2 mm 厚TC4 鈦合金激光焊接接頭組織與力學(xué)性能研究

王 鑫,李云溪,李曉飛,謝洪志,韓穎杰*,張桐源

（1.海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)第一軍事代表室,遼寧 沈陽(yáng) 110081；2.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110034）

引言

激光焊作為一種新型的高能束焊接方式,與其他傳統(tǒng)焊接相比具有能量密度高、接頭質(zhì)量好、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì),被廣泛用于高效焊接工藝[1-4]。相對(duì)于電子束焊接必須在真空箱中進(jìn)行,激光束焊接在大氣環(huán)境就可以完成焊接,避免了對(duì)零件尺寸的限制,所以大型鈦合金薄壁零件焊接時(shí),常常優(yōu)先選用激光焊接。然而,鈦合金的激光焊接受到焊接熱循環(huán)的影響,是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,此外,焊接能否安全使用的機(jī)械性能,是由焊縫的宏觀缺陷、組織特點(diǎn)共同決定的[5]。因此,為了提高鈦合金焊接的工藝性,獲得更為優(yōu)良的焊接接頭,很有必要對(duì)激光焊接接頭的組織與機(jī)械性能進(jìn)行分析研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的鈦合金牌號(hào)為T(mén)C4,材料標(biāo)準(zhǔn)為GJB2505,原始母材抗拉強(qiáng)度σb 為925～1150 MPa,其化學(xué)成份如表1 所示。

表1 TC4 鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

試驗(yàn)原始母材的顯微組織,如圖1 所示,從圖中可以看出TC4 鈦合金母材為α+β 細(xì)小等軸晶組織,且可以發(fā)現(xiàn)深色的β 相分布在淺色的α 相晶界處。

圖1 TC4 母材顯微組織

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用波長(zhǎng)為1 080 nm 的IPG YAG 激光器,焊接頭焦距為300 mm,激光器最大輸出功率為4 000 W,配合KUKA 機(jī)器人構(gòu)成機(jī)器人激光焊接系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)2 mm 厚鈦合金板材焊接,焊接完成后對(duì)全熔透的TC4 激光焊接接頭的微觀組織特點(diǎn)、力學(xué)性能進(jìn)行了研究和分析。

試驗(yàn)過(guò)程中使用的焊接試片尺寸為200 mm×100 mm×2 mm,在進(jìn)行焊接試驗(yàn)前兩小時(shí)需要修配試片待焊接部位對(duì)接間隙到不大于0.1 mm,之后進(jìn)行砂紙打磨,去除氧化層,并用酒精擦拭待焊面周圍20 mm 范圍內(nèi)去除油污和雜質(zhì)。

為了防止焊接過(guò)程中高溫焊道與空氣接觸發(fā)生氧化,采用通有氬氣的保護(hù)拖罩隨激光槍頭運(yùn)動(dòng)對(duì)正面焊道進(jìn)行保護(hù),氬氣流量為30 L/min。焊接過(guò)程采用的激光焊接參數(shù)為：功率P1為1 000～1 800 W,速度為v1為1 500～2 500 mm/min,離焦量d1為-2～0 mm。此外,為了進(jìn)一步抑制焊道缺陷,焊接完成后增加一次大離焦量模式的激光修飾焊接,修飾焊接采用焊接參數(shù)為：功率P2為1 500～2 000 W,速度為v2為1 500～2 500 mm/min,離焦量d2為15～25 mm。

在金相試樣制取中,沿激光焊縫的垂直截面激光切割制取金相組織試樣及力學(xué)性能試樣,其中金相組織試樣尺寸為20 mm×20 mm×2 mm,金相組織觀察的腐蝕液為10% HF+30% HNO3+60% H2O,腐蝕時(shí)間為20 s 左右。隨后,在光學(xué)顯微鏡下觀察接頭的顯微組織。采用顯微硬度計(jì)對(duì)接頭的維氏硬度進(jìn)行測(cè)量,載荷為200 g,加載時(shí)間為15 s,以焊縫為中心向兩側(cè)母材每0.25 mm 為一個(gè)測(cè)試點(diǎn),測(cè)量點(diǎn)位置距離接頭上面表約0.5 mm。為了比較激光焊接頭與母材的拉伸性能,將激光焊的對(duì)接試片和母材參照GB/T228.1《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)加工,采用萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)3 個(gè)試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試,測(cè)得結(jié)果后取其平均值,試樣截取位置與尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 力學(xué)性能試片取樣試意圖及試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 焊接接頭微觀組織成因

焊后接頭的表面宏觀形貌見(jiàn)圖3,其中圖3(a)為接頭正面,圖3(b)為接頭背面,圖3(c)為接頭截面。從圖中可以看出,焊接接頭成形良好且全部熔透,熔透狀態(tài)一致性較好,宏觀接頭整體呈現(xiàn)“丁”字型,且接頭中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的氣孔、裂紋等缺陷。從宏觀上看,接頭分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)三部分,且由焊縫向母材晶粒尺寸依次減小。

圖3 TC4 鈦合金焊縫表面及接頭宏觀形貌

為了對(duì)焊縫進(jìn)行分析,采用光學(xué)顯微鏡對(duì)焊縫接頭組織進(jìn)行了觀察,如圖4 所示,根據(jù)組織形貌差異將其劃分為5 梯度個(gè)區(qū)域,其中圖4(a)為焊縫中心組織,圖4(b)為焊縫中心/熱影響區(qū)近焊縫側(cè)組織,圖4(c)為熱影響區(qū)組織,圖4(d)為熱影響區(qū)近基體側(cè)/母材組織。

焊縫中心由于受到高能量密度激光作用,焊接過(guò)程溫度較高,且熔池溫度梯度教大,焊后散熱較快,熔池存在時(shí)間較短,焊縫處組織在高溫發(fā)生β 相轉(zhuǎn)變后,隨即快速冷卻,形成了α' 相,所以該處組織形貌見(jiàn)圖4(a),主要為針條狀馬氏體和散布在馬氏體周圍的β 相。近焊縫熱影響區(qū)離焊縫最近,作為熔池以外受熱循環(huán)作用最強(qiáng)烈的區(qū)域,雖然焊接過(guò)程未被融化,但該處溫度已經(jīng)遠(yuǎn)高于鈦合金的β 相變溫度并致使發(fā)生相變,之后冷卻過(guò)程中最終形成α+β 的“網(wǎng)籃”組織,見(jiàn)圖4(b)。中部熱影響區(qū)處在離焊縫更遠(yuǎn)處,受焊接熱循環(huán)影響較小,焊接過(guò)程該處溫度也較低,只有少量的組織可以發(fā)生相變,最終形成由初生的α 相和原始的β 相以及少量的α' 相組成的組織,見(jiàn)圖4(c)。最后,近基體側(cè)熱影響區(qū)與母材最近,該處組織受熱循環(huán)影響最小,所受到的熱量只能降低母材的纖維方向,但組織仍然基本保持與母材同樣的形貌。

2.2 焊接接頭微觀組織分析

分析激光焊對(duì)接焊縫接頭產(chǎn)生5 個(gè)不同梯度區(qū)域、5 處不同組織形貌的原因,主要是由于高能量密度激光熱源作用于母材使其融化形成熔池后,熱源作用過(guò)程沒(méi)有后續(xù)熱能繼續(xù)供給,進(jìn)而熔池?zé)崃块_(kāi)始對(duì)外向母材方向梯度傳導(dǎo),接頭區(qū)及附近溫度逐漸降低。當(dāng)?shù)竭_(dá)鈦合金材料結(jié)晶溫度時(shí),熔池中液態(tài)金屬開(kāi)始形核結(jié)晶,其過(guò)程行為受到結(jié)晶速率、固液界面溶質(zhì)濃度和整體熔池溫度梯度三方面決定。

焊接過(guò)程中受焊接梯度場(chǎng)熱循環(huán)的影響,在近焊縫區(qū)材料處于塑性狀態(tài),見(jiàn)圖4(b),且該處為固液分界面,有較高的熱導(dǎo)率,因此該處晶粒的結(jié)晶速率較低,過(guò)冷度較小,散熱的方向性較強(qiáng),這種區(qū)域特征有利于柱狀晶的形成。隨著熔池中心熱量逐漸散失,固液界面逐漸向熔池中心收縮推進(jìn),熔池整體的溫度梯度逐漸降低,促進(jìn)了結(jié)晶速率的提高,同時(shí)凝固過(guò)程中焊縫內(nèi)溶質(zhì)濃度逐漸提升,未凝固液態(tài)金屬的成分過(guò)冷度也逐漸加強(qiáng),形核速率也升高,見(jiàn)圖4(a),最終形成了等軸晶的形成。

圖4 接頭不同區(qū)域微觀組織形貌

2.3 微觀硬度測(cè)試

圖5 為T(mén)C4 激光焊接接頭的硬度分布圖,從圖中可以看出,焊接接頭硬度分布并不均勻,整體呈現(xiàn)出隨著距離焊縫中心增加,硬度逐漸降低的趨勢(shì)。從接頭微觀組織硬度分布也可以看出接頭的5 個(gè)區(qū)域A、B、C、D、E,這也驗(yàn)證了2.1 節(jié)中,接頭各區(qū)出現(xiàn)組織差異的原因。從接頭整體來(lái)看,其中維氏硬度最大值位于焊縫處為570 HV,而最小值位于母材處為310 HV左右。這主要是由于焊縫中心組織中留有大量的針狀馬氏體,而隨著距離焊縫中心長(zhǎng)度的增加針狀馬氏體的含量也隨之降低,最終形成了梯度硬度分布特征。

圖5 顯微硬度分布

2.4 力學(xué)性能結(jié)果

圖6 為接頭的拉伸性能試片測(cè)試結(jié)果,從圖中可以看出接頭的拉伸斷裂處位于遠(yuǎn)離焊縫的母材處,說(shuō)明接頭的拉伸性能不低于母材,基本符合2.1 節(jié)組織梯度分布、2.3 節(jié)硬度場(chǎng)梯度分布規(guī)律。具體接頭測(cè)試結(jié)果為平均抗拉強(qiáng)度為1 003 MPa,平均屈服強(qiáng)度為897 MPa,平均延伸率為11%。

圖6 接頭拉伸斷裂試樣

3 結(jié)論

TC4 鈦合金激光焊接焊縫中心區(qū)域?yàn)榇执蟮牡容S晶組織,焊縫組織隨著距離焊縫中心距離增加,晶粒尺寸逐漸減小,其中馬氏體的尺寸逐漸增加,數(shù)量逐漸降低。通過(guò)對(duì)接頭水平方向硬度進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果顯示隨著到焊縫中心距離增加,硬度逐漸降低,其中焊縫硬度最高為570 HV,而母材最低為310 HV 左右。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示,接頭的拉伸斷裂位置位于母材,說(shuō)明接頭的拉伸性能不低于母材。