大而減??；當(dāng)激光焊接功率為1.2 kW時(shí)，焊縫呈“I”字形，焊接接頭成形良好，表面有魚鱗紋，當(dāng)離焦量增至+2 mm時(shí)，熔寬增加。激光焊接所得接頭無明顯裂紋、氣孔等缺陷，熔合區(qū)由馬氏體α相和針狀α'相組成，其拉伸試樣均斷裂于母材處，焊縫力學(xué)性能優(yōu)良，激光焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)母材的92.46%，伸長率為母材的59.68%，這對(duì)薄板鈦合金焊接在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義。

激光焊接；焊接功率；焊接速度；微觀組織；力學(xué)性能

鈦合金因具有高比強(qiáng)度、高抗拉強(qiáng)度、高耐腐蝕性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在船舶、航天航空、汽車等領(lǐng)域[1-3]。隨著鈦合金應(yīng)用愈加廣泛化、復(fù)雜化，鈦合金產(chǎn)生了一些新的連接問題。焊接作為最常見的連接技術(shù)，常被應(yīng)用在鈦合金的連接中[4-6]。目前鈦合金焊接仍然存在一些問題，尤其是焊接時(shí)鈦合金會(huì)與空氣中的碳、氫、氧等反應(yīng)，生成脆性相，出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降[7-9]。

激光焊接作為一種新型的焊接技術(shù)，具有能量密度高、熱影響區(qū)小、焊縫較窄、可實(shí)現(xiàn)高速焊接等優(yōu)良特性，在工業(yè)制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[10-12]。影響鈦合金激光焊接質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括焊接功率、焊接速度以及離焦量[13-14]，目前，眾多學(xué)者[15-17]研究了激光焊接工藝參數(shù)對(duì)材料組織及性能的影響。梁春雷等[15]發(fā)現(xiàn)使用激光焊接鈦合金（Ti6?Al4?V）薄板，可有效提升焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，使抗拉強(qiáng)度高于母材，且斷裂方式為韌性斷裂，焊接接頭力學(xué)性能得到提升。Lei等[16]對(duì)2.5 mm厚的Ti?22Al?27Nb（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）合金和TC4（Ti6?Al4?V）合金進(jìn)行了激光焊接，結(jié)果表明，在焊接接頭中，熔合區(qū)的顯微硬度值最低，接頭的平均抗拉強(qiáng)度可達(dá)到鈦合金母材的92%左右。虞鴻江等[17]采用光纖激光進(jìn)行TC11鈦合金對(duì)接焊接，分析焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)焊縫硬度高于母材硬度，并隨熱輸入量的增加而增大，焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的97%以上，塑性明顯下降，低于母材的50%，焊縫斷口形貌為低塑性沿晶斷裂特征。眾多學(xué)者研究表明，相對(duì)于傳統(tǒng)焊接方法，鈦合金激光焊接具有能量密度高、焊接生產(chǎn)效率高、焊接變形小等優(yōu)勢(shì)。母材的α、β相通過快速冷卻轉(zhuǎn)變成強(qiáng)度和硬度更高的馬氏體α'相，能有效增加焊縫的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度[18-19]。以上研究均針對(duì)較厚薄板鈦合金，然而，針對(duì)低至1 mm厚TA18鈦合金薄板激光焊接的研究較少，其產(chǎn)生的缺陷、脆性相及變形控制等問題尚需進(jìn)一步研究和解決。

文中針對(duì)1 mm厚TA18鈦合金薄板激光焊接關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行深入探究。探索激光焊接速度、焊接功率以及離焦量對(duì)焊縫成形和力學(xué)性能的影響，從而獲得1 mm厚TA18薄板激光對(duì)接焊接的最佳工藝參數(shù)，有效解決焊縫缺陷、脆性相等問題。對(duì)提升缺陷成因的認(rèn)識(shí)和改善1 mm鈦合金薄板焊接質(zhì)量有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備

使用材料為50 mm×100 mm×1 mm的TA18鈦合金薄板，薄板鈦合金抗拉強(qiáng)度為684.22 MPa，最大伸長率約為18.85%，其主要化學(xué)成分如表1所示。采用Trumpf 10002碟片激光器，激光束通過光纖傳輸，光纖最小直徑為200 μm，激光波長為1 030 nm，光束質(zhì)量為8 nm/mrad，其最大輸出功率為10 kW。額定功率下的功率輸出穩(wěn)定性為±1%。激光器及焊接系統(tǒng)模型如圖1a所示。

表1 TA18鈦合金的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of the TA18 titanium alloy wt.%

圖1 激光焊接設(shè)備

1.2 方法

實(shí)驗(yàn)采用對(duì)接焊的方法，將2塊1 mm厚TA18薄板用夾具對(duì)齊夾好，放入玻璃罩里，焊接之前通入氬氣作為保護(hù)氣體，其流量為15 L/min，充滿整個(gè)玻璃罩（充氣時(shí)間約10 min）后開始焊接，對(duì)接焊接示意圖如圖1b所示。

為研究激光焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，對(duì)焊縫宏觀形貌、顯微組織、維氏硬度、單軸小尺寸拉伸等檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，調(diào)整工藝得到1 mm TA18鈦合金薄板焊接的最佳參數(shù)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)

Tab.2 Welding parameters

板材在焊接之前用鋼刷打磨表面去除表面氧化物，再用體積分?jǐn)?shù)為100%的工業(yè)乙醇清理表面，去除表面雜物。焊接后，采用線切割的方式制備1 mm× 2 mm×15 mm的測(cè)試樣品，順次使用500#、1 000#、1 500#、2 000#、3 000#的砂紙對(duì)測(cè)試樣品表面進(jìn)行打磨，依次采用電解拋光液（甲醇60%、正丁醇30%、高氯酸10%，體積分?jǐn)?shù)）對(duì)截面樣品進(jìn)行電解拋光，并使用兩相鈦合金腐蝕溶液（氫氟酸5%、硝酸12%、去離子水83%，體積分?jǐn)?shù)）對(duì)樣品截面進(jìn)行腐蝕，使用德國蔡司Ario Imager數(shù)字化金相顯微鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)，采用FEI公司的Quanta TM 250掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸斷口形貌進(jìn)行分析，采用Buehler的VH1202維氏硬度計(jì)檢測(cè)接頭硬度，載荷為200 g，保載時(shí)間為10 s，采用Zwick Z2.5 TH單立柱臺(tái)式電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，檢測(cè)其強(qiáng)度及塑性，拉伸樣品取樣及尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 拉伸樣品示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭宏觀形貌

焊接接頭的焊縫宏觀形貌如圖3所示，1#、2#、3#、4#、5#樣品參數(shù)見表2。從圖3可以觀察到，1#—3#樣品在功率為1.5 kW時(shí)，焊縫成形較差，熔寬不均勻，表面微黃且焊縫飛濺嚴(yán)重。這是因?yàn)榧す饽芰窟^大導(dǎo)致薄板熔池大，出現(xiàn)寬窄不一的情況，且保護(hù)氣體通入不夠，導(dǎo)致表面發(fā)黃。隨著焊接速度的提高，情況有所改善，但依舊存在熔池過大的情況。當(dāng)功率減至1.2 kW時(shí)，焊縫外觀呈銀白色，焊縫均勻，無明顯的缺陷，可清晰看到魚鱗狀條紋，焊縫較窄。當(dāng)提高離焦量至+2 mm時(shí)，焊縫成形較好，觀察到清晰的魚鱗紋，無明顯缺陷，表面有輕微飛濺，表面微黃，保護(hù)氣通入時(shí)間不夠，圖3中紅色框?yàn)榻孛嫒邮疽狻?/p>

圖3 不同參數(shù)下得到的焊縫表面形貌

采用不同的激光焊接功率、焊接速度、離焦量焊接TA18薄板的焊接接頭截面形貌如圖4所示。1#樣品的焊接功率大，焊接速度慢，使熔池大，焊縫較寬。保證激光功率不變，進(jìn)一步增加焊接速度后，可以看到2#樣品焊縫明顯變窄，焊接速度快導(dǎo)致冷卻速度快，使熱影響區(qū)小。結(jié)合圖3可得，1#—3#樣品焊縫寬度不均勻，且飛濺較多。減小功率至1.2 kW后，可以看到4#樣品焊縫寬度大幅減小，熔合區(qū)變窄。增加離焦量至+2 mm后，激光焦點(diǎn)上移，可以看到5#樣品的焊縫變寬，熔合區(qū)上表面變寬，下表面變窄。整體來說，焊縫中未出現(xiàn)氣孔、裂紋和咬邊等缺陷，焊縫成形良好。

圖4 焊縫截面寬度

隨著激光焊接速度的提高，熔合區(qū)面積和寬度減小。激光焊接速度提高導(dǎo)致激光在焊件表面停留時(shí)間減小，激光停留時(shí)間短，熱傳導(dǎo)區(qū)域減小，焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)面積減小[20]；激光焊接功率減小導(dǎo)致工件表面激光能量密度減小，使焊縫寬度減小，微觀結(jié)構(gòu)變化[21]；激光焊接離焦量增大使激光焦點(diǎn)向上移動(dòng)，到達(dá)工件表面的激光能量分布變化，使焊縫上表面熔寬增加，下表面熔寬減小。當(dāng)激光功率與焊接速率一定時(shí)，激光焦點(diǎn)位置改變會(huì)導(dǎo)致工件表面功率密度發(fā)生變化，將影響焊縫成形質(zhì)量。因此，離焦量的大小在一定程度上決定了焊縫形貌[22]，如圖5所示。

2.2 焊接接頭微觀組織

焊縫主要由3部分組成：母材（BM）、熱影響區(qū)（HAZ）、熔合區(qū)（FZ），一般來說，焊接接頭的微觀組織主要取決于母材的初始組織和焊接過程中的熱循環(huán)，包括加熱速度、最高加熱溫度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度等[23]。經(jīng)過電解拋光及化學(xué)腐蝕后，通過金相顯微鏡觀察焊縫的微觀組織形貌，分析不同焊接參數(shù)下金相組織形貌的變化。

當(dāng)激光焊接功率為1.5 kW、焊接速度為1.8 m/min、離焦量為0 mm時(shí)，焊縫的微觀形貌如圖6所示，圖6a左邊是母材的顯微組織，為典型的近α的α+β鈦合金組織，晶粒細(xì)小，以α相為主，β相分布在α邊界。圖6b是靠近母材部分熱影響區(qū)的微觀形貌，受到熱影響較小，主要由α、β相及少量細(xì)小針狀β相組成。圖6c是靠近熔合區(qū)部分熱影響區(qū)的微觀形貌，其最高加熱溫度高于β相的轉(zhuǎn)變溫度，微觀組織由塊狀α相和少量針狀馬氏體α'相組成。圖6d是熔合區(qū)微觀形貌，由于焊接過程中快速冷卻引起了馬氏體相變，從而形成大量的針狀馬氏體α'相（平均長度約23.37 μm）以及在β相轉(zhuǎn)變過程中形成了α相，因此，熔合區(qū)主要由α相、針狀馬氏體α'相組成。

當(dāng)激光焊接功率為1.5 kW、焊接速度為2.4 m/min、離焦量為0 mm時(shí)，焊縫的微觀形貌如圖7所示。隨著焊接速度的增加，高溫停留時(shí)間減少，如圖7b所示熱影響區(qū)寬度大幅減小，且熱影響區(qū)主要由α、β相及塊狀α相組成，靠近熔合區(qū)出現(xiàn)少量針狀馬氏體α'相。圖7c顯示熔合區(qū)主要由α相和馬氏體α'相組成，且α相較之于1#樣品有所增加，馬氏體α'相較之于1#樣品有所減少。無論α相還是馬氏體α'相（平均長度約18.36 μm），尺寸都有所減小。

當(dāng)激光焊接功率為1.5 kW、焊接速度為3 m/min、離焦量為0 mm時(shí)，焊縫的微觀形貌如圖8所示。焊接速度增加，熱影響區(qū)進(jìn)一步縮小，如圖8a右側(cè)和8b左側(cè)所示，靠近母材的熱影響區(qū)由α、β相及塊狀α相組成，靠近熔合區(qū)的熱影響區(qū)主要由塊狀α相、針狀β相及少量馬氏體α'相組成。熔合區(qū)較小且呈上下寬中間窄的“漏斗”形狀，如圖8b和8c所示，主要由馬氏體α'相（平均長度17.93 μm）、α相組成。隨著速度的增加，由于高溫停留時(shí)間變短，熱輸入減小，馬氏體α'相平均長度減小。

圖7 2#樣品焊接接頭的微觀組織

圖8 3#樣品焊接接頭的微觀組織

當(dāng)激光焊接功率為1.2 kW、焊接速度為3 m/min、離焦量為0 mm時(shí)，焊縫的微觀形貌如圖9所示。激光功率減低，工件表面能量減小，熱影響區(qū)進(jìn)一步縮小。圖9a和9b中熱影響區(qū)區(qū)域幾乎不存在馬氏體α'相，主要由初始α、β相及塊狀α組成。這是因?yàn)楹附铀俣炔蛔?，減小焊接功率，導(dǎo)致熱輸入減小，馬氏體沒有得到足夠的生長。圖9c中熔合區(qū)主要由馬氏體α'相（平均長度約13.48 μm）組成。激光焊接速度不變，激光功率減小，導(dǎo)致熱輸入進(jìn)一步減小，使熔合區(qū)馬氏體α'相的尺寸減小。

當(dāng)激光焊接功率為1.2 kW、焊接速度為3 m/min、離焦量為+2 mm時(shí)，焊縫的微觀形貌如圖10所示。離焦量增加，激光焦點(diǎn)向上表面移動(dòng)，上表面熔寬增加。熱影響區(qū)和熔合區(qū)的相組成與4#樣品相比變化不大，其中馬氏體α'相平均長度為12.36 μm。離焦量變化導(dǎo)致熱輸入分布發(fā)生變化，對(duì)馬氏體α'相的形成影響不大。

圖9 4#樣品焊接接頭的微觀組織

圖10 5#樣品焊接接頭的微觀組織

2.3 焊接接頭力學(xué)性能

維氏硬度是檢驗(yàn)鈦合金焊接接頭力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)。圖11為1#—5#焊接接頭的顯微硬度，圖11a中①、②、③區(qū)域分別為TA18鈦合金焊接接頭的母材、熱影響區(qū)、熔合區(qū)的維氏顯微硬度。TA18薄板母材的維氏顯微硬度約為260HV。不同工藝參數(shù)下激光焊接所得的焊接接頭的顯微硬度較母材均有不同程度的升高，其中1#—5#樣品焊縫熔合區(qū)的維氏顯微硬度依次為309HV、314HV、324HV、312HV、315HV。1#—3#焊縫在熔合區(qū)內(nèi)的顯微硬度依次增加，這是由于焊接速度提高，馬氏體晶粒面積減小，導(dǎo)致顯微硬度增大[23]。1#—5#樣品的顯微硬度都在熔合區(qū)達(dá)到最高，由熔合區(qū)向外逐漸減小至母材的顯微硬度，顯微硬度圖呈“馬鞍形”。

通常TA18鈦合金中現(xiàn)有相的顯微硬度順序由大到小為馬氏體α'相>α相>β相[24-25]。TA18鈦合金焊接接頭熔合區(qū)主要由馬氏體α'相、α相組成，因此，維氏顯微硬度最大值出現(xiàn)在熔合區(qū)。熱影響區(qū)的顯微硬度低于熔合區(qū)，且隨著遠(yuǎn)離熔合區(qū)距離的增加而減小。這是由于針狀馬氏體隨著遠(yuǎn)離熔合區(qū)距離的增加而變薄變短[26]，導(dǎo)致熱影響區(qū)的顯微硬度逐漸降低。由于晶內(nèi)存在針狀馬氏體α'相，熱影響區(qū)顯微硬度值大于母材，基體母材由α+β相組成，顯微硬度最小。

圖11 1#—5#焊接接頭的顯微硬度

不同激光焊接參數(shù)形成的焊接接頭力學(xué)性能差異較大，文中選取了焊縫成形最好的5#樣品進(jìn)行單軸拉伸測(cè)試，拉伸測(cè)試樣品取樣如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，5#樣品焊接接頭屈服強(qiáng)度約為613.59 MPa，抗拉強(qiáng)度約為632.64 MPa，伸長率約為11.25%，采用激光焊接1 mm鈦合金薄板形成的焊接接頭，其拉伸斷裂位于母材處，激光焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)母材的92.46%，伸長率為母材的59.68%。該參數(shù)下的焊接接頭無裂紋、氣孔等缺陷，且強(qiáng)度及硬度大于母材，焊接效果良好。圖13為掃描電子顯微鏡觀察下試樣斷口形貌，圖13a表明拉伸試樣斷裂時(shí)存在頸縮，圖13c為斷口截面形貌放大圖，斷口形貌主要為韌窩狀紋路，表明拉伸試樣呈韌性斷裂。

圖12 5#樣品焊接接頭的拉伸性能

圖13 5#焊接接頭的斷口形貌

3 結(jié)論

采用不同激光焊接工藝參數(shù)，在氬氣保護(hù)的情況下，對(duì)1 mm TA18薄板鈦合金材料進(jìn)行對(duì)接焊接。通過對(duì)焊縫的宏觀形貌、微觀組織、硬度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行研究，得到了以下結(jié)論。

1）采用氬氣激光焊接方法對(duì)TA18薄板進(jìn)行焊接，當(dāng)焊接功率為1.2 kW、焊接速度為3 m/min、離焦量為+2 mm時(shí)，能夠較好抑制焊縫表面氧化物形成，獲得質(zhì)量良好、無缺陷的接頭。

2）激光焊接接頭熔合區(qū)主要由針狀馬氏體α相和針狀α'相組成，熱影響區(qū)主要由少量細(xì)小馬氏體α′相、塊狀α相和初生α、β相組成。

3）焊接功率為1.5 kW時(shí)，隨著焊接速度的增加，焊縫的馬氏體晶粒尺寸減小，導(dǎo)致焊縫的顯微硬度增加，該焊接功率過大，導(dǎo)致熔池過大且熔寬不均勻。減小焊接功率至1.2 kW后，晶內(nèi)馬氏體細(xì)小，硬度降低，但熔寬均勻，焊縫無缺陷存在，焊接接頭質(zhì)量良好。

4）激光焊接接頭的顯微硬度：熔合區(qū)>熱影響區(qū)>母材，這是由于激光焊接過程中發(fā)生馬氏體相變，焊縫區(qū)針狀馬氏體硬度大于母材初生相。激光焊接接頭試件拉伸斷裂位置均在母材，激光焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)母材的92.46%，伸長率為母材的59.68%。

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Effect of Laser Welding Parameters on Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Alloy Sheet

CHEN Wei1,2, ZHANG Yu-peng2, DONG Yong1, WANG Hai-yan2, HU Yong-ju2, BA Yi2

(1. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510520, China; 2. China-ukraine Institute of Welding, Guangdong Academy of Science, Guangzhou 510651, China)

In this paper, the effects of different laser welding parameters on the welding of 1 mm-thick TA18 thin plates are studied, which provides a reference for effectively solving the problems of weld defects and brittle phases. In the experiment, a high-power disc laser was used to conduct a laser welding experiment on 1 mm-thick TA18 thin plates in an argon atmosphere. The microstructures and mechanical properties of the joints welded by different parameters were investigated. When the laser welding power is 1.5 kW, the weld is in the shape of a “gourd”, and the weld width is large and uneven. With the increase of welding speed, the weld width decreases; When the laser welding power is 1.2 kW, the weld is in the shape of “I”. The welded joint is well-formed, and fish scale lines occur on the surface. When the defocusing amount increases to +2 mm, the weld width increases. The joint obtained by laser welding has no obvious defects such as cracks and pores, and the fusion zone is composed of the martensite α phase and the acicular α' phase. The tensile specimens are broken at the base metal, and the mechanical properties of the weld are excellent. The tensile strength of the laser-welded joint is 92.46% of the base metal, and the elongation is 59.68% of the base metal, which is of great significance for the application of thin plate titanium alloy welding in various fields.

laser welding; welding power; welding speed; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.015

TG456.7

A

1674-6457(2022)05-0100-09

2021?08?05

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFE0205300）

陳偉（1996—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)榧{米雙相鈦基合金薄膜。

張宇鵬（1979—），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)金屬材料制備及焊接性。

責(zé)任編輯：蔣紅晨