激光焊接參數對4.5 mm厚TA4板材焊縫成形的影響*

董志偉，唐定狼，張建勛

（西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

0 前 言

鈦和鈦合金具有密度小、熔點高、強度高、耐腐蝕性優異以及可加工性能良好等眾多優點，在航空航天、船舶制造等多個重要領域得到了廣泛應用[1]，但同時鈦合金又具有導熱性差、接頭易脆化等缺點，因此在焊接過程中極易出現組織粗化、接頭脆化等問題。相比于傳統熔化焊焊接方式，激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接精度高等優點[3]，且經激光焊接后的接頭焊縫寬度較窄、工件變形較小、熱影響區較小，因此，鈦合金中厚板常采用激光焊接工藝。

國內外研究人員就鈦及鈦合金的激光焊接開展了一系列的研究。Carvalho 等[5]研究了0.5 mm壁厚工業純鈦TA2管的激光焊接，并與TIG 焊接接頭進行對比，結果顯示，激光焊接接頭疲勞性能優于TIG 焊接接頭。Santosh 等[6]研究了純鈦激光焊接參數對焊縫熔寬、微觀組織和力學性能的影響，發現隨著激光功率減小和焊接速度的增大，焊縫正面和背面熔寬均減小，當激光功率為2.5 kW 時，熔合區平均晶粒尺寸最小。Ahn等[7]研究了不同焊接參數對TC4 鈦合金激光焊接接頭的影響，研究發現，激光功率增大時焊縫寬度變化趨勢為先增后減，焊縫形狀也由V形變為沙漏狀。Xu 等[8]對Ti6Al4V 鈦合金激光焊接接頭組織及硬度開展研究，發現從焊縫中心到母材，熔合線附近的顯微硬度值（HM）最高；在同一接頭中，HM 隨著焊縫寬度增加而增加；在不同接頭中，HM隨著不均勻度增加而增加。

目前國內外對鈦合金激光焊接工藝及原理研究較多，但針對工業純鈦光纖激光焊接研究的報道較少，特別是關于激光焊接參數對純鈦焊縫宏觀形貌的影響研究更少。本研究采用單因素試驗法，對4.5 mm 厚TA4 板材進行光纖激光焊接，探究激光焊接工藝參數對焊縫宏觀形貌的影響。

1 試驗材料和方法

試驗材料為4.5 mm厚的TA4板材，TA4化學成分見表1，其抗拉強度為621 MPa。

表1 TA4板材化學成分 %

常溫下鈦與空氣中的氧發生緩慢反應，在表面形成一層灰白色穩定性很高的氧化膜，因此在焊接前要對TA4母材進行焊前表面預處理。首先進行機械打磨去除氧化膜并確保對接無間隙，再使用無水乙醇去油污，最后烘干待焊。使用YLS-4000連續光纖激光器，配合MOTO-MANNX100六軸焊接機器人進行焊接試驗。為防止焊縫氧化，正、背焊縫使用雙面氬氣保護，激光焊接設備及焊接保護效果如圖1所示。采用單因素試驗法研究激光功率、離焦量及焊接速度對焊縫形貌的影響，焊接參數見表2。使用SMA-745T宏觀體視顯微鏡和尼康MA200 微觀金相顯微鏡對焊縫宏觀形貌、微觀組織進行觀察和表征。使用INSTRON-1341萬能拉伸試驗機測試焊縫力學性能。

圖1 激光焊接系統及焊接保護示意圖

表2 TA4激光焊接工藝參數

2 試驗結果及分析

2.1 激光功率對焊縫宏觀形貌的影響

焊接速度為1 m/min，離焦量保持為0 mm，不同激光功率下4.5 mm厚TA4板材的焊縫宏觀形貌如圖2所示，焊縫參數的統計結果見表3，圖3為焊縫參數隨著激光功率增大的變化趨勢。

圖2 不同激光功率下焊縫宏觀形貌

圖3 焊縫參數隨激光功率變化趨勢

表3 不同激光功率下焊縫參數

由表3 及圖3 可以看出，對于焊縫背面，隨著激光功率的增大，板材實現穩定熔透，背面熔寬增加。對于焊縫正面，熔寬整體增大，當激光功率為2 750～3 000 W時，熔寬反而小幅下降。有研究人員提出，當激光功率密度處于激光深熔焊的功率閾值附近，焊接過程存在激光深熔焊和熱導焊模式間來回跳變的焊接不穩定現象，熔深和熔寬會出現無規則波動[9]。由圖2（d）及圖2（f）可知， TA4板材熔透狀態由未熔透過渡到過熔透狀態[12]，在該范圍內正面熔寬的反常波動（圖3）證實了以上所述焊接不穩定現象的存在。改變激光功率時，熔寬的無規則波動主要發生于正面焊縫，背面焊縫熔寬變化趨勢符合焊接熱輸入能量規律。

當激光功率密度處于激光深熔焊的功率閾值附近時出現的焊接不穩定現象，在焊縫沿焊接方向的寬窄差上也有體現。綜合來看，2 號試樣正面和背面焊縫的寬窄差均最大。在實現熔透的前提下，隨著激光功率的增大，焊縫背部寬窄差逐漸減小，焊縫成形均勻。當激光功率為2 750～3 000 W 時，由于存在未實現熔透區域，故焊縫背面熔寬與背面寬窄差變化曲線重合。

當激光功率為3 500 W時，焊縫出現咬邊、塌陷、底部駝峰等嚴重焊接缺陷，是因為激光功率過大，導致熔池向周邊鋪展能力提高，凝固速度降低，熔池上部和底部變寬，熔池漏斗狀特征更加明顯，進而出現大量焊接缺陷。同時功率較大時，焊接過程中金屬氣化嚴重、飛濺大，正面焊縫成形平滑度差，焊縫正面形貌如圖2（g）所示。

2.2 離焦量對焊縫形貌的影響

激光功率為4 000 W、焊接速度為1.4 m/min時，不同離焦量下4.5 mm厚TA4板材焊縫宏觀形貌如圖4所示，焊縫參數統計結果見表4，圖5為焊縫各宏觀形貌參數隨離焦量減小的變化趨勢。

圖4 不同離焦量下焊縫宏觀形貌

圖5 焊縫參數隨離焦量變化趨勢

表4 不同離焦量下焊縫參數

由圖5可知，焊縫正面及背面熔寬與離焦量變化趨勢一致，均為先增大后減小。負的離焦量有利于增大熔深。由圖4可知，當離焦量為0 mm時，焊縫存在激光深熔焊的功率閾值附近的焊接不穩定現象，正面焊縫成形穩定，而背面焊縫部分區域未能實現完全熔透，且沿焊接方向焊縫寬窄差異明顯；而離焦量降為負值時，激光焦點位于板材內部，材料吸收的能量增大，背面焊縫實現了完全熔透，因而熔寬先增大；而當離焦量降至-3 mm時，落在板材正表面的激光光斑尺寸更大，使得激光能量密度降低[13]，焊縫熔寬減小。

在離焦量為-2～-1 mm內，在實現熔透的同時，焊縫寬度均勻，成形平滑連續，形貌最為優異。因此在控制其他焊接參數不變時，通過使用合適的負離焦量可以在增大熔深的同時調整熔寬，并獲得形貌優良的焊縫，這同樣可以應用于解決激光深熔焊功率閾值附近出現的焊接不穩定現象。

2.3 焊接速度對焊縫形貌的影響

當激光功率為4 000 W、離焦量為0 mm 時，不同焊接速度下4.5 mm厚TA4板材焊縫宏觀形貌如圖6所示，焊縫參數統計結果見表5，圖7為焊縫參數隨離焦量減小的變化趨勢。

圖6 不同焊接速度下焊縫宏觀形貌

圖7 焊縫參數隨焊接速度變化趨勢

表5 不同焊接速度下焊縫宏觀形貌參數

由圖7可知，當焊接速度逐漸增大時，焊縫尺寸波動變化[14]，正面熔寬逐漸減小。激光焊接時，由于激光能量密度的不同，可以分為激光熱導焊和激光深熔焊。在激光功率確定時，焊接速度的提高導致激光能量密度降低，焊接模式由激光深熔焊轉變為激光熱導焊[15]，這進一步降低了焊接熱輸入，使得正面焊縫熔寬逐漸降低，焊接飛濺明顯增多。

3 結 論

（1）隨著激光功率的增大，焊縫背面熔寬穩定增大，背部寬窄差逐漸減小；當板材由“未熔透”過渡到“過熔透”狀態時，正面焊縫熔寬出現反常波動，說明當激光功率密度處于激光深熔焊的功率閾值附近時，存在焊接不穩定現象。

（2）焊縫正面及背面熔寬隨離焦量減小的變化趨勢一致，均為先增大后減小；當離焦量變化范圍為-1～-2 mm 時，焊縫在實現熔透的同時，寬度均勻，改善了離焦量為0 mm 時存在的焊接不穩定現象。

（3）隨著焊接速度的增大，焊縫正面熔寬逐漸減小，焊縫寬窄差變化較小，在焊接速度的影響下，激光功率密度處于閾值附近時存在的熔寬無規則地波動主要發生于背面焊縫。