TC4鈦合金激光-MIG復合焊接頭組織與性能研究

摘 要： 采用激光-MIG復合焊接方法焊接了5 mm厚的TC4鈦合金對接接頭，焊后觀察和分析了接頭不同部位的微觀組織特征，并通過拉伸和硬度試驗測試接頭的力學性能，結(jié)果表明：采用激光功率3.8 kW，焊接電流120 A，焊接速度0.8 m/min，光絲間距2 mm，離焦量6 mm的焊接工藝參數(shù)焊接5 mm厚TC4鈦合金對接接頭，焊縫表面呈銀白色且成形良好，內(nèi)部無氣孔缺陷.焊縫區(qū)主要由α′+β相組成，β柱狀晶內(nèi)部為互相垂直的針狀馬氏體α′；粗晶區(qū)β晶粒呈等軸狀，α′相尺寸相比于焊縫更小；細晶區(qū)少量的針狀馬氏體α′相分布在α+β基體上.接頭熱影響區(qū)硬度最高，為359HV；拉伸試樣均斷裂在母材處.

關(guān)鍵詞： TC4鈦合金；激光-MIG復合焊；微觀組織；力學性能

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A 文章編號：1673-4807（2025）01-038-04

Study on the structure and properties of titanium alloylaser-MIG hybrid welding joint

HUANGFU Lesen ZHAO Yong CHEN Yuhang ZHOU Lilong PAN Yanfei CHEN Guoqiang4

（1.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.Aerospace Engineering Equipment （Suzhou） Co. Ltd.， Suzhou 215100， China）

（3.Jiangsu Changjiang Intelligent Manufacturing Research Institute Co. Ltd.， Changzhou 213000， China）

（4.Jiangsu Yangtze Mitsui Shipbuilding Co. Ltd.， Taicang 215000， China）

Abstract：A 5 mm thick TC4 titanium alloy butt joint was welded using laser MIG hybrid welding method. The microstructure characteristics of different parts of the joint were observed and analyzed after welding， and the mechanical properties of the joint were tested through tensile and hardness tests. The results showed that the welding process parameters of laser power 3.8 kW， welding current 120 A， welding speed 0.8 m/min， light wire spacing 2 mm， and defocus distance 6 mm were used to weld the 5 mm thick TC4 titanium alloy butt joint. The surface of the weld seam is silver white and well formed， with no internal stomatal defects. The weld area is composed of α′+β phases， inside columnar crystals being mutually perpendicular acicular martensite α′. In the coarse-grained region， β grains are equiaxed， and compared to the weld seam， the relative size of α′ phase is smaller. A small amount of acicular martensite α′ [JP2]phase in the fine-grained zone is distributed on the α+β substrate. The hardness of joint heat-affected zone is the highest， being 359HV; the tensile specimens all fracture at the base metal.

Key words：TC4 titanium alloy， laser-MIG hybrid welding， microstructure， mechanical property

TC4鈦合金是一種α-β鈦合金，由于其高比強度和優(yōu)良的抗腐蝕、抗疲勞、抗裂紋性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶等領(lǐng)域[1-2].工程中鈦合金常用的焊接方法是鎢極氬弧焊[3].鎢極氬弧焊具有成本低廉、焊接過程穩(wěn)定、焊縫成形美觀等優(yōu)點，但是該方法存在焊接速度慢、生產(chǎn)效率低、焊接接頭組織粗大，焊后工件變形大等問題[4].文獻[5]采用鎢極氬弧焊焊接了5 mm厚的TA5鈦合金對接接頭，焊縫區(qū)域為粗大的β柱狀晶，α相呈現(xiàn)網(wǎng)籃狀，在拉伸斷口的表面出現(xiàn)了氫化物脆性相[6].文獻[7]采用鎢極氬弧焊焊接了厚度為4 mm的鈦合金板，焊接電流為100 A時得到了質(zhì)量較好的焊接接頭，當電流超過110 A時，較大的電流燒穿了焊接試板，焊縫成形較差.

近年來，激光焊和激光-MIG復合焊接技術(shù)由于其工件焊后變形小、焊接效率高等優(yōu)點在鋼鐵、鋁合金等金屬的焊接中得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展[8-9].但在鈦合金的焊接中面臨著保護難度大，焊縫氣孔敏感性高等問題.文獻[10]采用激光-MIG復合焊接技術(shù)焊接了8 mm厚的TC4鈦合金，射線檢測發(fā)現(xiàn)焊縫中存在大量氣孔，隨著增加激光功率氣孔數(shù)目呈下降趨勢，但始終無法完全消除.

針對目前鈦合金焊接中氣孔缺陷影響接頭組織和性能的問題，文中采用激光-MIG復合焊接方法焊接了5 mm厚的TC4鈦合金對接接頭，使用優(yōu)化的工藝抑制焊縫中的氣孔缺陷，焊后觀察和分析接頭不同部位的微觀組織特征，并通過拉伸和硬度試驗測試接頭的力學性能.

1 試驗材料及設(shè)備

選用150 mm×80 mm×5 mm的TC4鈦合金板材作為基材，化學成分如表1.焊接材料為同質(zhì)ERTi-6Al-4V焊絲，直徑為1.2 mm，化學成分如表2.焊前采用硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼對坡口附近10 mm內(nèi)的氧化膜進行清除，用丙酮溶液清潔試板表面.鈦合金激光-MIG復合焊接試驗平臺主要由以下設(shè)備構(gòu)成：YLS-10000型大功率光纖激光器、KUKA機器人、Fronius TPS500i PLUSE型MIG電弧焊機等.

由于鈦合金高溫情況下極易與空氣中的O、H、N元素結(jié)合形成氣孔及脆性相，嚴重影響焊縫性能.文中設(shè)計了如圖1（a）的不銹鋼拖罩與MIG焊槍相結(jié)合的氣體保護裝置，對焊接熔池及焊縫進行焊后保護，焊槍保護氣流量為15 L/min，拖罩保護氣流量為40 L/min；在試板底部采用如圖1（b）的紫銅背保護裝置，保護氣流量為20 L/min.保護氣體均為Ar氣，純度為99.995%.

經(jīng)過前期工藝試驗的探索，離焦量為6 mm時鈦合金激光-MIG復合焊焊縫中未出現(xiàn)工藝型氣孔，5 mmTC4鈦合金焊接工藝參數(shù)如表3.

對接頭進行線切割以獲得金相分析試樣，預磨和拋光后采用Kroll溶液（5 ml HNO3+10 ml HF+85 ml H2O）對金相試樣進行腐蝕，觀察和分析接頭不同部位的微觀組織特征，并通過拉伸和硬度試驗測試接頭的力學性能.

2 試驗結(jié)果與討論

焊縫表面成形很好沒有飛濺產(chǎn)生，背部成形均勻，正面與背面保護效果均較好，焊縫區(qū)域呈明亮的銀白色.X射線檢測結(jié)果顯示焊縫內(nèi)部無氣孔、裂紋等缺陷.焊縫表面成形及射線檢測結(jié)果如表4.

2.1 接頭微觀組織

焊縫區(qū)主要由α′+β相組成，焊接過程中加熱溫度在液相點以上，β相有更多的時間長大，如圖2.焊縫上部中心位置的β柱狀晶近垂直生長，長寬比差距大，由于內(nèi)部晶粒方向不同，呈現(xiàn)出不同的形態(tài)特征，如圖2（a）；β柱狀晶內(nèi)部分布著大量的針狀馬氏體α′，互相呈垂直分布，如圖2（b）.[JP2]焊縫下部β柱狀晶垂直于熔池邊緣向焊縫中心平行生長，長寬比相比于焊縫上部有所下降，焊縫下部為激光深熔區(qū)，相比于上部熔池冷卻速度更快，β柱狀晶來不及長大，如圖2（c）；β柱狀晶內(nèi)部針狀馬氏體α′由于β晶粒尺寸的限制，長度寬度更短，在焊縫根部位置還出現(xiàn)了片層狀的α′形成的魏氏組織，如圖2（d）.

TC4鈦合金激光-MIG復合焊接頭熱影響區(qū)分為粗晶區(qū)、細晶區(qū)和過渡區(qū)3個部分，如圖3.粗晶區(qū)靠近焊縫一側(cè)，相比于熱影響區(qū)的其他部分，焊接熱循環(huán)過程中達到的溫度最高，其中分布粗大的α＋β等軸晶粒，在β晶粒內(nèi)部分布大量的馬氏體α′，加熱過程中母材原有的α+β組織達到相變溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪啵执蟮牡容Sα晶粒與焊縫區(qū)層狀或片狀的形態(tài)明顯不同，一方面是α晶粒在焊接熱源的影響下長大，但并未達到相變溫度，未發(fā)生相變過程，另一方面β相在相變點以上停留的時間低于焊縫，溫度下降速度更快，β晶粒來不及合并周圍的α晶粒，因此給α晶粒更大的生長空間；快速冷卻過程中從β晶粒析出大量針狀馬氏體α′相，由于相變時間短暫，粗晶區(qū)針狀馬氏體α′相尺寸更小，如圖3（b）.細晶區(qū)距離焊縫較遠，只有部分區(qū)域在焊接熱循環(huán)過程中溫度到達相變點，在相變溫度以上停留時間更短，β晶粒還來不及長大；加熱過程中，部分α相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪啵渌料噙€沒有開始組織轉(zhuǎn)變，以初始α相分布在β晶粒之間；快速冷卻過程中產(chǎn)生少量的針狀馬氏體α′相分布在α+β基體上，部分片狀α相可能是由原始β晶粒上的α片層組織長大形成的，如圖3（c）.過渡區(qū)在細晶區(qū)之外靠近母材一側(cè)，這部分在焊接熱循環(huán)的影響下，初生α+β晶粒長大，但由于未達相變溫度，因此并未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，如圖3（d）.過渡區(qū)最高溫度在相變點以下，顯微鏡下幾乎看不到馬氏體組織，只有少量分布在α＋β組織之間，初始α組織沿軋制方向相互熔合，形成尺寸更大的α相，呈帶狀交錯分布.

2.2 接頭顯微硬度

對5 mmTC4鈦合金激光-MIG復合焊接頭進行顯微硬度試驗，分析各區(qū)域的顯微硬度分布，加載載荷為3 kg，兩個測量點之間的距離為0.3 mm.硬度測試位置如圖4.

硬度測試結(jié)果如圖5，熱影響區(qū)的硬度值最高，焊縫上部熱影響區(qū)硬度為359HV，[KG*4]相比于母材組織為α＋β的等軸晶，熱影響區(qū)中形成了大量的針狀馬氏體α′相，強度和硬度升高；從熱影響區(qū)到

焊縫中心有硬度下降的趨勢，這是因為從熔合線到焊縫中心以粗大的β柱狀晶為主，在焊縫中心位置為β等軸晶，晶粒尺寸相比稍小，因此焊縫中心硬度值下降，最低值為336HV，位于焊縫下部，由于焊縫下部為激光深熔區(qū)，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度更窄，硬度提高的區(qū)間更窄.

2.3 接頭拉伸性能

針對5 mm厚的TC4鈦合金激光-MIG復合焊接頭按照EN ISO4136：2022《金屬材料焊接的破壞性試驗.橫向拉伸試驗》進行了室溫下的拉伸測試，拉伸試樣尺寸如圖6，試驗結(jié)果如表5.

3 結(jié)論

（1） 采用激光功率3.8 kW，焊接電流120 A，焊接速度0.8 m/min，光絲間距2 mm，離焦量6 mm的焊接工藝參數(shù)焊接5 mm厚TC4鈦合金對接接頭，焊縫表面呈銀白色且成形良好，內(nèi)部無缺陷.

（2） 焊縫區(qū)由粗大的β柱狀晶組成，長寬比大，β柱狀晶內(nèi)存在大量互相垂直的針狀馬氏體α′；焊縫根部出現(xiàn)片層狀α′形成的魏氏組織.粗晶區(qū)β晶粒呈等軸狀，針狀馬氏體α′相尺寸相比于焊縫更小；細晶區(qū)部分α相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪啵渌料嘁猿跏鸡料喾植荚讦戮ЯＶg，少量的針狀馬氏體α′相分布在α+β基體上；過渡區(qū)初始α+β晶粒略微長大.

（3） 接頭熱影響區(qū)硬度最高，為359HV，焊縫區(qū)硬度略低于熱影響區(qū)；拉伸試樣均斷裂在母材處.

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（責任編輯：顧琳）