重熔擺動激光焊修復TC4 鈦合金焊接接頭組織和性能

張騫，張成竹，林波，冉洸奇，胡世天，朱宗濤

（1.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610073；2.西南交通大學，成都 610031）

0 前言

TC4 鈦合金是一種性能優(yōu)越的結構金屬，具有高比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性能及良好的耐熱性等眾多突出的優(yōu)點，已經廣泛應用于航空航天等領域[1]。激光焊是一種高效精密的焊接方法，其獨特的工藝特點使激光焊接接頭變形小、熱影響區(qū)窄、焊縫質量優(yōu)良，且相較于其它焊接方法自動化程度高的優(yōu)勢使其成為航空航天等領域鈦合金焊接的重要手段[2-3]。鈦合金在高溫環(huán)境下極其不穩(wěn)定，吸氫的能力大幅度的增強，激光焊冷卻速度快的特點使溶解于液態(tài)金屬中的氫氣來不及溢出，在焊接完成后鈦合金接頭極易產生氣孔等缺陷，氣孔缺陷的存在會破壞接頭連續(xù)性，影響接頭的力學性能[4-5]。目前，國內外對鈦合金激光焊接頭存在氣孔的問題進行了大量的研究，李海剛等學者[6]通過調整工藝參數使鈦合金接頭氣孔量大幅度減少，Haboudou 等學者[7]利用雙光束作用降低接頭氣孔率，李坤等學者[8]證明擺動激光對鈦合金接頭氣孔的生成具有一定抑制作用。上述研究都是采取一定方法控制焊接過程中氣孔的生成，尚未有報道焊后如何修補鈦合金接頭中的氣孔缺陷。

針對航空航天中廣泛使用的TC4 鈦合金，開展了重熔擺動激光焊對鈦合金焊接接頭中氣孔缺陷的修補研究，并探究重熔擺動激光焊對鈦合金焊接接頭的組織和力學性能的影響，為TC4 鈦合金焊后氣孔缺陷修補工藝提供技術支持。

1 試驗方法

文中所采用的試驗材料為TC4 鈦合金，尺寸為100 mm × 50 mm × 4 mm，母材的化學成分見表1。

表1 TC4 鈦合金化學成分（質量分數,%）

焊前對TC4 鈦合金表面進行嚴格的機械清理，并用丙酮進行清洗，去除鈦合金表面致密的氧化膜。試驗使用的設備是TruDisk 10002 型光纖激光器（波長: 1 030 nm,光斑直徑: 0.4 mm），MIG 焊機為Fronius 4000 焊機。為了防止焊接過程中鈦合金發(fā)生氧化，焊接時采用雙面氬氣保護，保護氣體流量為20～25 L/min。所用鈦合金試樣先進行單激光焊接，參數為激光功率5.4 kW，焊接速度25 mm/s，然后進行不同擺動參數下的重熔擺動激光焊試驗，重熔焊參數見表2（1 號為不進行重熔）。

表2 重熔擺動激光焊的試驗參數

焊接完成后，利用電火花線切割機對接頭進行切割，制備金相試樣，經過研磨、拋光，并用配制好的溶劑（5 mL HF+10 mL HNO3+85 mL H2O）對試樣進行腐蝕。使用光學顯微鏡觀察鈦合金焊接接頭的焊縫截面形貌和氣孔分布，并用蔡司顯微鏡對焊縫顯微組織進行分析。利用HXD-100TM/LD 型數字式顯微硬度計對焊接接頭進行硬度測試，加載載荷1 kN，時間10 s。對于鈦合金焊接接頭的力學性能試驗，取樣位置及試樣尺寸如圖1 所示。采用型號為CMT4304的電子萬能試驗機對接頭進行拉伸試驗，拉伸試驗結果取3 個試樣的平均值，拉伸速率為5 mm/min，拉伸試驗后斷口位置利用光學顯微鏡進行宏觀觀察。

圖1 試樣取樣位置及尺寸示意圖

2 試驗結果與討論

2.1 擺動激光重熔焊對氣孔的影響

圖2 為不進行擺動激光重熔的TC4 激光焊接頭截面形貌及氣孔?？梢钥闯?，TC4 激光焊接頭焊縫下部存在大量氣孔，氣孔形狀為規(guī)則的圓形或橢圓形，尺寸為50～200 μm，為典型的冶金型氣孔。

圖2 TC4 鈦合金激光焊接頭截面形貌及氣孔

通過施加擺動激光改變擺動頻率對焊接接頭進行重熔，并對重熔后的焊接接頭進行X 射線探傷，4組試樣在重熔前焊縫中均存在大量氣孔，氣孔主要分布在焊縫中間位置。經過擺動激光重熔后，焊縫中氣孔相較于重熔前均得到大幅度消除，表明擺動激光重熔焊能夠對焊接接頭內部氣孔缺陷進行有效修復。利用image pro 軟件對不同擺動頻率下重熔焊前后接頭內部的氣孔缺陷數量進行統(tǒng)計，如圖3 所示。隨著擺動頻率的增加，焊接接頭中氣孔的數量分別由重熔焊前的40 個、22 個、41 個、42 個下降至16 個、5 個、6 個、5 個，氣孔消除率分別為60%，77%，85%，88%，表明激光擺動頻率的增加會提高對氣孔的消除作用。為進一步了解不同擺動頻率下重熔焊對不同直徑氣孔消除作用的差異，按直徑將內部氣孔分為≥150 μm 和＜ 150 μm 兩類，分別計數，如圖3 所示。不同擺動頻率下＜ 150 μm 氣孔的數量從26 個、14 個、31 個、33 個下降到10 個、4 個、6 個、5 個，重熔焊后＜ 150 μm 氣孔修復率分別為62%，71%，81%，85%；不同擺動頻率下≥150 μm 氣孔的數量從14 個、8 個、10 個、9 個下降到6 個、1 個、0 個、0 個，重熔焊后≥150 μm 氣孔修復率分別為57%，88%，100%，100%，當激光擺動頻率達到120 Hz 及以上時，直徑大于150μm 的氣孔被完全消除。

圖3 不同擺動頻率下激光重熔焊接頭氣孔數量

在激光焊TC4 鈦合金過程中，會導致熔池不穩(wěn)定卷入大量氣體，同時熔池冷卻過快使熔池內部氣體難以逸出，進而在焊縫下部形成大量氣孔。通過擺動激光重熔焊，隨著擺動頻率的增加，一方面熔池得以穩(wěn)定，不會卷入氣體引起新的氣孔缺陷，同時熔池液態(tài)金屬的停留時間變得更長，有利于氣孔的排出；另一方面擺動頻率的變大使得熔池對流與攪拌的作用增強，也有利于氣孔的消除[9]。通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)擺動激光重熔焊對大尺寸氣孔具有更好的消除效果，根據Stocks 公式，液態(tài)金屬中氣泡的上浮速度為

式中：g為重力加速度；η為熔池金屬粘度；r為氣泡半徑；ρL為液態(tài)金屬密度；ρG為氣體密度。由式（1）可知，其它條件不變的情況下，越小的氣泡在液態(tài)金屬中逸出的速度越慢，且氣泡的上浮過程伴隨著氣泡的長大，故焊縫底部往往存在尺寸較小的氣孔，而擺動激光重熔焊對大尺寸氣孔的消除效果更加顯著。

2.2 擺動激光重熔焊對組織的影響

圖4 為不同擺動頻率下TC4 鈦合金激光重熔焊接頭的顯微組織。焊縫組織主要為針狀的α'馬氏體和部分α 相，在焊接過程中，峰值溫度達到α 相的完全相變溫度以上，α 相轉變?yōu)棣?相，而激光焊冷卻過程非常快，導致β 相沒有充足的時間轉變回α 相，只能通過均勻切變的方式生成α'馬氏體，α'馬氏體呈長針狀，部分呈網籃狀分布。從圖4a～圖4d 可以看出，隨著擺動頻率的增大，針狀馬氏體逐漸破碎，晶粒變得更加細小。當擺動頻率增大時，激光對熔池的攪拌作用增強，熔池的溫度梯度和表面張力發(fā)生變化，一方面阻礙針狀馬氏體的持續(xù)長大，另一面已經生成的針狀馬氏體在攪拌作用下逐漸破碎，晶粒尺寸變得更加細小。如圖4e～圖4h 所示，熱影響區(qū)組織主要由初生α 相、針狀α'馬氏體及β 相組成。在焊接過程中熱影響區(qū)峰值溫度較低，初生α 相向β 相轉變并不徹底，在之后的冷卻過程，沒有發(fā)生轉變的α 相會吞并周圍的小α 相形成塊狀組織，而部分β 相在快速冷卻條件下也通過切變方式轉變?yōu)棣?馬氏體。隨著擺動頻率的增大，激光對熔池的攪拌作用增強，有利于熱影響區(qū)中晶粒生長，晶粒尺寸逐漸變大，這可能會導致熱影響區(qū)性能嚴重下降。

圖4 不同擺動頻率下激光重熔焊接頭顯微組織

2.3 擺動激光重熔焊對顯微硬度的影響

圖5 為不同擺動頻率下激光重熔焊接頭顯微硬度分布。不同擺動頻率下TC4 鈦合金激光重熔焊接頭中焊縫區(qū)硬度高于熱影響區(qū)和母材。焊縫組織主要為針狀α'馬氏體，針狀α'馬氏體的生成起到了位錯強化的作用，焊縫硬度得到大幅度提高。熱影響區(qū)中針狀馬氏體變少，塊狀α 相增多，硬度有所下降。從圖中還可以觀察到隨著擺動頻率的增加，焊縫硬度呈上升趨勢，這主要是由于擺動頻率的增加使得組織中晶粒逐漸破碎，晶粒細化的強化作用提高焊縫的性能。而熱影響區(qū)隨著擺動頻率的變大，塊狀組織變得更為粗大，導致軟化更為嚴重，硬度呈下降趨勢。

圖5 不同擺動頻率下激光重熔焊接頭顯微硬度分布

2.4 擺動激光重熔焊對拉伸性能的影響

圖6 為不同擺動頻率下激光重熔焊接頭拉伸試驗結果。從圖中可以看出，隨著擺動頻率的增加，拉伸性能呈下降趨勢。當擺動頻率為50 Hz 和80 Hz時，抗拉強度達到1 000 MPa 以上，與母材的拉伸性能相當，說明在擺動頻率為50 Hz 和80 Hz 時擺動激光重熔焊不會影響焊接接頭的力學性能。當擺動頻率進一步增加到120 Hz 和150 Hz 時，TC4 激光重熔焊接頭的抗拉強度下降。

圖6 不同擺動頻率下激光重熔焊接頭抗拉強度

圖7 為光學顯微鏡下擺動激光重熔焊TC4 焊接頭的宏觀拉伸典型斷裂位置，在不同擺動頻率下共有2 種斷裂方式。如圖7a 所示，當頻率為50 Hz 和80 Hz 時，拉伸斷裂于母材區(qū)域，這從側面說明較低擺動頻率下重熔時可以獲得性能較好的TC4 焊接接頭。當擺動頻率進一步增加到120 Hz 和150 Hz 時，如圖7b 所示，拉伸斷裂位置由母材轉變到熱影響區(qū)，這主要是由于過大的擺動頻率會使熔池對流增強，熱影響區(qū)獲得焊縫傳導過來的熱輸入大大提升，導致焊接接頭熱影響區(qū)范圍變大，且晶粒粗化使得熱影響區(qū)軟化更加嚴重，因此熱影響區(qū)成為焊接接頭最薄弱的區(qū)域。通過上述試驗發(fā)現(xiàn)，在保證氣孔消除效果的前提下，應盡量采用較小的激光擺動頻率，這樣既可以起到清除氣孔的作用，也不會破壞焊接接頭的力學性能。

圖7 擺動激光重熔焊拉伸試驗典型斷裂位置

3 結論

（1）擺動激光重熔焊對氣孔有著顯著的修復效果。隨著擺動頻率的增加，激光重熔焊對氣孔的消除效果增強，且擺動頻率的提高對大氣孔的消除作用更為明顯。

（2）擺動激光重熔焊接頭焊縫區(qū)組織為針狀的α'馬氏體和部分α 相，擺動頻率的增加使焊縫晶粒尺寸逐漸細化；熱影響區(qū)組織由初生α 相、針狀α'馬氏體及β 相組成，隨著擺動頻率的提高熱影響區(qū)組織變得更為粗大。

（3）擺動激光重熔焊接頭焊縫硬度最高。隨著擺動頻率的增加，焊縫硬度呈上升趨勢，熱影響區(qū)硬度呈下降趨勢。

（4）當擺動頻率為50 Hz 和80 Hz 時，擺動激光重熔焊接頭拉伸性能與母材相當，斷裂位置發(fā)生在母材；隨著擺動頻率增加到120 Hz 和150 Hz 時，擺動激光重熔焊接頭拉伸性能降低，斷裂區(qū)域由母材轉變?yōu)闊嵊绊憛^(qū)。