焊接速度对TC4钛合金板光纤激光焊接接头组织性能的影响

引 言

钛及其合金具有比强度高、韧性高、优异的耐高温性以及低密度等特点，因此被广泛应用于航空航天、船舶海洋领域[1-3]。钛合金通常分为三类：α钛合金、β 钛合金和 α+β 钛合金，牌号分别以 T 加 A、B、C 表示。相比于纯钛，TC4钛合金兼有 α 和 β 两类钛合金的优点，即塑性好、抗腐蚀能力强、热强性好等优点。当前，钛合金的传统焊接方式主要包括：传统手工 TIG、MIG 焊、电子束焊接和激光焊接。

张建勋[4] 等人研究了不同 TIG 焊接工艺的焊接接头显微组织及晶粒尺寸变化，结果表明，从焊缝中心到母材晶粒尺寸呈非线性变化，其梯度在柱状晶和粗晶区交界处出现最大值，称之为晶粒梯度特征值。引入这一概念，以表征焊接接头显微组织的非均匀性，对钛合金焊接接头的服役性能有重要意义。Wang 等人[5] 研究不同光束模式对钛合金电子束焊接接头组织和性能的影响。结果表明，母材为等轴组织，焊缝为十字交叉组织 α' 马氏体且焊缝的硬度高于热影响区和母材。传统的手工 TIG、MIG 焊，虽然焊接设备成本低廉、工人的操作难度也小，但是工人焊接速度往往较低，当遇到较为精密的结构件，往往会引起一些质量问题[6]。电子束焊接在钛合金的焊接中具有高能量密度，深焊缝，焊接速度快等特点[7]，但是电子束焊接过程需要在真空环境下进行，因此在焊接一些特殊的钛合金结构件时受到了限制[8]。与上述焊接方法相比，激光焊接是一种高能束焊接方式具有高能量密度、低维护成本、易实现自动化等特点[9-10]，与电子束焊接相比，无需在真空环境进行，且焊接机器人的行程较大，可以焊接尺寸更大的结构件。李镇[11] 等人采用光纤激光器对TC4钛合金进行焊接，发现焊缝中存在一定气孔，焊缝组织为粗大的 β 柱状晶，晶内为针状马氏体，且焊缝的硬度最高，母材最低。

然而，TC4钛合金在激光焊接过程中受到焊接热循环的影响，是一个复杂的过程。目前在激光焊接中存在的问题主要有气孔问题、焊接接头保护问题和晶粒粗化问题。因此，本文利用光纤激光器对TC4钛合金进行激光焊接，研究了焊接速度对TC4钛合金焊接接头的宏观形貌、气孔及组织性能的影响，旨在为进一步优化TC4钛合金的激光焊接工艺提供必要的理论依据。

1 、试验材料及方法

1.1 试验材料

本文采用辉景金属材料公司生产的TC4钛合金板材，焊接样品尺寸为 60 mm × 70 mm × 4 mm，其化学成分见表 1。图 1 给出了母材的显微组织，从图中看出TC4钛合金母材由黑色的初生 α 相和白色β相组成，且白色的α相分布在黑色的β相晶界处。

1.2 试验方法

本试验采用波长为 1 080 nm，芯径 34 µm 的Raycus 光纤激光器，光纤激光器最大输出功率为 4kW。因为钛合金在焊接过程中极易和空气中的氢气、氧气和氮气发生反应，而导致接头力学性能下降，所以在焊接过程中对焊缝正面和背部均采用惰性气体保护，惰性气体体积分数为 99.99% 的氩气，流量为 30 L/min。

本文通过改变光纤激光功率来控制热输入，来获得全熔透焊接接头，焊接工艺参数见表 2。光纤激光功率为 3 kW，焊接速度分别为 150，120，30 mm/s，根据焊接热输入计算公式可计算出不同焊接速度下对应的热输入分别为 20，25，100 J/mm。焊接热输入计算公式为：

式中：E 为热输入；P 为激光功率；v 为焊接速度。

采 用 Kroll 试 剂（2 ml HF+6 ml HNO₃+100 mlH₂O）对抛光后的接头样品进行化学腐蚀，试样结束后，用酒精冲洗并吹干。使用 VHX-S650E 金相显微镜和日立 SU500 场发射扫描电子显微镜观察接头显微组织。采用 HV1000IS 显微维氏硬度计，按照《GB/T4340.1-2009 金相维氏硬度试验》测试接头的显微硬度，测试位置为接头上表面 1/2 处，

间隔 0.2 mm，载荷为 500 g，加载时间 15 s。采用WDW-200E 万能拉伸试验机进行拉伸，拉伸速度为 2 mm/min，拉伸试样尺寸如图 2 所示。

2、 试验结果及分析

2.1 焊缝成形及气孔分析

图 3 显示三种不同焊接速度下焊接接头的上、下表面和横截面形貌。与 Hong[12] 所述相似，TC4钛合金的焊缝外观颜色可以有效的检测焊缝表面氧化程度。观察到所有焊缝上、下表面颜色仅有银色和淡黄色，这表明在焊接过程中保护气可以很好的抵抗大气污染，对熔池起到最佳保护效果。当焊接速度为 150 mm/s 时，从图 3b 中看出有部分未熔透。

随着焊接速度的降低，焊接接头由未熔透过渡到全熔透。三种不同焊接速度下的横截面形貌在不同区域表现出明显的特征，分别为母材（BM）、热影响区（HAZ）和焊缝（WS），其中焊缝是母材受热完全熔化后凝固而成的区域，热影响区是母材受到焊接热循环没有熔化但发生相变的区域。

TC4钛合金激光焊接中的气孔形成可分为两类：一种是由氢气引起的冶金气孔，这种气孔轮廓呈规则圆形，内壁光滑；另一种是由焊接过程中匙孔不稳定产生的气孔，这种气孔呈不规则的多边形。在激光焊接过程中，氢气的溶解度随着温度的升高而降低。当温度下降时，虽然氢气在钛合金中的溶解度会增加，但是由于激光焊接的速度很快，熔池冷却速度很快，氢气没有足够的时间从焊缝中逸出[13]。

众所周知，冶金气孔的形成实际上是气孔逃逸速度和结晶速度竞争的结果。由浮力驱动气孔逃逸速度可用下列公式表示：

式中：ρ1 是液态金属的密度，ρ2 是气体的密度，g是重力加速度，r 是气孔的半径，η 是熔池的黏度[14]。

如图 3c 所示，当焊接速度为 150 mm/s 时，焊接接头处于未熔透状态，在焊缝底部观察到有大量的密集型冶金气孔产生。如图 3f 所示，焊接速度为 120mm/s 时，焊接接头处于熔透状态，焊缝密集型气孔消失，气孔位置由焊缝底部移动至焊缝中部。由于焊接接头在熔透的状态下，大量的气孔可以从接头表面逃逸出去，留在焊缝中部的气孔，未能逃逸出去，形成气孔。当焊接速度为 30 mm/s 时，在接头横截面未观察到肉眼可见的气孔。

图 4 给出了焊缝横截面示意图及焊接接头熔宽统计图。由统计结果知，当焊接速度从 150 mm/s降低到 30 mm/s 时，焊缝上熔宽从 0.7 mm 增加到 2.5mm，下熔宽从 0.8 mm 增加到 2.1 mm。随着焊接速度的降低，激光在板材表面停留时间增加，母材吸收更多的能量，焊接接头的熔合区和热影响区面积增加。

2.2 焊接接头显微组织

由于不同焊接速度下的焊接接头显微组织转变规律相似，图 5 以焊接速度为 30 mm/s 的焊接接头为例，对焊接接头的显微组织转变规律进行研究。图5a 是在金相显微镜下TC4钛合金焊缝低倍组织，观察到柱状晶由融合线向焊缝中心生长，焊缝结晶方向总是与最大温度梯度方向一致[15]。焊缝不同区域柱状晶的尺寸和生长方向不同。焊缝中部的熔池体积较小，柱状晶从焊缝两侧向中心相对生长。靠近焊缝上下部的柱状晶由融合线向焊缝中心弯曲生长，且焊缝上部柱状晶尺寸大于焊缝下部柱状晶尺寸，因为在激光焊接过程中，焊缝上部热输入较大，熔池冷却速度相对较慢，柱状晶有足够的时间长大；焊缝下部热输入较小，所以柱状晶尺寸较小。

TC4钛合金在焊接过程中不同区域的显微组织主要受冷却速度的影响[16]。如图 5b 所示，靠近母材的 HAZ 不仅观察到针状马氏体 α' 和块状马氏体α，还有原始 α 相和 β 相。原始 α 相和 β 相的存在表明该区域的温度低于 β 相转变温度，在加热过程中 α 相没有完全转变为 β 相，因此在冷却过程中保留了原始 α 相。如图 5c 所示，观察靠近焊缝的HAZ 主要由针状马氏体 α' 和少量块状马氏体 α 组成。块状马氏体 α 的存在说明该区域的最高温度超过 β 转变温度，但是低于液相线温度，随后冷却下来，且冷却速度在 20 ℃ /s 到 410 ℃ /s 之间。此外，靠近焊缝的 HAZ 没有观察到原始 α 相和 β 相。观察焊缝中心的显微组织主要由针状马氏体α'组成，表明该区域的冷却速度超过 410 ℃ /s，使得 β 相完全转变为针状马氏体 α'，较细的针状马氏体 α' 交叉生长形成网篮结构，如图 5d 所示，这与 Ahmed和 Rack[17] 观察到的结果一致。

2.3 焊接接头力学性能

2.3.1 显微硬度

图 6 显示了不同焊接速度下的显微硬度分布（距离焊接接头上表面 1/2 处）。可见三种焊接接头的显微硬度分布规律相似，从母材到焊缝硬度呈上升趋势。三种接头母材的平均硬度依次为 344 HV、344HV、346 HV；热影响区的显微硬度依次为 358 HV、355 HV、350 HV；焊缝的平均硬度依次为 367 HV、366 HV、362 HV。这是由于焊缝中生成大量的马氏体α'相，距离焊缝越远的区域马氏体 α' 相是数量越少，母材中没有马氏体 α' 相。

2.3.2 拉伸性能

图 7 给出了不同焊接速度下焊接接头的宏观断裂照片及工程应力 - 应变曲线，拉伸性能见表 3。由图可知，当焊接速度为 120 mm/s 时，焊接接头在焊缝处断裂，平均抗拉强度和延伸率分别为 914 MPa 和5%。当焊接速度下降到 30 mm/s 时，焊接接头均在母材处断裂，平均抗拉强度和延伸率分别为 955 MPa和 10%。

图 8 为不同焊接速度焊接接头拉伸断口形貌，断口都呈韧窝特征，为典型的韧性断裂，唯一不同的是韧窝数量有所不一样。当焊接速度为 30 mm/s时，从图 8c 和 8d 中观察到大量的韧窝。当焊接速度为 120 mm/s 时，观察图 8a 和 8b，断口内存在少量的韧窝和直径小于 50 µm 的气孔。气孔的产生会造成应力集中，导致焊缝的强度和延伸率降低。因此控制气孔的数量可以一定程度上提高焊接接头质量。

3、 结 论

1）随着焊接速度的降低，气孔类型由焊缝底部的密集型气孔转变为焊缝中部的单个气孔，当焊接速度为 30 mm/s 时，在焊缝中没有观察到气孔；当焊接速度小于 120 mm/s 时，获得全熔透焊缝。随着热输入的增加，上熔宽从 0.7 mm 增加到 2.5mm，下熔宽从 0.8 mm 增加到 2.1 mm。

2）焊缝上部柱状晶尺寸明显大于下部，且上部柱状晶生长方向由融合线向焊缝中心弯曲生长，中部柱状晶从焊缝两侧向中心生长。TC4钛合金板的显微组织转变主要受冷速的影响。从母材到焊缝，针状马氏体 α' 的数量明显增加，焊缝中心产生大量马氏体 α'。

3）因为马氏体 α' 的存在，使得焊缝中显微硬度高于热影响区和母材。随着焊接速度的增加焊缝马氏体从 367 HV 降低到 362 HV。低焊接速度下，有利于气孔逃逸出熔池，断裂发生在母材。高焊接速度下，拉伸断口观察到气孔，严重影响焊接接头强度和延伸率，使断裂发生在焊缝。

参考文献

[1] Zhang L , Gobbi S L , Norris I , et al. Laser Welding Techniquesfor Titanium Alloy sheet[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1997,65(1):203-208.

[2] 刘佳佳 , 张艳苓 , 韩秀全 , 等 .TC4钛合金激光焊接头组织及超塑性能研究 [J]. 热加工工艺 ,2013,42(21):46-48+51.

[3] 张颖云 , 朱增辉 , 刘江哲 , 等 .1.2 mm 厚TC4钛合金薄板激光焊工艺研究 [J]. 应用激光 ,2019,39(4):596-601.

[4] 张建勋 , 董丽娜 , 张林杰 , 等 . 钛合金 TIG 焊接头晶粒尺寸非线性梯度特征 [J]. 焊接学报 ,2012,33(12):1-4+113.

[5]Shaogang, Wang, Xinqiang, et al. Investigation on theMicrostructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Alloy Joints withElectron Beam Welding[J]. Materials & design, 2012, 36(Apr.):663-670.

[6]康 浩 方 . 国 内 外 钛 设 备 的 焊 接 技 术 现 状 [J]. 钛 工 业 进展 ,2003(Z1):70-73.

[7] 许鸿吉 , 尹丽香 , 李晋炜 , 等 .TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能 [J]. 焊接学报 , 2005, 26(11): 43-46.

[8] 芦伟 . 厚壁钛合金电子束焊接接头断裂安全评定方法研究 [D].北京 : 北京工业大学 , 2013.

[9] Quintino L, Costa A, Miranda R. Welding with High Power Fiber Lasers– A preliminary study[J]. Materials & Design, 2007, 28(4): 1231-1237.

[10] Campanelli S L, Casalino G, Mortello M, et al. MicrostructuralCharacteristics and Mechanical Properties of Ti6Al4V Alloy Fiber Laser Welds[J].Procedia Cirp, 2015, 33: 428-433.

[11] 李镇 , 赵伟 , 张辉 .TC4钛合金激光焊接接头组织及力学性能研究 [J]. 齐鲁工业大学学报 ,2021,35(4):48-52.

[12] Hong K-M, Shin Y C. Analysis of Microstructure and MechanicalProperties Change in laser Welding of Ti6Al4V with a Multiphysics PredictionModel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 237: 420-429.

[13] Zhan, Xiaohong. The Porosity Formation Mechanism in the LaserWelded Joint of TA15 Titanium alloy. Materials Research Express,2019: 076558.

[14] Zhu C , Tang X , He Y , et al. Characteristics and Formation Mechanismof Sidewall Pores in NG-GMAW of 5083 Al-alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 238:274-283.

[15] 徐洁洁 .TC4钛合金激光焊接接头组织性能研究 [D]. 北京：北京工业大学 ,2009.

[16] Xu P-Q, Li L, Zhang C. Microstructure Characterization of LaserWelded Ti-6Al-4V fusion zones[J]. Materials Characterization, 2014, 87: 179-185.

[17] Ahmed T , Rack H J . Phase Transformations During Cooling in α+βTitanium Alloys[J]. Materials Science and Engineering, 1998, 243(1):206-211.

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