激光振蕩掃描焊接Ti2AlNb/TC4焊縫組織及力學性能

劉捷， 謝美蓉， 王夢飛， 劉天亮， 王克鴻

(1.南京理工大學，南京 210094；2.受控電弧智能增材技術工信部重點實驗室，南京 210094；3.首都航天機械有限公司，北京 100076)

0 前言

TC4 (Ti-6Al-4V，質量分數，%) 合金由于其優異的比強度、耐腐蝕性和高溫蠕變性能在航空航天工業中得到了廣泛的應用[1-6]。Ti2AlNb基合金作為最新的一種鈦鋁金屬間化合物，具有比強度高、斷裂韌性高、抗氧化性好、熱膨脹系數低等特點，已經成為了最具潛力的新型航空航天用輕質高溫結構材料[7-10]。迄今為止，已有不少研究人員對Ti-22Al-23Nb(原子分數，%)、Ti-22Al-25Nb (原子分數，%)和Ti-22Al-27Nb (原子分數，%)等Ti2AlNb基合金進行了研究[11-14]。TC4合金和Ti2AlNb基合金都特別適合用于航空航天領域。在一些航空發動機中，雙合金結構常被用作關鍵部件。但是使用傳統方法對TC4和Ti2AlNb基合金焊接時經常出現焊接氣孔等缺陷，與母材相比焊縫強度、斷后伸長率均有較大下降。因此，研究TC4合金和Ti2AlNb基合金的異種金屬連接方法，對于推進鈦鋁系合金在航空航天工業領域中的應用具有重要意義。

目前，國內外研究人員主要采用電子束焊和激光焊技術實現Ti2AlNb/TC4系列異種金屬的連接[15-17]。Tan等人[16]采用電子束焊接技術進行了Ti-22Al-25Nb/TC11異種合金的連接，研究發現TC11一側熱影響區的組織主要為α’馬氏體相，焊縫中的組織主要為O/α2相，Ti-22Al-25Nb一側熱影響區的組織主要為B2相。Lei等人[15]研究了激光焊接Ti-22Al-27Nb/TC4接頭的顯微組織和力學性能。結果表明，Ti-22Al-27Nb一側熱影響區的組織主要為B2相和少量殘余粗化α2相，TC4一側熱影響區的組織主要為α’馬氏體相、針狀α相和原始α相，而焊縫的組織主要為B2相和α’馬氏體相。Ti-22Al-27Nb/TC4焊接接頭的平均抗拉強度可達到TC4母材的92%左右，但斷后伸長率低于TC4母材的40%。

激光振蕩掃描焊接技術可以在熔池中形成渦流，對熔融金屬進行強烈地攪拌，從而實現破碎枝晶、細化晶粒的目的。使用振蕩掃描激光進行Ti2AlNb與TC4合金尚未被報道。文中對Ti2AlNb/TC4異種金屬激光振蕩掃描焊接進行了研究，規劃掃描路徑，設定不同的掃描頻率，通過對焊接接頭的微觀組織觀察及力學性能測試，來探討激光焊接掃描頻率對接頭微觀組織演變的影響及所帶來的力學性能變化，并優化確定合適的激光焊接工藝參數，為Ti2AlNb基合金與TC4合金在航空航天工業領域中的實際應用提供理論支持和技術參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用Ti-22Al-25Nb鑄態合金與Ti-6Al-4V軋制態合金作為試驗材料，通過線切割加工為30 mm×30 mm×2 mm規格的試樣,合金的主要化學成分見表 1。

表1 合金的主要化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

試驗采用的激光器為IPG公司生產的IPG-10000W光纖激光器，工作模式為連續式，最大輸出功率為10 kW，輸出波長為1 070 nm±10 nm，激光束通過光纖傳導至激光焊接頭中。焊接機器人使用的是德國KUKA焊接機器人，采用六軸聯動方式，重復定位精確度達到±0.1 mm。試驗所采用的激光振蕩掃描焊接頭為美國IPG Photonics公司生產的D30掃描振鏡擺動焊接頭，光纖直徑100 μm，準直系統焦距為200 mm，聚焦鏡焦距為300 mm，通過編程可實現各種圖形的二維掃描方式。圖 1所示為試驗采用的焊接設備示意圖。圖 2為激光束振蕩掃描示意圖，試驗采用的掃描模式為圓形。焊接設備的部分試驗參數見表 2。為了研究掃描頻率對接頭組織及性能的影響，焊接過程中表 2所示參數不改變，按照焊接掃描頻率不同分為3個試驗組，具體試驗參數設定見表 3。

圖1 焊接設備示意圖

圖2 激光束圓形掃描及對應路徑示意圖

表2 振蕩掃描焊接參數

表3 試驗組參數

對焊接后的成品進行標注，序號分別為1號、2號、3號。

在焊接前，用Kroll試劑 (HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶6) 去除表面氧化層，然后用丙酮和乙醇清洗晾干。焊接時為了防止氧化，向試樣頂部和背面通入流動的氬氣作為保護氣。焊接結束后，沿垂直于焊縫方向切取金相樣和拉伸樣，經研磨和拋光處理后進行組織和力學性能測試，拉伸試樣的尺寸如圖 3所示。在FEI Quanta-200場發射掃描電子顯微鏡下觀察焊接接頭微觀組織。利用INSTRON 5569萬能試驗機測量焊接接頭的在室溫下的拉伸性能，加載速率為1 mm/min，并通過掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口形貌。

圖3 拉伸試樣尺寸

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫成形與橫截面形貌分析

Ti-22Al-25Nb/TC4異種合金激光振蕩掃描焊接焊縫正面及背面成形如圖 4所示。宏觀上可以清晰地看到焊縫整體成形良好，焊道上的弧紋為圓形掃描路徑下得到均勻圓弧狀花紋，焊縫整體寬度一致，光滑平整，表面沒有存在咬邊、焊瘤、裂紋，未熔合等缺陷。樣件正、背面焊縫都呈現出銀白色的金屬光澤，這說明在焊接過程中，保護氣成功地避免了氧氣、氮氣進入熔池，焊縫表面得到了較好的保護。如圖 5所示，通過X射線探傷檢測可以發現在焊接接頭內部未出現裂紋、氣孔等缺陷。圖 6為Ti-22Al-25Nb/TC4接頭的橫截面形貌，焊縫整體呈“X”形，焊接接頭完全熔透。圖6中焊縫上、下兩端最大寬度均為0.8～1.0 mm，與圖4b中焊縫的寬度是基本相同。圖4a中焊縫寬度較大，是因為表面進行了激光掃描，導致表層很淺的一層金屬被熔化，與圖6中頂端約有30 μm厚的亮色金屬區域相對應。因此，圖4a中的熔融金屬寬度并不是焊縫的實際寬度，而是激光掃描的寬度。

圖4 焊縫表面成形

圖5 焊縫X射線檢測圖像

圖6 焊縫橫截面形貌

2.2 界面的微觀組織結構

圖 7所示為Ti-22Al-25Nb/TC4異種合金激光振蕩掃描焊接接頭焊縫的SEM照片(BSE模式)。從圖中可以發現焊縫主要由B2相和α’馬氏體相組成，亮度較大的部位為B2相，α’馬氏體聚集在在B2相的邊緣，呈網籃狀分布，長短不一。

圖7 焊縫顯微組織

根據Ti-Al-Nb三元相圖[18]，Ti-22Al-25Nb合金母材是由α2相、B2相和O相組成。在焊接過程中，溫度由低到高，Ti-22Al-25Nb合金依次會經過 β/B2+O相區、α2+β/B2+O相區、α2+β/B2相區及單一β/B2相區，當焊接過程中最高溫度超過 β/B2單相區時，會發生O/α2相→β相的完全轉變，無序的β相則會在冷卻過程中轉變為有序的B2相。根據Ti-Al二元相圖[19]，TC4合金母材是由α相和β相組成，在緩慢冷卻時生成α+β相。但是當TC4 鈦合金快速冷卻時，β→α 轉變將被抑制，β相將形成細小片狀或針狀的馬氏體組織，稱為α’馬氏體，如圖7b所示。

由于激光焊接具有峰值加熱溫度高和焊接時加熱、冷卻速度快的特點。焊接時冷卻速度大于120 ℃/s時，由Ti2AlNb合金的TTT曲線[20]可知，高溫下無序的β相由于冷卻速度較快，在冷卻過程中的β→O/α2轉變將會受到嚴重抑制，從而轉變為有序的B2相。因此可以確定，Ti-22Al-25Nb/TC4異種合金接頭的焊縫組織中，會存在有大量的B2相和α’馬氏體相，一般不會存在或者含有少量O/α2相。

圖8所示為不同焊接掃描頻率下焊縫組織的高倍數SEM圖，可以清楚的看到，3個試樣焊縫的相組成基本一致，都為B2相和α’馬氏體相。但在1號、2號試樣中，存在有極少量的O相，且2號樣的O相數量比1號樣多，這是因為在掃描頻率加快作用下，熔池的溫度梯度不斷減小，冷卻速度也隨之變慢，較低的冷卻速度會使部分的β相轉變為O相，掃描頻率越快，對焊后金屬進行重復加熱的頻率越高，冷卻速度越慢，所轉變成的O相就越多。而3號樣的掃描頻率為0 Hz，冷卻速率最快，β相在冷卻過程中向O/α2相的轉變受到抑制，所以β相幾乎全部轉變為B2相，O相的含量最少。

圖8 焊縫微觀組織

2.3 力學性能與斷口分析

表 4為Ti-22Al-25Nb/TC4激光振蕩掃描焊接頭的拉伸性能測試結果，從結果可以看出，抗拉強度最高的是2號試樣，為1 007 MPa，可達到TC4母材的88.6%；斷后伸長率最高的也是2號試樣，為7.49%。拉伸斷口均位于熔合區(FZ)。拉伸斷口形貌如圖9所示，斷口表面未出現裂紋，拉伸試樣有明顯的頸縮現象，說明試樣在斷裂前有過塑性變形。從拉伸試樣的斷口形貌可以看出，3個試樣的拉伸斷口都存在有平整的斷裂面，且面方向垂直于應力方向。斷口中分布著大小、深淺不一的韌窩，這是以韌性斷裂為主的韌性-脆性混合斷裂模式。從圖中可以看出，2號試樣(圖9c、圖9d)的宏觀斷口內部分布大量韌窩，表明2號試樣接頭的塑性和韌性最高；而在圖9a、圖9b中，1號試樣的斷口宏觀上凹凸程度較大且存在明顯的撕裂棱，說明1號試樣接頭的塑性和韌性最低。

表4 焊接接頭及母材的拉伸性能

圖9 接頭拉伸斷口掃描圖片

在設置的掃描頻率對照組中(即1號、2號、3號)，掃描頻率由慢到快為3號試樣(f=0 Hz)、1號樣(f=200 Hz)、2號試樣(f=500 Hz)。從表得到抗拉強度由大到小排序是2號試樣大于1號試樣大于3號試樣。由分析可知，這是由于掃描頻率加快時，振蕩激光對熔池的攪動作用越強烈，隨著熔體在熔池中劇烈地流動，初始的枝晶被破碎，在熔池中形成新的形核點，從而極大地細化晶粒尺寸。由于晶粒細化可以提高材料的抗拉強度和斷后伸長率，因此在2號試樣的抗拉強度和斷后伸長率最高，分別為1 007 MPa和7.49%。

3 結論

(1)Ti2AlNb/TC4異種合金激光振蕩掃描得到的焊接接頭成形良好，無咬邊、焊瘤、裂紋、未熔合和氣孔等缺陷。樣件正面、背面焊縫都呈現出銀白色的金屬光澤，在焊接過程中，通入的保護氣較好的保護了焊縫表面。

(2)Ti2AlNb/TC4異種合金接頭的焊縫組織由初生α相、大量的B2相和α’馬氏體相組成， O/α2相含量較少。

(3)當激光振蕩掃描頻率達到500 Hz時，熔池中晶粒細化的效果最為明顯，焊縫的最大抗拉強度和斷后伸長率達到1 007 MPa和7.49%。焊縫力學性能較激光不振蕩時有一定提升。

(4)Ti2AlNb/TC4異種合金接頭的抗拉強度可達TC4母材的88.6%。接頭拉伸斷裂形式是以韌性斷裂為主的韌性-脆性混合斷裂模式。