激光焊接對(duì)TC6鈦合金組織及性能的影響

高 睿

（遼寧理工學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

TC6欽合金是在20世紀(jì)50年代以后逐漸發(fā)展起來的新型金屬材料，因其具有較強(qiáng)的抗腐蝕性以及耐高溫性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、化學(xué)工藝、船舶、海洋工程以及建筑行業(yè)。近幾年，我國(guó)飛機(jī)起落架焊接技術(shù)通常采用的都是真空電子束焊接、惰性氣體保護(hù)鎢極電弧焊接或是惰性氣體保護(hù)金屬極電弧焊接等[1]，這幾種焊接技術(shù)使起落架在應(yīng)用時(shí)容易出現(xiàn)咬邊、熔合不良、夾鎢、氣孔和夾渣等缺陷，為我國(guó)航空航天事業(yè)帶來消極影響。目前全球?qū)す夂附覶C6鈦合金的參考資料較少，本文通過高功率激光對(duì)TC6鈦合金進(jìn)行焊接處理，重點(diǎn)研究了激光焊接對(duì)TC6鈦合金焊接接頭的組織和性能影響，為激光焊接技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)原材料為29mm的TC6鈦合金屬棒，利用金相法側(cè)得原材料相變點(diǎn)為915℃。其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC6鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

激光焊接試驗(yàn)需要使用氦、氖、氮等惰性氣體保護(hù)熔池，防止實(shí)驗(yàn)原材料在焊接過程中發(fā)生氧化反應(yīng)。所選用的惰性保護(hù)氣體種類不同，激光焊接實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)也有可能不同，因此通常選用氦氣作為激光焊接實(shí)驗(yàn)的保護(hù)氣體。選取的激光焊接功率為：2.5～3.1KW。采用真空處理試樣，并用掃描電鏡對(duì)拉伸試樣斷口進(jìn)行組織觀察。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用激光焊接進(jìn)行TC6鈦合金接頭試樣焊接，保護(hù)氣體為99.99%純氦氣，壓力為0.5MPa。將TC6鈦合金屬棒分成ABC組。A組為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，B組的鈦合金屬棒激光焊接時(shí)，保持激光焊接功率為3.1kW以及脈沖持續(xù)時(shí)間2.9ms不變，激光焊接速度依次為0.55mm/min，1.21mm/min、1.75mm/min。C組的鈦合金屬棒激光焊接時(shí)，保持激光焊接速度1.75mm/min以及脈沖持續(xù)時(shí)間2.9ms不變，激光功率依次為2.5KW、2.8KW、3.1KW。TC6鈦合金屬棒在激光焊接前需要用丙酮超聲波清洗15min，接頭間的空隙不能大于0.24mm。在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)材料抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，利用加載速度為0.7mm/min的硬度計(jì)檢驗(yàn)激光焊接區(qū)域組織結(jié)構(gòu)，采用相顯微鏡觀察TC6鈦合金屬棒接頭的顯微組織[2]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 性能分析

2.1.1 激光速度V的影響

保持激光功率為3.1kW、脈沖持續(xù)時(shí)間2.9ms不變，改變激光焊接速度，測(cè)得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度及焊縫區(qū)伸長(zhǎng)量的平均值如表2所示。

表2 激光焊接速度對(duì)接頭性能的影響

V=0.55mm/min 314 0.71 V=1.21mm/min 131 0.43 V=1.75mm/min 428 0.92

在實(shí)驗(yàn)中，觀察焊接接頭斷口發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光速度為1.21mm/min時(shí)，有一例斷在母材中，其余實(shí)驗(yàn)材料都斷在熔池內(nèi)，激光速度為1.21mm/min時(shí)，TC6鈦合金焊接接頭中出現(xiàn)沒有被焊透現(xiàn)象。由表2可以總結(jié)出，激光焊接速度改變時(shí)對(duì)焊接接頭的性能有非常明顯的影響。當(dāng)激光焊接速度為1.21mm/min時(shí)，焊件沒有被完全焊透，致使接頭強(qiáng)度非常低，只有母材強(qiáng)度的1/4左右，塑性與母材相比，也只有母材的1/4。當(dāng)激光焊接速度為1.75mm/min時(shí)，焊件被完全焊透，接頭強(qiáng)度可達(dá)到母材的85%左右。而當(dāng)激光焊接速度為0.55mm/min時(shí)，接頭強(qiáng)度和塑性因激光穿透面積的變小開始逐漸降低。焊縫如果變窄，容易造成TC6鈦合金性能降低。因此激光焊接速度為1.75mm/min時(shí)，接頭強(qiáng)度較佳，達(dá)到428MPa。

2.1.2 激光功率P的影響

保持激光焊接速度為175mm/min不變，脈沖持續(xù)時(shí)間2.9ms不變，改變激光功率，測(cè)得接頭的抗拉強(qiáng)度及焊縫區(qū)伸長(zhǎng)量的平均值如表3所示。

表3 激光功率對(duì)接頭性能的影響

在實(shí)驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，激光功率P為2.5KW時(shí)，焊件中心沒有被完全焊透，激光功率P為2.8KW、3.1KW時(shí)，激光焊接傳出線的能量也在隨之增大，熔池溫度降低的過快導(dǎo)致被焊材料不能完全被焊住，并且在激光功率達(dá)到3.1KW時(shí)，TC6鈦合金屬就容易造成四處飛濺的狀況。通過表3中的數(shù)據(jù)可以總結(jié)出，激光功率P不斷增加就會(huì)使TC6鈦合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度呈不斷上升趨勢(shì)，功率P為3.1KW時(shí)，焊接接頭的塑性達(dá)到最高[3]。雖然激光功率P為3.1KW時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度比功率為P為2.8KW時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度要低一些，但是因?yàn)樗乃苄宰罡撸虼送ㄟ^綜合考慮，激光功率參數(shù)為3.1KW時(shí)，TC6鈦合金焊接接頭性能最好。

2.2 微觀組織分析

在激光功率P為3.1KW時(shí)觀察焊件拉伸斷口的外觀形狀以及微觀形態(tài)。通過觀察可以看到各個(gè)斷面并不是平整的，斷面有較明顯的韌窩，但是并沒有其他金屬雜質(zhì)以及細(xì)小的裂紋缺陷，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)開始隨激光功率的升高而明顯變窄。焊件的斷口可分為纖維區(qū)、放射區(qū)以及剪切唇，可以看出這三種斷口大部分都呈現(xiàn)韌性斷裂特征?？梢钥偨Y(jié)出導(dǎo)致TC6鈦合金組織結(jié)構(gòu)分散的原因就是焊接接頭區(qū)這些小氣孔的出現(xiàn)[4]。分析產(chǎn)生這樣缺陷的原因，極有可能是激光焊接時(shí)能量全部集中，導(dǎo)致能量密度升高，焊接接頭產(chǎn)生的熱量輕易就被周圍的金屬雜志以較快速度吸收，導(dǎo)致焊縫區(qū)溫度下降速度變快，從而形成了細(xì)小的針狀馬氏體組織結(jié)構(gòu)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由于激光速度和功率的改變都會(huì)導(dǎo)致TC6鈦合金組織與性能的改變，因此，在研究激光焊接對(duì)TC6鈦合金組織與性能的影響時(shí)要綜合考慮這兩個(gè)因素，以此得到最準(zhǔn)確的激光焊接工藝參數(shù)。為此可以引入激光功率密度這一概念。以Gv表示單位面積上的功率大小:

公式中Gv表示激光功率密度(kW/mm-2)，表示激光功率(kW)，v表示激光焊接速度。根據(jù)公式(1)對(duì)表2和表3的數(shù)據(jù)結(jié)論進(jìn)行計(jì)算，得出不同條件下的激光功率密度如表4所示。

表4 不同條件下的激光焊接功率密度Gv

由表4可以看出，隨著激光功率密度的增加，TC6鈦合金抗拉強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)，因此，激光功率密度可作為評(píng)價(jià)焊件接頭強(qiáng)度的一個(gè)綜合參數(shù)。通過公式(1)可以知道，對(duì)于增加激光功率密度，一方面可以通過提高激光焊接功率，使功率密度與功率成正比。另一方面還可以通過降低激光焊接速度，使功率密度與激光焊接速度平方成反比。因此，從理論上分析可知，降低激光焊接速度比增加激光焊接功率效果更好，因此激光焊接速度對(duì)TC6鈦合金強(qiáng)度的影響比激光焊接功率更加明顯。當(dāng)激光功率為3.1kW，焊接速度在0.55～1.75mm/min范圍變化時(shí)，隨著焊接速度的逐漸增加，TC6鈦合金焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)寬度慢慢變窄，合金的強(qiáng)度值增加明顯，抗拉強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)焊接速度為1.75mm/min時(shí)，激光功率在2.5～3.1kW范圍變化時(shí)，隨著激光功率的不斷增加，TC6鈦合金焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度開始變寬，合金強(qiáng)度值相對(duì)減少，同樣抗拉強(qiáng)度開始增加，當(dāng)激光功率為3.1kW、焊接速度為1.75m/min時(shí)，才完全顯現(xiàn)出TC6鈦合金的優(yōu)越性能。

3 結(jié)語(yǔ)

利用激光對(duì)TC60鈦合金焊接后，在焊縫的中心區(qū)域組織呈軸晶粒結(jié)構(gòu)，靠近中心區(qū)域的組織為條狀晶粒結(jié)構(gòu)，在整個(gè)焊縫的周邊區(qū)域組織為體型較大的圓狀晶粒結(jié)構(gòu)。目前TC6鈦合金應(yīng)用廣泛，與普通鈦合金相比，其具有高強(qiáng)度、抗腐蝕性、耐高溫、可塑性、沖擊韌性等優(yōu)點(diǎn)，最高承受溫度可達(dá)426℃。激光焊接技術(shù)可有效減少或消除TC6鈦合金材料硬化的缺陷，從而預(yù)防焊接口變形，提高鈦合金材料的流動(dòng)性、成形性[5]。激光焊接技術(shù)是決定TC6鈦合金組織和性能的主要因素，激光焊接功率的選取，要充分考慮鈦合金焊接口的熔合效果，有效減小變形抗力。

[1]曹棟,劉建強(qiáng),馮侖侖,等.3 GPa壓力熱處理對(duì)TC6鈦合金的硬度和抗壓強(qiáng)度的影響[J].金屬熱處理,2015,40(7):25-28.

[2]徐媛,向文麗,楊紅斌,等.TC6鈦合金兩種組織高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,38(2):277-281.

[3]趙軍,諶巖,文全興,等.高壓熱處理對(duì)TC6鈦合金α→β相變動(dòng)力學(xué)的影響[J].稀有金屬,2017,41(10):1087-1092.

[4]曹棟,賈昭,諶巖.深冷處理對(duì)TC6鈦合金高溫抗壓能力的影響[J].金屬熱處理,2017,42(2):160-162.

[5]王棟,陳歲元,魏明煒,等.激光3D打印用TC21鈦合金粉末制備及其成形性研究[J].熱加工工藝,2016(22):1-6.