光束擺動對Ti60 合金激光焊能量分布及焊縫成形的影響

魯弈廷，蘆偉，王彬，馬旭頤，陳瑋

(中國航空制造技術(shù)研究院 高能束流加工技術(shù)重點實驗室,北京,100024)

0 序言

Ti60 合金是一種近α 型高溫鈦合金，在600 ℃高溫具有優(yōu)良的熱強性能、良好的蠕變抗力以及較好的熱穩(wěn)定性[1]，成為高超音速飛行器、尾噴管以及航空發(fā)動機葉片、葉盤等高溫構(gòu)件制造的重要選材[2].激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接變形小、無需真空、柔性高、熱影響區(qū)小等特點，已廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的整體化制造.

由于高溫鈦合金所含合金元素多，焊接過程中熔池反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致焊縫易產(chǎn)生氣孔、飛濺與咬邊等成形缺陷[3].激光擺動焊接是隨光束成形技術(shù)的發(fā)展而提出的新技術(shù)，可通過小范圍光束擺動方式進行焊接，提高焊接過程穩(wěn)定性，改善焊縫成形、減少飛濺、細化晶粒、提升結(jié)構(gòu)對接間隙適應(yīng)性，為金屬結(jié)構(gòu)高質(zhì)量焊接提供一種新的技術(shù)途徑[4-8].

近年來，對于激光擺動焊接方面的研究主要針對鋁合金和鋼材[9-12].Wang 等人[13]研究發(fā)現(xiàn)光束擺動降低了5A06 鋁合金焊接過程溫度梯度，對熔池產(chǎn)生了攪動作用，進而減少元素偏析.Fetzer 等人[14]發(fā)現(xiàn)激光擺動焊接可明顯改善AlMgSi 合金非熔透焊接接頭焊縫成形質(zhì)量，減少氣孔率.Wang 等人[15]等分析了光束擺動對AA6061-T6 鋁合金焊縫特性的影響，發(fā)現(xiàn)圓形光束擺動模式有助于改善焊縫表面成形、促進等軸晶生成，并提高斷后伸長率.Thiel 等人[16]發(fā)現(xiàn)光束擺動對焊縫成形的影響與激光能量分布相關(guān)，光束擺動使能量的分布模式改變，熔池流動和焊縫凝固特性隨之發(fā)生改變，因此對焊縫成形特征以及接頭質(zhì)量產(chǎn)生影響.

針對鈦合金激光擺動焊接的研究報道較少，李坤等人[17]發(fā)現(xiàn)光束擺動增加了小孔穩(wěn)定性，對抑制TC4 合金小孔型氣孔具有顯著作用；Long 等人[18]發(fā)現(xiàn)光束擺動可以消除厚板TC4 窄間隙對接接頭的熔合不良缺陷.然而，目前有關(guān)Ti60 合金激光焊接的研究報道尚不多見，關(guān)于光束擺動參數(shù)對該合金焊縫成形與能量分布的影響規(guī)律尚不清楚.本研究通過對Ti60 合金開展激光擺動焊接工藝試驗，分析擺動焊接工藝參數(shù)對焊縫成形特性及表面能量分布的影響，探索提高Ti60 合金焊縫成形質(zhì)量的工藝方法與機理，為該合金在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 試驗方法

試驗所用材料為Ti60 合金，其成分如表1 所示.試板尺寸選用為2 mm (ND)×30 mm (RD) ×120 mm (TD).激光焊接之前采用機械打磨和化學(xué)清洗兩種方法對待焊試板進行表面處理.激光光源選擇RFL-6000 光纖激光器，最大輸出功率6 kW、波長1.08 μm；激光頭選擇 IPG D50 擺動激光頭，可實現(xiàn)最大擺動幅值和擺動頻率分別為9.0 mm和500 Hz，準直鏡和聚焦鏡焦距分別為200 mm 和300 mm，激光光斑直徑為450 μm.焊接方向垂直于試板軋制方向，試驗平臺如圖1 所示.

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system.(a) schematic diagram of the laser welding device;(b) schematic diagram of swing mode and path

表1 Ti60 合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of Ti60 titanium alloy

焊接試驗中固定激光焊接參數(shù)和擺動軌跡，重點考察擺動幅值和擺動頻率對焊縫成形及能量分布的影響.根據(jù)前期工藝試驗，擺動軌跡選擇圓形，擺動頻率選取范圍 10～ 250 Hz，擺動幅值選取范圍0.1～ 2.5 mm.

焊縫表面形貌和橫截面形貌是最直觀表現(xiàn)焊接工藝穩(wěn)定性和成形質(zhì)量的評判標準之一.焊接完成后利用OLYMPUS BX51M 型光學(xué)顯微鏡觀察焊縫表面宏觀形貌與焊接接頭橫截面形貌.采用Image J 軟件對熔寬和飛濺量進行測試分析.采用Wobble calculator 計算軟件對不同擺動工藝參數(shù)下激光能量密度分布進行計算.

2 結(jié)果與分析

2.1 光束擺動對焊縫表面成形的影響

激光焊接過程中，熔池流動越穩(wěn)定，焊縫表面越平整，魚鱗紋越致密，夾角變化小，焊縫成形質(zhì)量越高[19].

對比分析常規(guī)激光焊接與典型激光擺動焊接三維表面形貌(如圖2)，可以看出相較常規(guī)激光焊接頭，激光擺動焊接頭的焊縫表面更平整，成形更為均勻；從焊縫邊緣到焊縫中心的高度變化平滑，焊縫余高減少了約10%；魚鱗紋也較平緩，魚鱗紋夾角增加了約30%.

圖2 焊縫表面形貌Fig.2 Weld surface topography.(a) conventional laser welding;(b) laser wobble welding

圖3 為光束擺動參數(shù)對Ti60 合金激光擺動焊縫表面形貌的影響.從圖中可以看出，擺動頻率為50～ 150 Hz，擺動幅值為0.5～ 1.5 mm 時，焊縫表面平整連續(xù)，成形均勻，魚鱗紋致密；增大擺動頻率或擺動幅值，有利于改善焊縫表面成形.擺動幅值過低時(0.1 mm)，激光擺動焊縫與常規(guī)焊縫無顯著差異；擺動幅值過高(≥1.5 mm)時，焊縫表面出現(xiàn)明顯波動，焊縫成形極不均勻.擺動頻率過低(10 Hz)時焊縫存在焊道不平直，表面魚鱗紋不連續(xù)等問題；擺動頻率過高(≥200 Hz)時，焊縫中間部位突起，兩側(cè)下凹.

圖3 光束擺動參數(shù)對焊縫表面形貌的影響Fig.3 Effect of laser wobble parameters on weld surface topography.(a) effect of laser wobble amplitude on weld surface topography (wobble frequency 100 Hz);(b) effect of laser wobble frequency on weld surface topography(wobble amplitude 1.0 mm)

焊接工藝的穩(wěn)定性通常也可以用飛濺的大小和數(shù)量進行表征.圖4 為激光焊接Ti60 合金背面焊縫典型特征，可以觀察到，距焊縫中心5 mm 范圍內(nèi)存在飛濺，大部分飛濺集中在焊縫兩側(cè)1 mm范圍內(nèi).常規(guī)激光焊接頭背面焊縫飛濺數(shù)量較多，尺寸較大，且緊貼焊縫邊緣飛濺數(shù)量較多.激光擺動焊縫周圍飛濺數(shù)量較少，尺寸較小且分布均勻.

圖4 焊縫背面形貌Fig.4 Weld back topography.(a) conventional laser welding;(b) laser wobble welding;(c) typical spatter characteristic

定義直徑大于等于50 μm 的飛濺為大顆粒飛濺，小于50 μm 的為小顆粒飛濺，小顆粒飛濺中包含直徑不足5 μm 的微小飛濺.對不同擺動工藝參數(shù)下6 mm 焊縫范圍內(nèi)大顆粒飛濺數(shù)量與整體飛濺數(shù)量進行統(tǒng)計，如圖5 所示.可以看出，隨擺動幅值的增加，大顆粒飛濺及整體飛濺數(shù)量均減少；擺動頻率的變化對飛濺數(shù)量和分布的影響不明顯.相較常規(guī)激光焊接，典型激光擺動焊縫大顆粒飛濺減少約100%，整體飛濺數(shù)量減少30%以上.

圖5 光束擺動參數(shù)對飛濺數(shù)量的影響Fig.5 Effect of laser wobble parameters on weld spatter.(a) number of large weld spatter;(b)number of overall weld spatter

2.2 光束擺動對焊縫橫截面形貌的影響

Ti60 合金激光擺動焊接頭的橫截面形貌如圖6所示，可以看出，焊縫橫截面形貌主要受擺動幅值的影響；隨擺動幅值增大，焊縫橫截面形貌從“X”形逐漸變?yōu)椤癡”形，焊縫由穿透焊縫變?yōu)榉谴┩负缚p，焊縫根部逐漸偏離中心，焊縫出現(xiàn)咬邊.當擺動幅值≥2.0 mm 時，焊縫截面存在明顯咬邊和不對稱.擺動頻率對焊縫橫截面形貌的影響較小，隨著擺動頻率增大到200 Hz 時，焊縫出現(xiàn)咬邊.

圖6 光束擺動參數(shù)對焊縫橫截面形貌的影響Fig.6 Effect of laser wobble parameters on weld cross section.(a) effect of laser wobble amplitude on weld cross section (wobble frequency 100 Hz);(b) effect of laser wobble frequency on weld cross section (wobble amplitude 1.0 mm)

以熔寬表征Ti60 合金激光擺動焊縫橫截面成形特征參量，統(tǒng)計不同擺動工藝下焊縫正面熔寬及背面熔寬，結(jié)果如圖7 所示.從圖中可以看出，焊縫正面熔寬與背面熔寬主要受擺動幅值的影響；隨擺動幅值的增加，正面熔寬增大，背面熔寬下降.擺動頻率對焊縫熔寬的影響不明顯.擺動幅值過低(0.1 mm)時，光束擺動對焊縫熔寬的影響不明顯；當擺動幅值≥0.5 mm 時，光束擺動可明顯提高焊縫正面熔寬；相較常規(guī)激光焊接頭，焊縫正面熔寬可提高約30%，表明總體熱輸入不變的情況下，激光擺動焊接間隙適應(yīng)性增大.

圖7 光束擺動參數(shù)對焊縫熔寬的影響Fig.7 Effect of laser wobble parameters on weld width.(a) front weld width;(b) back weld width

2.3 光束擺動對激光能量分布的影響

利用Wobble calculator 軟件對激光擺動焊接能量密度分布進行計算.對于常規(guī)激光焊接，激光為點狀高斯光源，作用面積小，能量密度集中，空間分布不均勻.采用激光擺動焊接后，光束運動軌跡如式(1)所示，點熱源近似可以看作為線熱源，即

式中：x為焊接方向，y為垂直于焊接方向；x0、y0為焊接初始位置；v0為初始焊接速度；A為擺動幅值，f為擺動頻率.

不同擺動參數(shù)下，激光能量密度分布如圖8 和圖9 所示.可以看出，同常規(guī)激光焊接相比，激光擺動焊接能量峰值降低，焊縫兩側(cè)與中心的能量差值變??；其中擺動幅值對能量分布的影響更明顯.當擺動幅值較小(≤0.5 mm)或擺動頻率較低 (≤50 Hz)時，激光擺動焊接能量分布與常規(guī)激光焊接相似，能量密度整體呈現(xiàn)“中間高兩側(cè)低”的形式，能量梯度較大，焊縫兩側(cè)能量無顯著差異.當擺動幅值變大(≥1.0 mm)或擺動頻率變高(≥100 Hz)時，激光作用范圍變大，能量分布呈現(xiàn)出“兩側(cè)高中心低”的形式，能量梯度變小.隨著擺動幅值增大到(≥2.0 mm)，擺動頻率增大到(≥200 Hz)，能量梯度變化不明顯.其中，當擺動幅值較高(≥2.0 mm)或擺動頻率較低(≤50 Hz)時，能量分布不連續(xù)，出現(xiàn)能量空白區(qū)域.

圖8 常規(guī)激光焊縫表面能量分布Fig.8 Laser energy distribution at conventional laser welding

2.4 激光能量分布與焊縫成形的關(guān)系

圖10 為激光擺動焊接光束軌跡示意圖，圖中1～7 號點為不同時刻光束位置，可以看出光束擺動使光束運動軌跡、作用范圍及實際焊接速度發(fā)生變化，從而對激光能量分布與能量峰值產(chǎn)生影響，直接體現(xiàn)為焊縫成形特征的變化.

圖10 焊接軌跡示意圖Fig.10 Track of laser wobble welding

相較常規(guī)激光焊接，激光擺動焊接的光束作用面積增大，實際焊接速度增加，熱輸入降低[20].因此，能量分布區(qū)域變大，能量峰值降低.同時，光束對熔池的攪動作用產(chǎn)生了使熔池橫向流動的分力，熔池面積增大，焊接過程穩(wěn)定性增強；光束擺動還使熔池多次受熱，熔池內(nèi)溫度梯度減小，凝固速度降低[21]，液態(tài)金屬充分舒展.因此，激光擺動焊縫表面平整，魚鱗紋平緩，焊縫熔寬增加，飛濺數(shù)量減少.

當擺動幅值較小時(0.1 mm)，光束作用面積小，光束擺動對實際焊接速度影響小，且對熔池的攪動作用不明顯，因此焊縫表面形貌改善效果微弱，熔寬變化小.當擺動頻率較小時(10 Hz)，光束轉(zhuǎn)動速度慢，能量在焊縫中心局部位置積聚，分布不連續(xù)，因此焊縫成形不連續(xù).隨著擺動幅值和擺動頻率的增加(0.5 mm ≤A≤ 1.5 mm、50 Hz ≤f≤ 150 Hz)，光束作用區(qū)域增加，光束轉(zhuǎn)動速度變快，實際焊接速度提高，激光峰值能量和能量梯度降低，熔池穩(wěn)定性提高，因此焊縫成形明顯改善，熔寬提高，飛濺數(shù)量減少.當擺動幅值、擺動頻率過大時(A≥ 2.0 mm、f≥ 200 Hz)光束作用面積大，焊接速度過快，激光能量顯著降低，主要積聚在焊縫表面兩側(cè)；液態(tài)金屬回流到焊縫并填充凹陷的時間不足，因此焊縫成形出現(xiàn)未熔透、嚴重咬邊及焊縫兩側(cè)成形不對稱等問題.通過對激光能量分布的精準調(diào)控可獲得成形質(zhì)量良好的焊接接頭.

3 結(jié)論

(1)與常規(guī)激光焊接接頭相比，Ti60 合金激光擺動焊接接頭成形質(zhì)量明顯改善，焊縫表面平整，魚鱗紋平緩，飛濺數(shù)量可減少30%，熔寬增加30%，激光擺動焊接間隙適應(yīng)性增大.

(2)光束擺動幅值及擺動頻率對焊縫成形的影響與能量分布密切相關(guān).當擺動幅值和擺動頻率較低時(A=0.1 mm、f=10 Hz)，焊縫區(qū)能量分布不連續(xù)，焊縫成形不良.隨擺動頻率及擺動幅值的增加，能量作用面積增大，峰值降低，分布相對均勻；焊縫熔寬增加，成形質(zhì)量明顯改善.當擺動頻率或擺動幅值過高時(f≥ 200 Hz、A≥ 2.0 mm)，能量過低，焊縫出現(xiàn)未熔透、嚴重咬邊和兩側(cè)不對稱等問題.

(3)當擺動頻率為100～ 150 Hz，擺動幅值為0.5～ 1.0 mm 范圍內(nèi)，可獲得能量分布相對均勻，焊縫成形良好的全熔透焊接接頭.