付和國，劉廣鑫，謝洪志，蔣文通，史吉鵬

1.沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司 遼寧沈陽 110034

2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室 遼寧沈陽 110850

1 序言

鈦合金因其具有密度低、斷裂韌度高，且在常溫與高溫環(huán)境中具有較好的靜載與動載性能，已經(jīng)成為航空航天器構(gòu)件制造中不可或缺的材料。相對于其他常用材料，因鈦合金的制造成本較高，所以在鈦合金零件制造時就要求盡可能做到不產(chǎn)生機械加工浪費[1，2]。鈦合金焊接技術(shù)作為一種有效的連接工藝，在減少加工浪費，降低成本方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。采用優(yōu)化的焊接參數(shù)對鈦合金進行焊接，可以制造出可靠性好、安全性高且外形復(fù)雜的航空航天器零件。然而，因為鈦合金熔點較高，所以也使得鈦合金構(gòu)件焊接時在高強度與低應(yīng)力集中等問題上面臨著挑戰(zhàn)[3-5]。

激光焊是利用激光熱將工件熔化形成連接的一種焊接方法，與傳統(tǒng)焊接工藝相比，激光焊具有能量密度高、加熱范圍小的特點，能夠準(zhǔn)確控制焊接熱量的分布，可獲得成形良好的焊接接頭[6-8]。然而決定接頭能否安全使用的主要是接頭的力學(xué)性能，因此，為了保證接頭的安全使用性能，對鈦合金激光焊接頭的組織與力學(xué)性能進行分析，有著重要的意義與價值。

2 試驗材料及方法

本試驗的材料是牌號為TC4的鈦合金，通過測試得到原材料的抗拉強度≥990MPa，其化學(xué)成分見表1，TC4鈦合金的顯微組織如圖1所示。從圖1中可以看出，TC4鈦合金的母材組織主要是由α+β相組成的等軸晶，且β相分布在α相晶界，同時還可以看出，由于母材為軋制而成的板材，所以部分α相沿軋制方向被拉長，形成固定的纖維方向，此時β相在室溫下僅有少量的存在，這也意味著它對強化的貢獻也較小。試驗中所采用的試件尺寸要按照可以加工出拉伸、剪切和彎曲三種試樣制作，其尺寸為200mm×100mm×1.5mm。試件的纖維方向沿試件長度方向，試驗時焊接沿100mm方向。因為焊接過程為非填絲激光焊，為了保證接頭不被氧化，從而引起接頭力學(xué)性能的下降，所以在焊接全過程均需對焊縫的正面高溫區(qū)以及背部焊縫的全長范圍進行惰性氣體保護，惰性氣體選用純度為99.99%的氬氣。焊接時焊縫正面高溫區(qū)采用保護托罩，氣體流量為30L/min，而背面焊縫采用開有通氣槽的通制墊塊，氣體流量為10L/min。焊接參數(shù)為激光功率1000W、離焦量－1mm、焊接速度120mm/min。焊接完成后，為了消除接頭下面的咬邊與凹坑等缺陷，增加一次修飾焊接，修飾焊接參數(shù)為激光功率1800W、離焦量20mm、焊接速度2000mm/min。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

圖1 TC4鈦合金的顯微組織

試驗選用的激光器為IPG公司YLS-4000-ECO型光纖激光器，最大輸出功率為4kW，激光頭安裝在六軸KUKA機器人第六軸處。激光通過柔性光纖傳遞到激光頭通過聚焦鏡片聚焦后，作用到待焊焊道處形成熔池實現(xiàn)焊接，焊接接頭的聚焦鏡片焦距為

300mm。

在試驗前需對試片氧化層進行打磨，修配至對接間隙≤0.1mm，而后進行酸洗除油。在焊接前2h內(nèi)對試件表面待焊焊道20mm范圍內(nèi)區(qū)域用酒精擦拭，去除試件表面灰塵等雜質(zhì)。焊接完成后，采用激光切割的方法在試件上截取拉伸、剪切、縱向彎曲與橫向彎曲試樣各5件，試樣的尺寸如圖2所示。在焊道上取20mm×20mm×1.5mm的金相試樣，金相組織觀察的腐蝕液為10%HF+30%HNO3+60%H2O，腐蝕時長為30s。

圖2 試樣的尺寸

3 試驗結(jié)果分析

3.1 焊接接頭微觀組織成因與分析

焊接試驗完成后，對接頭的組織進行觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，接頭的熔透焊狀態(tài)良好，沒有產(chǎn)生氣孔及明顯的咬邊缺陷，根據(jù)晶粒的形狀與尺度將接頭分為4個區(qū)域，其中A區(qū)為晶粒細小的母材區(qū)域，B區(qū)為熱影響區(qū)，C區(qū)為粗大的等軸晶，D區(qū)為粗大的垂直走向的柱狀晶。接頭4個區(qū)域的形成原因主要是受焊接過程中的熱循環(huán)影響。激光焊速度較快，焊道較窄，焊道寬度為1.5～2mm，而2mm以外的區(qū)域，幾乎不受焊接熱循環(huán)的影響，因此A區(qū)組織保留著原始母材的形貌；而焊接熱影響區(qū)受到高能量密度熱源熱循環(huán)的影響，該處的溫度遠高于鈦合金組織的相變溫度，因此B區(qū)的組織也發(fā)生了相變，平均寬度約為200μm；而C區(qū)為焊接熔化區(qū)域，該區(qū)域組織經(jīng)歷了先熔化后凝固的行為，在凝固過程中晶粒發(fā)生長大，形成了最終等軸晶形貌；最后D區(qū)經(jīng)過焊接與修飾焊接兩次熔化凝固，在修飾焊接時將焊接時的組織再次熔化。修飾焊接凝固時由于熔池處于接頭上層，而且修飾焊接熔池的底部與兩側(cè)均有固態(tài)組織，因此上熔池表層直接與外界接觸，且受到惰性氣體的作用，熱量在熔池上方的散熱量遠大于其他3面，晶粒在熔池上方散熱的影響下，沿垂直方向生長，最終形成了沿垂直方向粗大的柱狀晶。

圖3 TC4鈦合金焊縫接頭形貌

接頭的焊縫區(qū)微觀組織如圖4所示，從圖4可以看出，焊縫中包含有針狀馬氏體α′相與大片的α相以及少量的α+β相組成，且α′相數(shù)量較少，而尺寸較大。分析其原因主要是由于相對于熔合線處，焊縫中心的過冷度較小，α′馬氏體的形核動力不足，且熔池高溫停留時間較長，因此α′相對較大，β相長大也很明顯，在冷卻過程中形成了大片的α相。此外，在焊縫區(qū)域還看到了片層狀α+β相的魏氏組織。魏氏組織的界面能各向異性較大，因此其斷裂韌度、蠕變強度較好，而塑性較差。

圖4 焊縫區(qū)組織形貌

熱影響區(qū)不同區(qū)域微觀組織形貌如圖5所示，從微觀結(jié)構(gòu)上該區(qū)域可分為3個部分，一是近母材熱影響區(qū)E，二是近焊縫熱影響區(qū)G，三是中間熱影響區(qū)F。其中，靠近焊縫的熱影響區(qū)在焊接過程中經(jīng)歷了從980～995℃的β轉(zhuǎn)變過渡到1605℃的固相線溫度；而靠近母材的熱影響區(qū)經(jīng)受了溫度低于β轉(zhuǎn)變溫度，但該溫度仍可以影響該處微觀組織的結(jié)構(gòu)。

從圖5可以看出，焊縫區(qū)域附近的熱影響區(qū)主要由針狀的馬氏體α′和少量的針狀α以及初生α組成。而靠近母材的熱影響區(qū)組織由焊縫的纖維組織成分、少量α′和初生的α相以及晶間β相的混合物組成。熱影響區(qū)中α′的體積分?jǐn)?shù)隨著與熔合線距離的增加而降低。引起這種現(xiàn)象的主要原因是熱源離開作用區(qū)域后，熔池開始由邊緣向焊縫中心逐漸凝固，而在凝固進行過程中，熔池的溫度梯度逐漸縮小，晶粒加速結(jié)晶。此外，在焊縫凝固過程中，熔池中的雜質(zhì)匯聚到焊縫中心引起區(qū)域偏析，提升了熔池的過冷度。

圖5 熱影響區(qū)不同區(qū)域微觀組織形貌

3.2 力學(xué)性能分析

接頭力學(xué)性能測試數(shù)值見表2。對表2中各力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)求平均值，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，接頭的抗拉強度平均值為993MPa，與母材相當(dāng)，剪切強度平均值為716MPa，縱向彎曲角度均值為37°，而橫向彎曲角度平均值為35°。從測試結(jié)果可以看出，接頭的力學(xué)性能均可滿足其使用性能，接頭性能可靠。

表2 接頭力學(xué)性能測試數(shù)值

圖6 接頭力學(xué)性能平均值

3.3 工程化應(yīng)用

基于上述1.5mm厚TC4鈦合金激光焊接工藝試驗結(jié)果，對1.5mm厚鈦合金構(gòu)件進行焊接。仿照焊接試件的清理模式，在焊前2h內(nèi)用細砂紙對待焊構(gòu)件焊道周邊10mm范圍內(nèi)區(qū)域進行打磨，并用丙酮擦拭干凈，放在特制的焊接工裝夾具上進行焊接。焊接完成后，對接頭進行X射線檢測，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可看出，接頭內(nèi)部質(zhì)量良好，沒有產(chǎn)生裂紋與氣孔等缺陷，滿足產(chǎn)品的使用要求。

圖7 焊接接頭X射線檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

1）TC4鈦合金經(jīng)過激光焊+表面修飾焊接后接頭可以分為母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫底部等軸晶區(qū)以及焊縫頂部柱狀晶區(qū)。

2）接頭的微觀組織顯示，焊縫區(qū)存在魏氏組織，熱影響區(qū)中隨著距熔合線的距離增加，α′的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

3）接頭力學(xué)性能顯示，抗拉強度、剪切強度與母材相當(dāng)，最小彎曲角度達到35°，說明接頭可以實現(xiàn)工程化應(yīng)用。