1、序言

鈦及鈦合金具有質(zhì)量輕、高比強(qiáng)度、較好的耐海水腐蝕性能及無(wú)毒無(wú)磁性而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。鈦合金作為先進(jìn)海洋工程裝備的重要結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于海工裝備、軌道交通、船舶及航空航天等關(guān)鍵制造領(lǐng)域[1-3]。對(duì)于鈦合金厚板的焊接，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中TIG焊仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，但存在焊接效率低、焊接變形與殘余應(yīng)力大、夾鎢、晶粒粗大等缺陷。對(duì)于高能束焊（LBW和EBW）非常適合厚板焊接，具有能量密度高、穿透能力強(qiáng)以及焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，然而EBW受限于焊接結(jié)構(gòu)件的尺寸和真空環(huán)境成本較高等問(wèn)題，并未在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中普及；激光焊作為一種高效精密連接方法，在小功率焊接時(shí)熱輸入小、熱影響區(qū)狹窄、焊接效率高，同時(shí)焊絲的加入還可以對(duì)組織性能進(jìn)行冶金調(diào)控。

窄間隙激光填絲焊接技術(shù)具備激光焊和窄間隙焊共同的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有潛力的厚板焊接方法之一[4-6]。武鵬博等[7]采用多層多道焊工藝，通過(guò)Y形坡口焊接30mm厚的板材，并對(duì)坡口尺寸和工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。崔冰等[8]結(jié)合高速攝像和有限元模擬，從坡口設(shè)計(jì)和熔滴過(guò)渡行為分析了未熔合缺陷產(chǎn)生機(jī)理。方乃文[9]通過(guò)高速攝影研究了不同焊接速度和送絲速度的條件下窄間隙激光填絲焊接的熔滴過(guò)渡行為。徐楷昕等[10]指出，窄間隙激光焊接可以獲得低激光功率和小焊縫寬度的無(wú)缺陷接頭。對(duì)于鈦合金板厚大于20mm、間隙小于5mm的超窄間隙激光焊接技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道，對(duì)于接頭的組織與性能分析更是缺乏系統(tǒng)研究。

本文主要以45mm厚TC4合金為研究對(duì)象，開展超窄間隙激光填絲焊接技術(shù)研究。采用OM、SEM和TEM等方法對(duì)焊接接頭各區(qū)域的顯微組織進(jìn)行表征，分析接頭各區(qū)域的顯微硬度分布情況，從而進(jìn)一步揭示組織與顯微硬度之間的聯(lián)系。

2、試驗(yàn)材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為退火態(tài)（M）海洋用TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金板和φ1.2mm的TC3（Ti-5Al-4V）焊絲，實(shí)測(cè)化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2，板材尺寸為45mm×200mm×400mm。焊接前需要對(duì)試板進(jìn)行嚴(yán)格的清理，然后用丙酮對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行擦拭，以去除表面的油污和氧化物，為后續(xù)的焊接提供清潔的焊接表面。

表 1 TC4 合金和 TC3 焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

牌號(hào)	Ti	C	O	H	N	Al	V	Fe
TC4	余量	0.024	0.14	0.001	0.007	6.30	4.11	0.018
TC3	余量	0.034	0.18	0.002	0.006	6.08	3.88	0.14

表 2 TC4 板材的力學(xué)性能

指標(biāo)	厚度 /mm	屈服強(qiáng)度 Rp0.2/MPa	抗拉強(qiáng)度 Rm/MPa	斷后伸長(zhǎng)率 A (%)
實(shí)測(cè)值	10	835	925	12
標(biāo)準(zhǔn)值	10	830	895	8

如圖1所示，TC4合金母材為典型的α+β型雙相鈦合金，組織分布比較均勻，α相為基體整體呈現(xiàn)等軸和拉長(zhǎng)狀態(tài)，β相均勻分布在α相晶界周圍，通過(guò)SEM進(jìn)一步觀察，α相周圍彌散分布著片層狀β相，在β相中間又分布著細(xì)小的塊狀α相。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用IPG公司生產(chǎn)的YLS-20000光纖激光器和D50激光頭，由KUKA機(jī)器人控制運(yùn)動(dòng)軌跡完成焊接操作。窄間隙試驗(yàn)用坡口設(shè)計(jì)根部間隙3.2mm，鈍邊4mm，單側(cè)坡口角度為2°，如圖2所示。采用激光填絲焊接方式進(jìn)行焊縫填充，焊接參數(shù)見(jiàn)表3，使用激光自熔焊進(jìn)行打底，通過(guò)單道填充26層完成焊接，激光束采用圓形擺動(dòng)模式，層間溫度控制在（200±20）℃之間；采用自制拖罩后置進(jìn)行送氣保護(hù)，保護(hù)氣體為99.99%的高純度氬氣，氣流量為25～40L/min，由3路保護(hù)氣同時(shí)進(jìn)行焊縫保護(hù)，施焊前20s通氣，施焊滯后20s停氣，以保證焊縫高慮�域哉O淙垂�程乳嗆得到稒稍气体保护��

表 3 焊接參數(shù)

焊接工藝	激光功率 /kW	焊接速度 /(m/min)	送絲速度 /(m/min)	擺動(dòng)模式	擺動(dòng)頻率 / Hz	擺動(dòng)幅度 /mm
打底焊	5000	1	/	圓形擺動(dòng)	200	2.0
填充焊	3000	0.75	1.5	圓形擺動(dòng)	200	2.0
蓋面焊	3000	0.60	0.60	圓形擺動(dòng)	200	2.5

焊接完成后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行射線探傷和超聲檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)部無(wú)氣孔、未熔合，焊縫表面無(wú)裂紋等缺陷，滿足NB/T47013《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》I級(jí)合格要求。隨后利用線切割在垂直于焊縫方向上截取10mm×40mm×45mm的試樣，隨后進(jìn)行金相研磨、拋光，并用腐蝕劑對(duì)表面進(jìn)行腐蝕。使用OLYMPUSGX71金相顯微鏡、Quanta650FEG掃描電鏡和JEM-2100透射電鏡對(duì)接頭的微觀組織進(jìn)行觀察；顯微硬度測(cè)試根據(jù)GB/T4340.1—2024《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在VMH-I04顯微硬度計(jì)上對(duì)接頭進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，兩測(cè)試點(diǎn)間隔為0.5mm，加載載荷為0.2kg，持續(xù)時(shí)間為15s。測(cè)量位置分別位于接頭厚度的1/4和1/2處，即分別位于距離焊接上表面12mm和23mm處。

3、試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1焊接接頭的宏觀形貌

45mm厚TC4合金超窄間隙激光填絲焊接頭外觀照片如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，焊接接頭冶金結(jié)合良好，射線和超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)無(wú)氣孔、裂紋及側(cè)壁未熔合等缺陷，滿足NB/T47013《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》I級(jí)合格。焊縫正反面成形連續(xù)均勻，表面呈現(xiàn)銀白色，整個(gè)焊接接頭變形較小。

圖4為45mm厚TC4鈦合金超窄間隙激光填絲焊接頭的整體形貌，根據(jù)橫截面形貌特征可以分為蓋面層（Coverlayer）、填充層（Filledlayer）和打底層（Backlayer），頂部焊縫寬度約為6.35mm，焊縫為典型的鑄態(tài)組織，焊縫的凝固方式呈柱狀晶生長(zhǎng)，由柱狀晶和少量等軸晶組成。熔池凝固過(guò)程中，柱狀晶在熔合線處與母材未熔化的晶粒聯(lián)生結(jié)晶，在溫度梯度的作用下，沿著焊接方向，朝焊縫中心生長(zhǎng)呈對(duì)稱分布。在焊縫中心，由于各個(gè)方向的散熱條件類似，各個(gè)方向的溫度梯度基本相同，焊縫中心有少量等軸晶生成，但由于焊縫處于過(guò)熱狀態(tài)，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，焊縫等軸晶尺寸明顯大于母材等軸晶。

另外采用多層多道焊，在層與層之間發(fā)現(xiàn)了明顯的層狀條紋，這與后續(xù)的填充層對(duì)前道填充金屬多次熱循環(huán)作用造成的，后一層焊縫的晶粒也可以與前一層已凝固焊縫的晶粒形成聯(lián)生結(jié)晶，最后形成貫穿上下兩層焊縫的柱狀晶。蓋面焊時(shí)，焊縫表面與外界接觸，熱量散失快，因此形成焊縫表面伸向焊縫內(nèi)部的粗大柱狀晶。

3.2焊接接頭的顯微組織

激光打底焊道成形良好，由于是激光自熔焊接，焊縫寬度較窄，大約為2mm，如圖4所示。其中焊縫晶粒趨向于等軸晶，如圖5a所示，這可能與后道焊縫填充加熱有關(guān)。晶粒內(nèi)部為針狀組織，如圖5b所示。熱影響區(qū)為聯(lián)生結(jié)晶形成的柱狀晶，如圖5c所示，晶粒尺寸較大。如圖5d所示，晶粒內(nèi)部為層片狀組織，相比于母材，尺寸有所長(zhǎng)大，主要是母材組織受熱長(zhǎng)大所致。

填充焊道成形良好，其中焊縫晶粒為粗大的柱狀晶，如圖6a所示，這與填充焊絲加熱溫度高以及激光焊接能量密度集中有關(guān)。晶粒內(nèi)部為交錯(cuò)的針狀α´組織，如圖6b所示。熱影響區(qū)為聯(lián)生結(jié)晶形成的柱狀晶，如圖6c所示，晶粒尺寸相比于打底焊道有較為明顯的減小。晶粒內(nèi)部為層片狀魏氏組織，如圖6d所示，但是相比與激光自熔焊道，相形貌更為細(xì)小，組織長(zhǎng)大的程度較低。

激光自熔焊道接頭組織透射觀測(cè)結(jié)果，如圖7所示。激光自熔焊道焊縫為相互交織的細(xì)小針狀馬氏體α´組織，如圖7a所示，高倍組織觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)針狀組織寬度為0.5μm左右，大部分長(zhǎng)徑比大于10，如圖7b所示，主要為針狀α´相，且存在一定量的α相。熱影響區(qū)為粗大的層片狀組織，寬度為2～5μm，如圖7c所示，組織內(nèi)部可以觀測(cè)到大量的位錯(cuò)纏結(jié)或塞積，如圖7d所示。

填充層接頭組織透射TEM觀測(cè)結(jié)果，如圖8所示。在中等冷卻速度下，焊縫組織并不均勻，純填充焊道焊縫層片狀組織具有較大的長(zhǎng)徑比，片層組織寬度在1μm左右，長(zhǎng)徑比大多數(shù)大于5，如圖8a所示。受后道焊道破碎作用的影響相尺寸較為細(xì)小，片層組織寬度為0.5μm左右，長(zhǎng)度3～6μm，長(zhǎng)徑比基本在5以內(nèi)，相互交錯(cuò)分布。在組織內(nèi)部可以看到一定數(shù)量的位錯(cuò)存在，如圖8b所示。熱影響區(qū)為粗大的層片狀組織，寬度為2～5μm，如圖8c所示，基本和母材相當(dāng)，組織內(nèi)部可以觀察到大量的細(xì)小位錯(cuò)塞積，焊接熱應(yīng)力對(duì)組織造成了一定的影響，如圖8d所示。

3.3焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試

焊接接頭1/4和1/2區(qū)域顯微硬度分布如圖8所示，從左至右依次為母材、熱影響區(qū)、焊縫、熱影響區(qū)和母材區(qū)，由圖可見(jiàn)，顯微硬度的分布趨勢(shì)基本相同，最高硬度值出現(xiàn)在熱影響區(qū)附近，其值為340～350HV0.2；母材最低，其值為280～300HV0.2，這是由于熱影響區(qū)中含有大量的針狀α´馬氏體，Al元素和馬氏體形成了固溶強(qiáng)化，與位錯(cuò)發(fā)生了強(qiáng)烈的相互作用，使得位錯(cuò)相互纏結(jié)，難以發(fā)生運(yùn)動(dòng)。激光自熔焊縫顯微硬度高于填充焊縫，這是由于母材中含有較多的β相，而鈦合金各相的硬度排列順序?yàn)?alpha;´＞α＞β[11]相。激光自熔焊道合金成分略高于焊絲成分，對(duì)于顯微硬度提升具有一定的促進(jìn)作用，同時(shí)自熔焊道為打底焊縫，自身冷卻速度又快，導(dǎo)致熔池中過(guò)飽和固溶體來(lái)不及析出合金元素，通過(guò)切邊相變完成組織轉(zhuǎn)變，從而形成顯微硬度較高的α´相。而填充焊道一方面焊絲中合金元素略低于母材，降低了熔池中β相形成過(guò)飽和固溶體的程度，同時(shí)焊接過(guò)程中的冷卻速度相比于打底焊道有所降低，降低了組織轉(zhuǎn)變所需的過(guò)冷度，從而影響了切變相變的程度，使得焊縫中α數(shù)量增大，顯微硬度有所降低。

4、結(jié)束語(yǔ)

1）針對(duì)45mm后厚TC4合金基于窄間隙開展激光填絲焊接可以獲得成形良好、內(nèi)部質(zhì)量滿足要求的焊接接頭。

2）打底焊道，焊縫為粗大的等軸晶，晶內(nèi)為網(wǎng)籃編制的針狀α；熱影響區(qū)粗晶區(qū)為聯(lián)生結(jié)晶的柱狀晶，晶內(nèi)針狀α更為細(xì)小；熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)晶粒相比于母材略有長(zhǎng)大，α尺寸和母材相當(dāng)。填充焊道，焊縫為相互交織的層片狀α，熱影響區(qū)粗晶區(qū)為細(xì)小的等軸晶，晶內(nèi)α片層長(zhǎng)大顯著；熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)α尺寸相比母材增大明顯，相界模糊。

3）自熔焊道和填充焊道接頭顯微硬度分布趨勢(shì)一致，均為熱影響區(qū)最高，母材最低，焊縫居中。熱影響區(qū)顯微硬度達(dá)到350～350HV0.2，母材顯微硬度達(dá)到280～300HV0.2，其中自熔焊縫顯微硬度高于填充焊縫。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助（2021YFB3700700）。

（注，原文標(biāo)題：45mm厚TC4鈦合金激光窄間隙填絲焊接接頭組織和力學(xué)性能分析）

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tag標(biāo)簽:TC4鈦合金,45mm厚板,超窄間隙激光填絲焊

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