激光毛化對(duì)鋁/鈦激光熔釬焊界面組織及性能的影響

檀財(cái)旺，張澤水，李昊岳，林丹陽(yáng)，陳 波，宋曉國(guó)

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海 264209

0 前言

鋁/鈦異種材料復(fù)合結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能和便于加工等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、船舶、汽車制造等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1-2］。在航空領(lǐng)域，空客公司采用鈦板鋁肋結(jié)構(gòu)作為座椅導(dǎo)軌，將鋁合金葉片焊接到鈦合金管上制成機(jī)艙散熱片［3-4］；在汽車行業(yè)，德國(guó)開發(fā)出一種汽車鋁/鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)排氣系統(tǒng)，相較鋼制排氣系統(tǒng)其質(zhì)量減輕40%。鋁/鈦異種材料結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)代工業(yè)對(duì)節(jié)能減排和保持性能的嚴(yán)格要求，因此二者的連接技術(shù)受到廣泛關(guān)注［5-6］。然而，鋁合金與鈦合金之間的物理化學(xué)性質(zhì)差異較大［7-9］，且焊接時(shí)脆性化合物厚度難以控制，給兩種材料間的可靠連接造成巨大困難，限制了鋁合金和鈦合金復(fù)合構(gòu)件的應(yīng)用。

隨著激光焊接技術(shù)的迅速發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［10］。采用激光熔釬焊的方法實(shí)現(xiàn)鋁板與鈦板的連接，可以精確控制熱輸入，有效調(diào)節(jié)界面化合物的產(chǎn)生［11］，因此備受關(guān)注。由于鋁/鈦異種金屬接頭力學(xué)性能和焊縫潤(rùn)濕鋪展效果與界面化合物有關(guān)［12］，相關(guān)學(xué)者對(duì)于采用添加合金元素、調(diào)控?zé)彷斎氲确椒▉?lái)提高鋁/鈦焊接接頭力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究［13-15］。一方面，焊縫金屬的潤(rùn)濕性對(duì)接頭性能有重要影響，崔慶龍［16］在焊接TC4鈦合金與5A06鋁合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變焊接參數(shù)使釬料潤(rùn)濕性達(dá)到最佳，可明顯提高鋁/鈦異種金屬接頭抗拉強(qiáng)度；另一方面，界面化合物的種類、形態(tài)和分布對(duì)接頭力學(xué)性能有決定性作用［17］，但使用常規(guī)方法對(duì)界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致調(diào)控難度極大。本研究采用激光表面毛化處理鈦板的方式，通過(guò)改善釬料在鈦表面的潤(rùn)濕性，調(diào)控界面反應(yīng)層形態(tài)和分布，從而提高鋁/鈦異種金屬的連接質(zhì)量，獲得了力學(xué)性能較好的接頭，并揭示了激光毛化對(duì)鋁/鈦激光熔釬焊焊縫成形、力學(xué)性能以及界面組織的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為TC4鈦合金和6061鋁合金板材，鈦板和鋁板的尺寸均為100 mm×50 mm×1.5 mm。6061鋁合金為軋制態(tài)，化學(xué)成分如表1所示，TC4鈦合金化學(xué)成分如表2所示。填充焊絲選用直徑1.2 mm的ER4043（AlSi5）鋁硅焊絲，其化學(xué)成分見表3。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of 6061（wt.%）

表2 TC4鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical compositions of TC4（wt.%）

表3 ER4043焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical compositions of ER4043（wt.%）

焊前采用化學(xué)清洗的方法去除鋁板表面氧化膜，使用40～60℃的6%～10% NaOH水溶液堿洗約7 min，然后把試件放入30% HNO3中約3 min進(jìn)行中和光化，除去表面附著的灰色或黑色掛灰，用HCl-HF（3∶1）溶液對(duì)鈦板進(jìn)行清洗。

焊接試驗(yàn)采用IPG公司YLS-6000型光纖激光器，試驗(yàn)平臺(tái)如圖1a所示。根據(jù)前期研究，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：激光功率2 000 W，離焦量+20 mm，焊接速度0.5 m/min，送絲速度5 m/min，保護(hù)氣（純度99.9%Ar）流量10 L/min。鋁/鈦激光熔釬焊過(guò)程如圖1b所示，采用連續(xù)出光的方式，母材搭接方式為鈦板在上、鋁板在下，搭接寬度為5 mm。采用小功率激光器分別對(duì)兩組鈦合金母材進(jìn)行點(diǎn)陣式毛化處理和直線式毛化處理，點(diǎn)陣式毛化處理的點(diǎn)間距分別為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm，直線式毛化處理的線間距分別為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm，其中線處理的方向平行于焊接方向。

圖1 鋁/鈦激光熔釬焊試驗(yàn)設(shè)備及焊接示意Fig.lLaser welding-brazing equipment and schematic ofAl/Ti

處理后鈦板表面形成了規(guī)則排布的溝槽和凹坑，如圖2所示。圖3為超景深顯微鏡下觀察到的凹坑和溝槽的三維形貌。由圖3可知，在點(diǎn)、線間距不同的條件下，單位面積內(nèi)產(chǎn)生的凹坑和溝槽數(shù)量不同，但凹坑與溝槽的深度、直徑（寬度）均相同，即間距越小，鈦板表面積增加量越大。

圖2 鈦合金表面激光毛化效果Fig.2 Laser surface texturing of titanium alloy

圖3 鈦合金表面激光毛化三維形貌Fig.3 3D morphology of laser surface textured titanium alloy

焊后垂直于焊縫切割，加工成50 mm×10 mm的拉伸試樣進(jìn)行接頭力學(xué)性能測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，在鋁板和鈦板兩端添加墊片，以防止拉伸過(guò)程中產(chǎn)生扭矩或偏轉(zhuǎn)，影響測(cè)試結(jié)果。對(duì)金相試樣進(jìn)行打磨、拋光，采用光學(xué)顯微鏡（Optical Microscope，OM）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）等方法對(duì)焊縫組織進(jìn)行表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同毛化方式對(duì)焊縫成形的影響

激光毛化點(diǎn)陣間距越小，則鈦合金基板粗糙度越大，粗糙度越大則毛細(xì)作用越明顯，更能促進(jìn)焊縫金屬向前鋪展。不同點(diǎn)陣間距條件下的鋁/鈦激光熔釬焊焊縫宏觀形貌如圖4所示。不同實(shí)驗(yàn)組焊縫成形差距較大，可以看出，未毛化處理時(shí)，釬料鋪展不良，焊縫成形較差，焊縫金屬凝固時(shí)不潤(rùn)濕，形成的潤(rùn)濕角較大，鋪展效果較差；毛化處理后，成形明顯改善，潤(rùn)濕鋪展效果良好，形成連續(xù)穩(wěn)定的焊縫成形。不同點(diǎn)陣間距下潤(rùn)濕角和釬料鋪展寬度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4e所示，隨著點(diǎn)間距的減小，潤(rùn)濕角逐漸下降，焊縫金屬鋪展效果逐漸改善，點(diǎn)間距越小則改善效果越明顯。這主要是由于點(diǎn)陣的毛細(xì)作用促進(jìn)熔融釬料的鋪展，從而改善了焊縫成形。

圖4 不同點(diǎn)陣間距下鋁/鈦激光熔釬焊縫形貌Fig.4 Weld appearances of Al/Ti joint produced at different spot spacings

不同直線間距下鋁/鈦激光熔釬焊縫宏觀形貌如圖5所示。不同直線間距對(duì)應(yīng)的焊縫潤(rùn)濕角和釬料鋪展寬度如圖5e所示，隨著直線間距的減小，潤(rùn)濕角變化不明顯，焊縫鋪展性略有增加，釬料鋪展能力的改善效果弱于點(diǎn)陣處理，這說(shuō)明直線處理的溝槽產(chǎn)生的能量勢(shì)壘大于點(diǎn)陣處理，阻礙了熔化的焊縫金屬移動(dòng)，凹槽的邊緣對(duì)三相線產(chǎn)生了釘扎作用，抑制熔融金屬的進(jìn)一步鋪展。

圖5 不同直線間距下鋁/鈦激光熔釬焊縫形貌Fig.5 Weld appearance ofAl/Ti joint produced under different linear spacings

2.2 不同毛化方式對(duì)拉伸性能的影響

不同毛化方式下的接頭拉伸性能測(cè)試結(jié)果如圖6所示，均斷裂于界面處。未做毛化處理時(shí)，接頭拉伸載荷為2 345 N，點(diǎn)陣式處理使接頭性能提升了5%～21%，而直線式處理對(duì)鋁/鈦接頭的性能影響不大。分析認(rèn)為，在點(diǎn)陣式處理下，焊接接頭的接觸角較小且焊縫寬度較大，機(jī)械咬合效果作用更大，因此點(diǎn)陣式處理的試樣拉伸強(qiáng)度明顯提高；而直線式處理方式的熔融釬料鋪展難度更大，使得鋪展效果差別不大進(jìn)而導(dǎo)致拉伸性能差異較小。

圖6 接頭拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Fig.6 Results of tensile test on joints

2.3 不同毛化方式對(duì)界面組織的影響

點(diǎn)陣式毛化處理的熔釬焊接頭界面組織特征如圖7所示。點(diǎn)陣式處理后的接頭組織形貌與未處理的相似，這是由于點(diǎn)處理非常小，截面形貌大多時(shí)候未觀察到點(diǎn)處理凹坑，據(jù)文獻(xiàn)［18］研究，毛化處理后的界面處生成的界面化合物層在凹坑、凹槽處不再呈現(xiàn)平滑分布，而是沿界面呈鋸齒狀分布，一方面增加了界面有效連接面積，另一方面增強(qiáng)了機(jī)械嵌合作用，使接頭力學(xué)性能提升。由于激光局部加熱導(dǎo)致溫度梯度大，焊趾區(qū)b和中間輻照區(qū)c的組織有所不同。由圖7d可知，焊趾區(qū)的反應(yīng)層厚度較薄，線掃描結(jié)果顯示有Si元素富集，推測(cè)可能為Ti-Al-Si相。中間輻照區(qū)的反應(yīng)層厚度約為30 μm，掃描結(jié)果顯示為脆性的TiAl相（Al含量55.69%、Ti含量44.22%、Mg含量0.08%）。

圖7 點(diǎn)陣式處理的鋁/鈦界面組織形貌Fig.7 Interface microstructure of Al/Ti joint with dot matrix texturing

直線式處理的熔釬焊接頭界面組織特征如圖8所示。在激光作用下，釬料熔化并依靠毛細(xì)作用及其自身的流動(dòng)性填充了鈦板上的溝槽。分別觀察靠近焊趾處b區(qū)和激光輻照區(qū)e區(qū)發(fā)現(xiàn)，直線式處理的凹坑處形成了化合物，其生長(zhǎng)方向與基體方向不一致（見圖8c），這也會(huì)對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到一定的抑制作用。而激光直接輻照區(qū)的組織更厚。能譜結(jié)果顯示，b點(diǎn)為Al含量60.93%、Ti含量38.73%、Mg含量0.33%；e點(diǎn)為Al含量4.16%、Ti含量25.19%、Mg含量0.65%，推斷脆性金屬間化合物為TiAl3相，連續(xù)的界面脆性化合物可能成為界面失效的根源。

圖8 直線式處理的鋁/鈦界面組織形貌Fig.8 Interface microstructure of Al/Ti joint with linear texturing processing

由上述組織觀察結(jié)果可知，點(diǎn)陣式和直線式毛化處理對(duì)界面組織形貌影響不大，界面均產(chǎn)生了連續(xù)的反應(yīng)產(chǎn)物。由于界面化合物脆性較高，在未處理界面上易成為裂紋源并在平直的脆性化合物層中不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接頭斷裂。而毛化后的界面化合物層雖然也會(huì)產(chǎn)生裂紋，但是母材與界面化合物呈鋸齒狀，當(dāng)微裂紋擴(kuò)展到鋸齒邊緣時(shí)會(huì)被阻礙，從而抑制裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展造成接頭脆斷。即激光毛化所形成的鋸齒狀界面降低了裂紋在脆性化合物層中大范圍擴(kuò)展的可能性，因此可以提高接頭力學(xué)性能。

點(diǎn)陣式處理下鋁/鈦斷口SEM形貌如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)，斷裂處部分焊縫金屬尤其是毛化處理后的凹坑處，較多焊縫金屬在拉伸時(shí)粘連在鈦基板上，在表面形成了規(guī)則排布的“凸點(diǎn)”，如圖9a所示，這說(shuō)明點(diǎn)陣處理對(duì)提高接頭結(jié)合力起到了很好的作用。通過(guò)能譜分析鑒定，凹坑粘連處為釬料熔化后形成的焊縫金屬（#1：Al含量 98.39%、Ti含量0.46%、Mg含量1.15%）；鈦基板凹坑周圍為Ti-Al化合物（#2：Al含量38.56%、Ti含量60.32%、Mg含量1.12%），如圖9d所示。這說(shuō)明斷裂時(shí)，界面處裂紋不是穿過(guò)凹坑界面而是切開凹坑處焊縫金屬，可見凹坑有效地阻礙了裂紋擴(kuò)展，提升了接頭性能。這也為后續(xù)深入研究提供了重要的參考。

圖9 點(diǎn)陣式毛化處理的斷面形貌Fig.9 Fracture surface morphology of joint with dot texturing

直線式處理下鋁/鈦斷口表面SEM形貌如圖10所示。從圖10b、10d可以看出，直線毛化處理后的接頭斷口中，部分溝槽處焊縫金屬殘留在鈦基板上。能譜結(jié)果顯示，凹坑處斷口金屬為釬料（#1：Al含量69.19%、Ti含量1.68%、Mg含量0.94%、Si含量21.52%）；其周圍為 Ti-Al反應(yīng)產(chǎn)物（#2：Al含量33.28%、Ti含量55.18%、Mg含量1.81%）。因此，直線式處理得到的溝槽也對(duì)接頭斷裂起到了重要作用，阻礙了界面上裂紋的擴(kuò)展。接頭力學(xué)性能沒(méi)有得到明顯改善主要與熔化釬料的潤(rùn)濕鋪展受到限制有關(guān)。

圖10 直線式毛化處理的斷面形貌Fig.10 Fracture surface morphology of joint with line texturing

綜上所述，不同的毛化方式對(duì)焊縫金屬潤(rùn)濕性、接頭力學(xué)性能和組織形態(tài)有不同程度的影響。點(diǎn)陣式毛化處理后，焊接時(shí)釬料流入凹坑和溝槽，由于毛細(xì)作用的效果，釬料更容易在鈦表面上鋪展，力學(xué)性能提升也更大；與點(diǎn)陣式處理相比，直線式毛化處理促進(jìn)釬料鋪展效果不明顯，與焊縫平行方向的溝槽產(chǎn)生的能量勢(shì)壘阻礙了熔融釬料的進(jìn)一步鋪展。但兩種毛化處理方式都會(huì)增加界面連接面積，同時(shí)使界面化合物形態(tài)變?yōu)殇忼X狀，抑制裂紋的大范圍擴(kuò)展。直線式毛化處理對(duì)釬料鋪展面積改善效果不明顯，對(duì)力學(xué)性能的提升也較為有限。

3 結(jié)論

（1）激光表面毛化可明顯改善焊縫表面成形。點(diǎn)陣式處理后，潤(rùn)濕角由98°下降至最低62°，在毛細(xì)作用的驅(qū)動(dòng)下，釬料潤(rùn)濕性得到改善，焊縫金屬潤(rùn)濕角下降，釬料鋪展寬度上升。點(diǎn)陣式處理對(duì)釬料潤(rùn)濕性的提升優(yōu)于直線式毛化處理，且點(diǎn)間距越小，提升越顯著。

（2）點(diǎn)陣式毛化處理能大幅提高接頭拉伸性能，相比未處理接頭的拉伸載荷最高提升21%。一方面是因?yàn)辄c(diǎn)陣式毛化處理改善了釬料潤(rùn)濕性，增加接頭有效連接面積；另一方面是因?yàn)辄c(diǎn)陣式形成的凹坑很好地阻礙了裂紋的擴(kuò)展。直線式毛化處理雖也能起到很好的裂紋阻礙效果，但潤(rùn)濕鋪展性沒(méi)有明顯改善，導(dǎo)致接頭性能提升不明顯。

（3）不同毛化處理方式對(duì)界面金屬間化合物種類影響不大，都是脆性Ti-Al化合物，界面處連續(xù)的脆性金屬間化合物形成了裂紋源；但毛化處理增加了界面有效連接面積、改變了界面化合物的形態(tài)，毛化處理的凹坑處形成的化合物生長(zhǎng)取向與基板未處理的連續(xù)化合物不同，且由平直變?yōu)殇忼X狀分布的化合物層抑制了裂紋的擴(kuò)展，降低了界面化合物中裂紋大范圍擴(kuò)展的可能性。

（4）后續(xù)的研究重點(diǎn)是如何在毛化處理的前提下進(jìn)一步提高熔融釬料的潤(rùn)濕效果，實(shí)現(xiàn)既能改善接頭力學(xué)性能又能保證異種金屬的潤(rùn)濕。