發布日期：2023-9-11 22:37:07
序言
鈦及鈦合金因具有強度高、抗蝕性好、低溫性能好及焊接性優異等多項優點，廣泛地應用于航天、汽車、化學工業等領域中，因此對鈦合金焊接的相關研究也十分廣泛[1]。而由于鈦及鈦合金在高溫下具有較高活性，氣氛的侵入會造成許多問題，焊接過程中對焊縫及熔池的保護尤為重要[2-3]。
目前對于中厚板TC4鈦合金常采用TIG、電子束等焊接方法[4]，其中TIG焊接過程中由于受到保護氣氛和純度等因素的限制，常帶來氫、氧或氮含量增加，使焊后焊縫區氧化或產生氣孔及裂紋，造成焊接接頭的力學性能大大下降的現象。而且TIG焊焊接厚板通常采用多層焊，因此存在焊接速度慢，殘余應力大，焊縫組織粗大，焊縫夾鎢等缺陷[5-6]。 而電子束焊受限于真空室尺寸，難以實現大厚件焊接，而且焊接過程需要高真空，影響焊接效率[7]。
激光焊接作為一種發展逐漸成熟的高能束焊接方式，其能量密度高、加熱集中、焊接速度快、焊縫成形好、焊件變形小、易實現自動化生產，在鈦合金厚板焊接領域的應用也逐漸增多[8]。但常規激光焊接過程中也有羽輝等問題存在，對入射激光產生折射、散射、吸收等影響，影響了焊接過程的穩定性，造成熔池波動，飛濺等問題[9]。對鈦合金焊接問題尤其明顯，鈦合金激光焊接非常易產生表面氧化、咬邊、氣孔和裂紋問題[10]。
上個世紀80年代，大阪大學提出了真空激光焊接的方法[11]，真空可以抑制羽輝，提高激光能量利用率，增加焊縫熔深。增強焊接過程的穩定性，改善焊縫成形，減少工藝氣孔等缺陷。并且能提升焊縫的保護效果。而且真空激光焊接對真空度要求低，而且能夠實現局部負壓焊接，一定程度上擺脫了真空度和真空倉對焊接過程的限制。
文中以20mm厚TC4鈦合金為研究對象，進行大氣和真空環境下的激光焊接，系統研究了不同焊接環境下焊縫的形貌、微觀組織及力學性能的差異，對TC4鈦合金真空激光焊接的特性進行較完整的分析，為真空激光焊接在工業上的應用提供參考。
1、試驗方法
1.1試驗材料
試驗選擇尺寸為200mm×200mm×20mm的TC4鈦合金軋制板材。TC4鈦合金的組成為Ti-6Al-4V，屬于α+β型雙態鈦合金，其母材組織既存在等軸初生α組織(圖1中白色部分)，又存在片狀α+β組織(圖1中黑色部分)，具有良好的綜合力學性能。TC4的微觀組織如圖1所示，其主要化學成分及力學性能見表1。
1.2試驗方法
焊接方法為平板堆焊，激光入射角度始終保持10°。大氣和真空環境下整體試驗裝置如圖2、圖3所示。試驗所用激光器為IPG公司生產的YLS-30000光纖激光器，具有輸出功率高、工作波長范圍廣以及使用壽命長等優點，最大輸出功率30kW，聚焦光斑直徑600μm。試驗所用機器人為高柔性KR-2型KUKA機器人，所用激光頭為HIGHYAG激光頭。
試驗所用真空裝置的最低真空度為6。6×10−4Pa。可以通過獨立的電氣控制系統設置焊接速度。真空艙的行走機構有一個自由度，行程可超過250mm。真空艙前后有觀察口，上方也有保護鏡片。相關研究表明[8]，真空度對焊接特性的影響存在臨界值10Pa，當超過該臨界值時，焊接特性改變不大，故而采用10Pa的真空環境對鈦合金進行試驗。
2、試驗結果與分析
2.1大氣環境焊接、真空環境激光焊接焊縫成形比較
焊縫的表面成形是焊縫成形最直觀的反映。在焊接速度v=1m/min、離焦量f=−6mm時，不同功率下TC4鈦合金板在大氣和真空環境下單激光堆焊焊縫表面成形分別如表2、表3所示。
觀察在大氣環境下激光焊接TC4厚板的焊縫表面，可以發現功率在5kW以下焊接焊縫表面光亮且具有金屬光澤，焊縫成形良好；在7~10kW功率下焊接的焊縫表面光潔度降低，焊接過程中開始出現比較大的飛濺，焊縫表面部分呈現藍紫色，出現了焊縫氧化。分析其原因是因為激光功率在5kW以下時，羽輝尺寸較小，熔池波動也較小，激光、羽輝、母材之間的能量耦合穩定，匙孔大小和熔池流動也比較穩定，所以焊縫成形比較均勻。隨著激光功率的增加，羽輝尺寸增大，波動更加劇烈，造成熔池波動劇烈，產生飛濺，影響保護氣保護效果，卷入外部氣體，造成焊縫氧化[12]。
當環境壓力為10Pa時，由于真空環境激光焊接特性[12]，焊縫熔深顯著增加，因此試驗最大功率限制在10kW以內。此時焊縫表面成形有著一定的改善，焊縫表面起伏減小，焊縫變得均勻，飛濺減少。并且由于真空環境下無氣體對焊接過程的干擾，焊縫表面光亮且具有金屬光澤，這說明真空環境對焊縫實現了良好的焊接保護。從表面成形看獲得了一般激光焊接無法獲得的表面成形良好的焊縫。而且焊縫在8kW功率下實現穩定的全熔透，繼續增加功率到10kW時，焊縫背面依然沒有嚴重的下塌，焊接工藝窗口比較寬。
2.2大氣環境焊接、真空環境激光焊接焊縫宏觀形貌比較
將大氣和真空環境下焊接的焊縫進行處理，得到焊縫的宏觀形貌，分別如圖4、圖5所示，對焊縫的熔深、熔寬進行測量，繪制圖6、圖7。
觀察圖4發現在大氣環境下，激光功率的增加導致能量密度與熱輸入的增加，焊縫熔深有明顯的增加，同時由于羽輝對激光的散射作用，焊縫熔寬也大幅度增加，并且隨著焊接功率的提高，熔深增加的速度不斷減慢。其原因是隨著激光功率增加，熔池溫度升高，材料氣化增多，羽輝尺寸增大，其對激光能量的吸收增多，使到達材料表面能量增加幅度減慢，熔深增加幅度減慢[13]。
在真空環境下，隨激光功率的增加，焊縫熔深增加顯著而熔寬變化不明顯，與大氣環境下變化規律并不相同。分析其原因是因為真空環境下，對羽輝有較大的抑制作用，其電子密度、電子溫度與體積均減小，一方面，羽輝對激光的吸收系數減小，吸收率降低，這樣可減少羽輝對激光的阻礙作用，提高了能量的利用率[14]。另一方面，產生的羽輝也并濃度差異較大，產生了負透鏡效應，在真空環境下對羽輝體積的抑制使得負透鏡效應減弱，羽輝對入射激光的屏蔽作用也減弱，激光作用的區域減小，能量集中，最后熔深增加的同時熔寬變化不大[15]。
2.3大氣環境焊接、真空環境激光焊接焊縫微觀組織比較
大氣環境和真空環境焊縫熔深差異大，說明焊縫內部獲得激光能量不同，必然導致組織上的差異，對7kW下大氣和真空環境焊縫組織進行觀察，觀察得到的大氣、真空環境焊接焊縫組織分別如圖8、圖9所示。
TC4鈦合金在激光焊接升溫過程中發生β相變，β晶粒迅速長大粗化，由于焊縫冷卻較快，在快速冷卻的過程中，高溫下的β相不能轉變為原來α相，而是轉變為與原α相晶體結構相同的α′馬氏體。在TC4合金成分中β穩定元素濃度較低，在相變過程中將發生β→α′馬氏體的轉變，形成α′馬氏體組織。
大氣環境焊接焊縫呈“丁”字形，熱影響區寬度大，焊縫內能觀察到熔池冷卻形成的β柱狀晶和α′針狀馬氏體，熱影響區從母材到焊縫晶粒逐漸增大，并開始逐漸出現α′針狀馬氏體。真空環境下焊接焊縫呈“手指”形，熱影響區寬度與大氣環境焊接焊縫相比寬度明顯降低，焊縫內同樣可以觀察到β柱狀晶和α′針狀馬氏體，焊縫組織與大氣環境焊接焊縫組織差距不大。熱影響區寬度與大氣環境焊縫相比明顯減小，從母材到焊縫晶粒逐漸增大。
2.4大氣環境焊接、真空環境激光焊接焊縫硬度測試
對焊縫進行硬度分析，用HVS-1000Z型顯微硬度計對焊縫、熱影響區和母材進行顯微硬度測試，設備操作參數：載荷0。2kg，加載時間10s。分別對大氣(等距0。5mm)、真空環境(等距0。25mm)焊接焊縫進行熔寬方向的顯微硬度測試，測試位置及結果分別如圖10、圖11所示。
通過觀察圖10和圖11可以看出，無論是在大氣環境還是在真空環境下，整個焊縫的硬度規律是相同的。焊縫顯微硬度呈馬鞍形分布，焊縫處于高硬度區，為馬氏體組織淬硬組織的聚集區域，如圖8、圖9所示，焊縫區組織為α′針狀馬氏體。從熔合線、熱影響區至母材顯微硬度逐漸降低。熱影響區靠近熔合線位置顯微硬度最髙，主要是由于該區域溫度梯度髙、冷卻速度快、淬硬傾向大，既存在α′針狀馬氏體，又因為沒有發生重熔，存在等軸晶粒。如圖8b、圖8c和圖9b所示。
大氣焊縫上部硬度略高于下部焊縫硬度，分析其原因是因為焊縫上部接觸外部氣體，散熱條件更好，冷卻速度更快，形成的馬氏體更加密集，硬度更高。而真空環境焊縫因為無外部氣體干擾，硬度值在深度方向區別不大。
對大氣(等距0。5mm)、真空環境(等距0。5mm)焊接焊縫進行熔深方向的顯微硬度測試，測試位置及結果如圖12所示。隨著距焊縫頂端距離的增加，大氣焊縫硬度略有降低，真空環境焊縫硬度比較均勻。大氣環境焊縫平均硬度約為390HV，高于真空環境焊縫平均顯微硬度360HV。分析其原因是大氣環境下焊縫冷卻速度更快，形成的針狀馬氏體更加密集，提高了焊縫硬度。
2.5焊縫拉伸強度測試
為了評價焊接接頭基本力學性能，選取激光功率7kW的真空環境與大氣環境焊縫進行拉伸試驗，為了保證試驗結果的可靠性，從上至下切取3個試件，真空環境試件為編號1，2，3，大氣環境試件編號為4，5，6，然后利用掃描電鏡對斷口進行SEM分析，確定其斷裂機制。拉伸試驗試件尺寸如圖13所示，斷裂位置如圖14所示，對拉伸試驗提取結果繪制了如圖15所示的抗拉強度條形圖，拉伸斷口如圖16所示。
對大氣與真空環境焊接焊縫進行抗拉強度測試，發現拉伸試件全部斷裂于母材部位，說明焊縫的強度良好且高于母材，試件的抗拉強度為960~980MPa。觀察拉伸曲線發現，拉伸試件發生彈性變形后進入屈服，但不存在明顯的屈服臺階，直接進入塑性變形階段并最終斷裂。
對焊縫斷口進行分析，斷口形貌為呈網絡狀分布的韌窩，其形態細小，均勻，且凹坑較深。韌窩的形成分為空洞、形核、生長、集聚和斷裂4個過程。在受較小作用力的時候，第二相粒子會阻礙位錯的移動，當外力繼續增大，位錯開始出現滑移，接著第二相粒子與晶粒分離直至產生裂紋撕裂，形成空洞，導致裂紋的擴展。這些空洞在滑移和撕裂的作用下最終發生斷裂，形成凹坑形狀。觀察發現，斷口上有大量細小的呈網狀分布的韌窩，韌窩較為密集。因此，推斷該焊接接頭拉伸試樣的斷口為韌性斷口。
2.6真空環境對焊縫質量影響原因分析
激光焊接屬于熔焊方法，熔焊都是在焊接熱源的作用下完成的，激光束就是激光焊接的熱源，不同工藝參數下激光能量在焊縫各區域的分布發生改變，導致整個焊縫各區域焊接熱循環的改變，使得整個焊縫組織發生改變。真空環境激光焊接與常規激光焊接相比，焊接熱循環的改變的影響因素主要有兩方面，一方面是等離子體被抑制對激光能量的影響，一方面是環境壓力改變對散熱條件的影響。
在常規激光深熔焊過程中，激光束照射在焊接材料表面，使焊接材料在短時間內發生劇烈的氣化現象，形成匙孔。匙孔會向外噴出大量的金屬蒸氣，這些金屬蒸氣中的金屬氣體原子以及保護氣中的氣體分子會在激光的高能量作用下發生電離，形成一團致密的光致等離子體。等離子體對激光發生折射、散射、吸收作用，使激光束的能量密度降低。真空環境可以抑制焊接過程中的等離子體，減少因為等離子體折射、散射以及吸收造成的激光能量損耗，提高焊接過程熱輸入，進而增加焊縫熔深。真空度改變會導致工件散熱條件改變[15]。在大氣環境下，保護氣的流動會加快焊縫頂部對流換熱，冷卻速度較快。在真空環境下，由于真空度的提高，氣體分子減少，對流換熱的載體減少，散熱效率也就會下降。氣體分子在真空艙內壁與試板之間進行對流換熱，當真空度提高時，對流換熱效率將逐漸降低直至接近為0，散熱大部分靠熱輻射與熱傳導進行，試件的整體散熱速度下降，焊縫冷卻速度下降，使得焊縫組織轉變，具體原理圖如圖17所示。
3、結論
(1)真空環境可明顯改善TC4鈦合金激光焊接工藝特性，相較于大氣環境，焊縫由“丁字”形變為“手指”形，焊縫熔深顯著增加，焊縫表面成形明顯改善。
(2)真空環境焊縫組織與大氣環境焊縫組織種類差異不大，均為α′針狀馬氏體。大氣環境焊縫熱影響區寬度大，存在更多α′針狀馬氏體。真空環境下熱影響區寬度明顯減小，從母材到焊縫晶粒逐漸長大，存在更多的α′針狀馬氏體。
(3)無論是在大氣環境還是在真空環境下，整個焊縫的硬度趨勢類似。焊縫顯微硬度呈馬鞍形分布，焊縫處于高硬度區，大氣環境焊縫平均硬度約為390HV，高于真空環境焊縫平均顯微硬度360HV。對焊縫進行抗拉強度測試，不同環境下焊縫的拉伸試件全部斷裂于母材部位，試件的抗拉強度為960~980MPa。
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第一作者：孟圣昊，博士研究生；主要研究方向為激光焊接技術； Email：mengshenghao2011@163.com.