钛合金激光-MIG电弧复合焊接头组织性能_张婧.pdf

通过激光-MIG电弧复合焊的方法进行TC4钛合金板的焊接，对获得的焊接接头进行组织性能分析。结果表明：焊接接头焊缝区由长针状马氏体贯穿整个柱状晶构成，柱状晶平均宽度为150m，在马氏体之间还会形成细小的次生马氏体，最终焊缝区呈杂乱无序的网篮状形貌，通过XRD测试，确认焊缝中主要由马氏体组成；焊接接头显微硬度分布总体呈现为焊缝区热影响区母材区的分布规律；焊接接头的抗拉强度和断后伸长率略高于母材，同时断裂位置也在母材区域，焊接接头拉伸断口由大量撕裂唇包围，韧窝深且均匀，呈微孔聚合韧性断裂特征。关键词：钛合金；激光-MIG电弧复合焊；组织性能基金项目：国家重点研发计划资助项目（2021YFB3401100）；黑龙江省头雁行动计划-能源装备先进焊接技术创新团队资助（201916120）；新型钎焊材料与技术国家重点实验室开放课题（SKLABFMT202005）。第一作者：张婧，助理工程师，主要从事激光焊接工艺性研究等工作，E-mail：。1 序言随着现代化工业，特别是航空航天、新能源汽车和医疗设备等领域的高速发展，对材料轻量化及比强度的要求越来越高1，2。钛合金作为一种传统的轻质有色金属材料，具有低密度、高强度和优良的耐腐蚀性能，在轻合金的研究和应用中占比越来越大3，4。其中，TC4钛合金是一种典型-双相钛合金，兼具型和型钛合金的优点，是应用最为广泛的钛合金5。张颖云等6采用单激光对1.2mm厚的TC4钛合金板进行焊接，研究发现激光功率对焊接接头的抗拉强度有较大影响，焊接接头的抗拉强度最高可达母材的93%，伸长率接近母材的83%；李双等7采用TIG填丝焊接方法进行TC4钛合金焊接，研究了焊接电流对焊缝成形的影响并观察分析了焊接接头的显微组织，结果表明：随着焊接电流的增加，焊缝熔深和熔宽增加，焊缝表面下凹程度增大，但是焊缝熔宽增加幅度较小，焊缝区晶粒发生严重粗化，主要为粗大的柱状晶，其组织为针状马氏体；武鹏博等8采用激光填丝焊接技术进行了TC4钛合金薄板的焊接，并对比了不同焊接热输入对焊接接头组织性能的影响规律。而与上述焊接技术相比，激光-MIG电弧复合焊具有热输入小、效率高，以及对焊接坡口的形式、尺寸容忍性高等诸多优点，且同样可以利用填充焊丝对烧损合金和有益合金元素进行补充，从而对焊接接头组织性能进行优化。基于上述其他焊接方法无可比拟的优势，使激光-MIG电弧复合焊技术在钛合金焊接领域有望获得广泛应用。激光-MIG电弧复合焊过程是单道多层填充金属的热累计，而多次热循环必然会使焊缝组织变得极为复杂和不均匀9，10，最终容易导致焊接接头在超塑性成形时的应力变形不均匀，从而影响后续钛合金焊接零部件的服役安全性能，也为其在工业生产中的应用留下隐患11。同时，钛合金的导热性能较差，在激光高能束和电弧热双热源焊接条件下，钛合金焊缝液态熔池峰值温度极高，为高温相晶粒的长大提供了充裕条件，并且焊后较快的冷却速度会造成焊缝组织中切变生成的马氏体含量较高，进2023年 第4期 热加工11激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic而直接影响焊接接头的塑韧性12。因此，本文采用经过前期优化的激光-MIG电弧复合焊工艺进行TC4钛合金的焊接，并对获得焊接接头的组织性能进行分析，以期为后续激光-MIG电弧复合焊接方法在钛合金上的大规模应用提供基础理论数据支撑。2 试验方法试验选用尺寸规格为400mm200mm6mm的TC4钛合金板，填充金属为直径1.2mm的Ti64焊丝，母材和焊丝的化学成分见表1。将待焊试板加工成钝边为2mm的Y形坡口，不预留根部坡口间隙，单边坡口角度设计为60。焊前打磨和酸洗待焊试板，酸洗溶液由体积分数为10%HF35%HNO3+H2O组成，去除表面氧化物后用丙酮清除酸液后烘干备用。激光-MIG电弧复合焊接设备中的激光器型号为德国IPG公司生产的YLS-6000，MIG焊机为奥地利福尼斯的TPS4000，激光器和MIG焊机通过德国KUKA机器人进行集成。经过课题组前期大量工艺试验研究，最终优化后的激光束采用圆形摆动模式，摆动频率为200Hz，摆动幅度为1.5mm，焊丝干伸长为20mm，焊枪与激光夹角为30，采用激光在前、电弧在后的复合方法，其焊接参数见表2。共计填充3道完成钛合金板的焊接，层间温度控制在150以内，焊接过程采用Ar进行焊缝及其附近高温区域的正背面保护，保护气体压力为0.5MPa。焊接完成后的试板由线切割设备进行试样加工，采用光学显微镜（OM）、扫描电镜及X射线衍射仪对焊缝的微观组织和物相进行观察；利用 HVS-1000Z型显微硬度计进行硬度检测；室温拉伸性能测试在INSTRON 5569电子万能试验机上进行。表1母材和焊丝化学成分（质量分数）（%）元素AlVFeCNHOTiTC4钛合金母材6.324.100.0150.0200.0070.0010.13余量Ti64焊丝 6.154.050.0100.0100.0060.0010.02余量表2激光-MIG电弧复合焊焊接参数激光功率/W焊接速度/（m/min）电弧电压/V焊接电流/A送丝速度/（m/min）焦距/mm离焦量/mm光丝间距/mm 28001.0282204.0425+1033 试验结果分析与讨论TC4钛合金激光-MIG电弧复合焊接接头的微观组织形貌如图1所示。由图1可发现，最大晶粒出现在焊缝位置，由于焊丝在复合热源的作用下，熔化后冷却速度极快，溶质来不及均匀化扩散，因此属于快速结凝组织而具有典型的铸造组织特征。同时也可以发现焊缝区、熔合区、热影响区、母材的晶粒尺寸呈递减趋势分布。焊缝区由长针状马氏体贯穿整个柱状晶构成，柱状晶平均宽度为150m，在马氏体之间还会形成细小的次生马氏体，最终焊缝区呈杂乱无序的网篮状形貌。焊接熔池在快速冷却和凝固过程中，相来不及扩散相变而会直接切变形成过饱和固溶体马氏体，马氏体在原始柱状晶内部形核长大，先形成若干相互平行的初生马氏体，并在远距离内扩展贯穿整个晶粒后遇晶界停止，然后形成一系列相对细小的次生针状马氏体，遇到晶界或初生马氏体又会停止生长，导致焊缝区布满了长针状马氏体，最终焊缝区呈网篮状形貌；熔合区除了具有焊缝区域的组织特征外，还发现大量整齐排列的魏氏组织，这主要由于该区域同样具有较大冷却速度的特点，但切变形核的驱动力尚不足以完全形成马氏体所造成；热影响区则由少量初始p相、晶界gb相、魏氏组织及马氏体构成，该区域的针状马氏体数量相比焊缝区数量少，也更加细小，主要是由于焊接过程中热影响区位置金属被加热温度较低后且冷却速度较慢造成的。同时，由于热影响区各部分与焊缝熔池距离的不同，所经历的热源影响程度也不同，从而造成靠近熔合线区域比远离熔合线区域的晶粒粗大，针状马氏体分布数量较多且更加密集，同时熔合线附近组织呈柱状晶和等轴晶联生特征；通过母材区的高倍和低倍微观组织形貌可以发现，母材区呈现双态形貌，即由等轴状和长条状的相与相交织构成，在相内部还发现少量次生s相分布。为了确定焊接接头中焊缝区域的物相，采用XRD测试技术对焊缝区域的组织构成进行分析，结果如图2所示。由图2可知，焊接接头焊缝区域均由密排六方（HCP）晶体结构组成，没有发现体心立方晶格（BCC）和斜方晶格结构，即没有发现相或相。同时，根据晶格常数比c/a并结合上文微观2023年 第4期 热加工12激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic组织分析可以确定，焊接接头焊缝区域主要由马氏体组成，且主强峰出现在衍射角为40.5处。焊接接头显微硬度分布如图3所示。由图3可知，硬度总体呈焊缝区热影响区母材区的分布规律。焊接接头的硬度分布与其组织分布和物相构成有着密切联系，由于马氏体内具有高密度的位错和孪晶13，从而产生相当数量的晶界，可以较好地阻碍应力在加载过程中的变形进行，因此其硬度会显著高于其他相，从而使焊接接头中马氏体含量最多的焊缝区硬度比热影响区和母材区域高。在硬度载荷持续加载过程中，硬度载荷会使位错滑移到晶界处而造成位错的大面积塞积，而晶界对位错运动具有明显的阻碍作用14，因此随着载荷的持续增加，位错塞积的密度随之增大，也伴随着产生应 a）焊缝（100）b）焊缝（200）c）熔合区（50）图2焊缝区XRD图谱 d）热影响区（200）e）母材（100）f）母材（200）图1焊接接头微观组织形貌图3焊接接头硬度分布力集中。当应力集中到可以完全克服晶界的阻碍时，应力将会释放产生塑性变形导致相邻晶粒组织的位错运动，使相邻晶粒组织间的晶界发生交割，进而使材料硬化15。TC4钛合金母材和焊接接头的室温拉伸性能试验结果见表3，焊接接头拉伸性能断裂位置如图4所示。从表3和图4可发现，焊接接头的抗拉强度和断后伸长率略高于母材，同时断裂位置也在母材区域。表3室温拉伸性能试验结果项目抗拉强度/MPa断后伸长率（%）断裂位置TC4钛合金母材92512.5焊接接头1928 14.0母材焊接接头2930 14.5母材2023年 第4期 热加工13激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic两组试样拉伸断口形貌如图5所示。结合图4、图4拉伸接头断裂位置 a）焊接接头1（50）b）焊接接头1（100）c）焊接接头1（500）d）焊接接头2（50）e）焊接接头2（100）f）焊接接头2（500）图5试样拉伸断口形貌4 结束语1）焊缝区由长针状马氏体贯穿整个柱状晶构成，柱状晶平均宽度为150m，在马氏体之间还会形成细小的次生马氏体，最终焊缝区呈杂乱无序的网篮状形貌，熔合区除了具有焊缝区域的组织特征外，还发现大量整齐排列的魏氏组织。热影响区则由少量初始p相、晶界gb相、魏氏组织及马氏体构成，该区域的针状马氏体数量比焊缝区少，也更加细小。母材区呈现双态形貌，即由等轴状和长条状相与相交织构成，在相内部还发现少量次生s相分布。2）焊接接头焊缝区域均由密排六方（HCP）晶体结构组成，没有发现体心立方晶格（BCC）和斜方晶格结构。3）焊接接头整体显微硬度分布总体呈现焊缝区热影响区母材区的分布规律，2个焊接接头抗拉强度分别为928MPa、930MPa时，均在母材位置发生断裂，断后伸长率也略高于母材。焊接接头的拉伸断口呈微孔聚合的特征，韧窝较深且大，撕裂棱较明显，并在断口上可观察到由大量撕裂唇包围的均匀且深的韧窝。参考文献：1 龙伟民，张雷，程亚芳铝与铜连接技术的研究J金属加工（热加工），2008（12）：47-49.2 付和国，刘广鑫，谢洪志，等1.5mm厚TC4钛合金激光焊接头组织与力学性能研究J金属加工（热加工），2022（3）：33-36.3 金浩，方乃文，马青军，等焊接顺序对镁合金角焊缝残余应力和变形的影响J金属加工（热加工），2020（2）：59-62.4 龙伟民，张冠星，张青科，等钎焊过程原位合成高强度银钎料J焊接学报，2015，36（11）：1-4，113.5 方乃文，郭二军，徐锴，等钛合金激光填丝焊缝晶粒生长及相变原位观察J中国有色金属学报，2022，32（6）：1665-1672.6 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.（下转第17页）图5发现，焊接接头断裂前发生较明显的颈缩现象，焊接接头的拉伸断口呈微孔聚合的特征，韧窝较深且大，撕裂棱较明显，并在断口上可观察到大量由撕裂唇包围的均匀且深的韧窝，具有典型的穿晶断裂特征，呈微孔聚合韧性断裂，且塑性变形较为充分，这与其抗拉强度数值较高的测试结果一致。2023年 第4期 热加工17激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic较为均衡，满足英国劳氏船级社激光复合焊标准要求。表3冲击试验结果试板编号温度/冲击吸收能量/J缺口位置1058、55、55焊缝中心044、41、46焊缝熔合线023、21、21焊缝熔合线2mm2052、46、45焊缝中心046、55、46焊缝熔合线050、49、50焊缝熔合线2mm5 结束语1）激光-电弧复合焊在两种焊接速度下的表面成形尚可，但焊接速度降低至2100cm/min时，随着热输入增加，焊丝的熔敷量增加，使焊缝余高增加。2）激光-电弧复合焊预热功率和焊接速度提升，对于接头的抗拉强度及弯曲性能影响不大。3）通常焊缝预热及焊接速度对硬度影响都较大。2号试板随着焊接速度的提升硬度处于升高的趋势，然而随着预热温度的增加，会减缓焊缝冷却速度，也会使得接头的硬度明显下降。4）焊接速度提高、热输入的减少，会提升冲击性能。此次试验2号试板随着焊接速度及预热温度的提升，在熔合线2mm处冲击吸收能量有显著提升，因此提升焊接速度及预热温度对接头的韧性有一定的改善效果。5）通过一系列试验分析得到较优的焊接参数：激光输出功率6.8kW、焊接电流275A、电弧电压24V、送丝速度9.8m/min、预热功率20kW、焊接速度2300m/min，以上参数能满足船级社规范并可应用于实际生产。参考文献：1 王治宇，王春明，胡伦骥，等激光-电弧复合焊接的应用J电焊机，2006，36（2）：38-412 韩丽梅中厚板304不锈钢激光-MIG复合焊工艺研究D沈阳：沈阳工业大学，20183 井志成，张国瑜，王子健，等高效激光-MAG复合焊接船用高强钢的性能J中国激光，2019（8）：1-74 刘亚伟，李兆霞，黄琼等垂直气电焊工艺在客滚船建造中的应用探索J金属加工（热加工），2022（12）：45-49.5 彭春涛激光-MAG复合热源焊焊接钢裂纹敏感性研究J金属加工（热加工），2020（3）：19-21.6 曹睿，朱万超，毛高军，等冷却速度对贝氏体焊缝金属硬度及冲击韧性的影响J焊接，2016（10），6-10202303057 李双，李锋，徐望辉，等焊接电流对TC4钛合金窄间隙TIG焊缝成形及组织的影响J热加工工艺，2017，46（23）：35-38.8 武鹏博，徐锴，黄瑞生，等薄壁钛合金T型接头摆动激光填丝焊组织与性能J/OL兵工学报：1-92023-02-19.http：/ 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