不同熱輸入對TC4鈦合金激光焊焊縫形貌和性能的影響

許愛平 董俊慧 甄邵楊 張藝程

摘要：采用激光器YLS-10000型光纖激光器進行試驗焊接5mm厚的TC4鈦合金，研究不同熱輸入變化對焊接接頭形貌以，微觀顯微組織、顯微硬度的影響。試驗結果表明：TC4鈦合金焊縫具有三種截面形貌，分別為漏斗形和酒杯形、雙曲線形，在熱輸入超過72J/mm后，能夠將焊縫充分焊透。熱輸入不一樣，焊接組織具有一致性，焊縫組織為針狀馬氏體α′，沒有發現新相，熱影響區硬度發生突變具有軟化區。原因是冷卻期間焊縫區將存在α′，焊縫區α′比熱影響區的數量要多，故接頭硬度值先降低后升高，不同熱輸入下焊接接頭整體硬度高于母材，隨著熱輸入的增加焊縫的平均硬度增加且軟化區向母材移動。

關鍵詞： TC4鈦合金;激光焊;接頭形貌;顯微組織;顯微硬度

0? 引言

TC4合金是一種綜合性能優良的α+β雙相合金，因密度不大，具備較高的比強度，且耐腐蝕性與耐高溫能力較強，并發揮著形狀記憶、生物相容等作用[1-2]?，F階段在鈦合金焊接過程中常用鎢極氬弧焊（TIG）、電子束焊、激光焊及等離子弧焊等方法。對TC4合金來說，鈦元素比較活潑，熔化焊接期間若是溫度在300℃以上，能夠對大氣內氫、氧、氮等進行吸附，讓其通往焊縫熔池內，此時接頭焊縫將出現脆化、開裂等問題[3-4]。激光焊優勢眾多，能夠有效集中熱量，有著較大的焊縫深寬比與較窄焊接熱影響區，同時焊接過程中避免出現變形，大氣環境內也能施焊，為鈦合金焊接創造了有利條件。

1? 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

在焊接試驗過程中，應使用5mmTC4鈦合金，通過加工母材，確保尺寸達到90mm×30mm×5mm，對焊接試樣進行單道激光焊。在TC4母材焊前應該進行表面預處理，使用5%HF+5%HNO3+90%H2O的腐蝕液，讓試樣得到腐蝕，通過蔡司光學顯微鏡對接頭組織進行觀察，工藝參數如表1所示。

1.2 試驗設備

本次試驗使用的光纖激光焊接設備是由德Photonics公司生產的IPG，能夠達到最大的輸出功率為l0kW，輸出的光波的波長為1025nm～1080nm。在焊接試驗過程需要與由德國KUKA公司生產的KR-C4型高精度6軸機器人系統以及立柱-軸變位機配合使用。

2? 結果分析與結論

2.1 不同熱輸入對焊縫形貌的影響

參考文獻[5-8]，總結出純激光焊接的焊縫形狀主要可以分為三種類型——漏斗形和酒杯形、雙曲線形。因為熱輸入不足，能量不能向焊接板實現充分滲透，這樣下部金屬無法熔合，焊接接頭出現未焊透現象。當熱輸入70J/mm-72J/mm時，試樣2-3焊接接頭呈現酒杯形，隨著熱輸入的增大，接頭下端的寬度逐漸變寬，當熱輸入大于72J/mm，試樣4所示，激光功率較大時。接頭焊縫的橫截面表現出中部熔合區窄而上下部融合區寬的現象。這樣被焊材料上部在短時間內將產生高溫熔池，且規模也較大，也有金屬在汽化后產生金屬蒸汽。而高能量密度激光束將試件中部穿透，試件底部會產生反沖金屬液流，最終底部熔化區域會擴大。整體來說，當激光焊熱輸入提升后，焊縫形狀有逐漸從漏斗形到雙曲線形的變化趨勢。

2.2 不同熱輸入對焊縫組織的影響

在熱輸入增加過程中，焊縫內針狀馬氏體數量將不會出現改變，在比較后得出a針狀馬氏體數量最多，馬氏體也更加均勻，分析其原因可知，主要是隨著相變β相能夠向著α相轉變。然而在熱輸入降低后，冷卻將實現提速，β相無法第一時間相變，這樣β相將出現無擴散形轉變，并構成α′相馬氏體。

2.3 不同熱輸入焊縫的X射線衍射物相分析

四組試樣焊縫均采取物相分析措施，不同試樣的焊縫中均為單一的α′馬氏體相。如圖1所示，為試樣1X射線衍射圖譜。焊縫區域為單一的α′馬氏體相，沒有新相生產。這是由于在馬氏體α′相在焊縫冷卻過程中由于冷卻速度快，使得焊縫具有體心立方結構β發生馬氏體轉變，從而轉變為具有密排六方結構的針狀馬氏體α′。進一步證實了TC4鈦合金在冷卻的期間，合金元素擴散速度很慢，很多高溫β相將出現相變化親情卡，成為針狀α'過飽和固溶體。

2.4 不同熱輸入對焊縫硬度的影響

圖2為不同熱輸入時TC4合金接頭硬度分布，可以看到，硬度值隨著距焊縫中心熱影響區存在一個軟化區。在較大的熱輸入作用時，此軟化區間硬度焊縫區接近，而較小熱輸入作用時，熱影響區硬度降低較多，硬度明顯小于焊縫。隨著熱輸入的增大，軟化區進一步焊縫區偏移。接頭平均硬度隨距離的增大呈先降低后升高的現象，在焊縫中部至熱影響區，硬度值處于較低水平，而在熱影響區至母材，硬度值則保持在較高水平。在焊接熱輸入提升后，其開始逐步變大，同時軟化區在此條件下開始偏移至焊縫區。分析原因發現，焊接熱輸入變化以后，在超過β相變點高溫情況下，焊接接頭晶粒停留時間與冷卻速度均出現了改變。當熱輸入處于較低的值時，高溫下焊接接頭只短暫停留，并在短時間內完成了冷卻，此時高溫β相開始變為板條α′。當焊接熱輸入提升以后，高溫下焊接接頭將停留一段時間，冷卻速度降低，此時高溫β相將變為長板條狀α′，接頭的硬度值也會顯著提升。

3? 結論

①在不同熱輸入條件下TC4鈦合金焊縫具有三種不同的橫截面形貌，漏斗形和酒杯形、雙曲線形，由于焊接熱輸入差異較大，焊縫熔寬尺寸也面臨一定變化，在熱輸入提升后，熔寬和熔深增加并成正相關關系，熱輸入與成形系數并沒有成相關關系。

②焊縫組織均為單一的α′馬氏體，并沒有其他新相，隨著熱輸入的的提高，焊縫中針狀馬氏體的數量變化并沒有明顯。

③硬度值隨著距焊縫中心距離的增大呈先降低后升高的趨勢，熱影響區存在一個軟化區，隨著熱輸入的增大，焊接接頭的平均硬度提高且軟乎區向焊縫移動，熱影響區的硬度接近焊縫區硬度。

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