前言
TC4（Ti-6Al-4V）為一種α+β鈦合金，具備比強(qiáng)度高、耐蝕性好、高溫性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于火箭殼體和航天器等航空航天領(lǐng)域，具有重大的戰(zhàn)略意義［1-2］。TC4鈦合金也是目前使用量最大的鈦合金，約占鈦合金總產(chǎn)量的50%以上［3-4］。
由于TC4鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，焊接過程中極易與氧形成氧化物，并且在 250 ℃時(shí)吸收氫形成TiH2，700 ℃會(huì)與氮反應(yīng)生成脆硬 TiN，降低焊接接頭沖擊韌性［5］。為防止TC4焊接接頭被污染，確保質(zhì)量，TC4鈦合金結(jié)構(gòu)件的常用焊接方法主要有非熔化極氣體保護(hù)焊（Tungsten Inert Gas，TIG）、熔化極氣體保護(hù)焊（Metal Inert Gas，MIG）、電子束焊（Electron Beam Welding，EBW）、激光焊（Laser BeamWelding，LBW）等。TIG、MIG 焊焊接效率低、熱輸入較大，焊縫及熱影響區(qū)較寬、晶粒較粗大，焊接接頭綜合性能不好；電子束焊接需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，保護(hù)成本過高，工件尺寸也受到很大限制［6］；激光焊接熱源能夠提供與真空電子束焊相近的能量密度且無(wú)須真空環(huán)境，具有試件變形和殘余應(yīng)力小、深熔焊焊縫的深寬比大、焊接熱影響區(qū)窄及易操作等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于TC4鈦合金焊接。
本文對(duì)國(guó)內(nèi)外TC4鈦合金激光焊接、激光填絲焊及激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在焊縫成形、焊縫微觀組織轉(zhuǎn)變及性能研究等方面進(jìn)行綜述，以期為今后的TC4激光焊接技術(shù)研究發(fā)展提供思路。
1、工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響
1.1 激光焊接
TC4鈦合金焊接主要采用基于“小孔效應(yīng)”的深熔焊，激光被材料吸收后基于光熱效應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)激光輻射照度超過 106 W/cm2時(shí)，激光能量導(dǎo)致材料表面熔化，并且伴隨蒸發(fā)，當(dāng)蒸氣引起的反沖壓力大于液態(tài)金屬表面張力和重力時(shí)，會(huì)排開一部分液態(tài)金屬，促使激光束作用的熔池向下，形成小坑，隨著熔化和氣化過程的進(jìn)一步發(fā)生，使小孔加深，最終形成類似鎖眼的小孔，也稱為“匙孔”，當(dāng)激光束在小孔內(nèi)產(chǎn)生的金屬蒸氣壓力與液態(tài)金屬表面張力和重力達(dá)到平衡后，會(huì)得到一個(gè)深度穩(wěn)定的小孔，即為“小孔效應(yīng)”［7］。激光深熔焊時(shí)，小孔穩(wěn)定性對(duì)獲得成形美觀、組織連續(xù)無(wú)缺欠、力學(xué)性能佳的優(yōu)質(zhì)焊縫至關(guān)重要。基于小孔形成機(jī)理及過程中產(chǎn)生的“側(cè)壁聚焦效應(yīng)”，小孔吸收激光能量的“小孔內(nèi)壁表面的Fresnel吸收”和“等離子體反韌致輻射吸收”機(jī)制，可知激光焊接過程中小孔深度、大小及穩(wěn)定性主要與焦點(diǎn)位置、激光功率和焊接速度等參數(shù)有關(guān)。
焦點(diǎn)位置決定被焊工件表面激光光斑尺寸，從而改變激光輻照效率，輻照效率的變化會(huì)引起焊接模式改變。李明軍等［8］使用碟片激光器焊接 5 mm厚 TC4鈦合金板發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率為 4.3 kW，焊接速度為2.7 m/min時(shí)，不同的離焦量可獲得酒杯形、I形和近 X 形焊縫截面形貌，如圖 1 所示。由圖 1 可知，離焦量對(duì)焊縫下部尺寸的影響要比上部大。楊爍等［9］在進(jìn)行薄壁管激光焊時(shí)發(fā)現(xiàn)，離焦量會(huì)提高焊縫寬度，但同時(shí)會(huì)降低能量密度，因此需要配合調(diào)整激光功率，以獲得較好的熔透效果。
激光功率是影響焊縫成形的主要因素之一。Panwisawas 等［10］使用高速攝像結(jié)合有限元模擬技術(shù)對(duì)小孔的形成原因及其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)離焦量和焊接速度不變時(shí)，隨著激光功率的增加，熱輸入增加，導(dǎo)致液態(tài)熔池尺寸變大，焊縫的熔寬和熔深都會(huì)增加，直至焊穿，如圖2所示。在焊透中厚TC4鈦合金板時(shí)，激光功率增加會(huì)使焊縫熔寬增大，液態(tài)熔池向母材擴(kuò)散能力提升，使焊縫橫截面由 I 形向 X 形轉(zhuǎn)變［11］。焊接 1.2 mm 的薄板，焊接速度為 1.4 m/min，離焦量+1 mm 時(shí)，由圖 3 可知，隨著激光功率由1 kW增加至1.6 kW，焊縫熔寬增大，截面形貌由酒杯形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镮形，表明焊縫上、下部熔寬尺寸差異會(huì)隨著激光功率的增加而減小，并且焊縫中部的“駝峰”也隨之減小，但未完全消除［12］。焊接速度對(duì)焊縫成形的影響主要來自于焊接熱輸入變化。隨著焊接速度增加，焊接熱輸入減小，熔化的母材隨之減少，導(dǎo)致焊縫熔深和熔寬均減小。焊接速度過快或過慢都會(huì)導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，焊縫連續(xù)性差［13］。張可榮等［14］使用 ANSYS有限元軟件建立了 TC4鈦合金激光深熔焊小孔形貌與各工藝參數(shù)關(guān)系，其中由焦點(diǎn)位置決定的光斑直徑是影響小孔形貌的最大因素，激光能量密度略大于 106 W/cm2時(shí)，激光功率增加使小孔錐度變小，進(jìn)一步增加功率，小孔錐度幾乎不會(huì)改變，但光斑直徑會(huì)使小孔錐度顯著增加。另外，模擬發(fā)現(xiàn)焊接過程中存在特征焊接速度，在該速度下焊接的小孔徑向尺寸最小，低于該速度，小孔深度與焊接速度正相關(guān)，反之為負(fù)相關(guān)。
綜上可知，焦點(diǎn)位置、激光功率和焊接速度的單一變化均會(huì)導(dǎo)致焊縫形貌發(fā)生改變，進(jìn)而影響焊縫成形和焊接過程穩(wěn)定性。這些參數(shù)在穩(wěn)定的深熔焊范圍內(nèi)變化，只會(huì)引起焊縫熔深和熔寬變化，當(dāng)達(dá)到臨界條件會(huì)引起焊接模式（熱導(dǎo)焊、深熔焊及深熔-熱導(dǎo)交替）改變。除焦點(diǎn)位置、激光功率和焊接速度外，使用脈沖激光焊的峰值功率和脈寬、雙光束焊接的光束位置、激光掃描焊接工藝參數(shù)、外加稀土活性劑、外加電磁及超聲輔助場(chǎng)、工件組對(duì)情況等均會(huì)影響焊縫成形［15-18］。實(shí)際焊接中，應(yīng)根據(jù)焊件的熔深及施焊工況來選擇焊接參數(shù)，使焊接過程處在穩(wěn)定的深熔焊模式，要綜合考慮調(diào)整多參數(shù)之間的關(guān)系，以獲得高質(zhì)量焊縫。
1.2 激光填絲焊
使用激光焊接薄板及中厚板時(shí)一般可以不添加熔敷金屬，實(shí)現(xiàn)自熔焊接，但對(duì)焊接坡口、組對(duì)精度要求極高，且存在焊縫表面容易出現(xiàn)“駝峰”缺陷、焊縫根部易塌陷燒穿、不能對(duì)焊縫成分進(jìn)行調(diào)整等缺點(diǎn)，一定程度上限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用［19］。而激光填絲焊可以很好地克服這些缺點(diǎn)，同時(shí)激光填絲焊可進(jìn)行低激光功率下的多層多道焊接，結(jié)合窄間隙焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大厚度鈦合金母材的連接。激光填絲焊工藝示意如圖4所示［20］。
焊接過程中，將焊絲以一定的角度送到焊接區(qū)激光束的焦斑位置使焊絲熔化，熔化焊絲的熱能來源于激光束的直接輻照和激光誘導(dǎo)的等離子體。激光填絲焊時(shí)，焊絲對(duì)熔池表面流動(dòng)及波動(dòng)狀態(tài)都有很大影響，焊絲處在熔池前方，焊絲熔化進(jìn)入熔池對(duì)液態(tài)金屬具有沖擊作用，可以阻止液態(tài)金屬的橫向流動(dòng)及回流。激光填絲焊熔滴進(jìn)入熔池的過渡模式有“液橋過渡”和“滴狀過渡”兩種，主要與光絲相對(duì)位置有關(guān)，兩種過渡模式示意如圖 5 所示［21］。
當(dāng)熔滴以液橋模式過渡時(shí)，表面張力在一定程度上輔助熔滴進(jìn)入熔池，與滴狀過渡相比降低了對(duì)熔池表面的沖擊力，因此熔池表面波動(dòng)也小，而滴狀過渡熔池表面波動(dòng)較大。方乃文等［22］使用藥芯焊絲作為填充金屬焊接TC4鈦合金，并使用高速攝像研究熔滴過渡模式對(duì)焊接過程的影響，如圖 6 所示。發(fā)現(xiàn)藥芯焊絲處于液態(tài)熔池上方 3 mm 處，熔滴過渡模式為穩(wěn)定的滴狀過渡，但熔滴過渡時(shí)的沖擊力會(huì)對(duì)熔池流動(dòng)造成不利影響，而當(dāng)距離為0 mm時(shí)，則為穩(wěn)定的液橋過渡，焊接過程飛濺少且焊縫成形美觀。
光絲相對(duì)位置不僅影響熔滴過渡模式，同時(shí)也會(huì)影響熔滴尺寸。圖7、圖8分別是熔滴尺寸對(duì)激光匙孔形態(tài)波動(dòng)與匙孔前壁液態(tài)金屬流動(dòng)速度影響的數(shù)值模擬。由圖可知，熔滴在匙孔上方落入熔池，會(huì)對(duì)匙孔的形態(tài)波動(dòng)影響較大，熔滴尺寸較大時(shí)，波動(dòng)幅度也較大，同時(shí)熔滴尺寸也會(huì)影響匙孔前壁液態(tài)金屬流動(dòng)方向及流動(dòng)速度［23］。
激光填絲焊接TC4鈦合金時(shí)，激光穿透等離子體云后，先加熱熔化焊絲，部分能量被焊絲吸收，還有一部分在焊絲表面發(fā)生反射，剩余能量加熱工件用于形成匙孔，這三部分能量的分配與焊接參數(shù)的變化相關(guān)。黃宇等［24］對(duì)1 mm厚TC4鈦合金進(jìn)行激光填絲焊，研究了焊絲送入條件、離焦量和送絲速度對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他參數(shù)固定不變時(shí)，送絲角度會(huì)影響焊絲對(duì)激光能量的吸收，角度過小，反射嚴(yán)重，導(dǎo)致吸收能量降低，容易出現(xiàn)未焊透，相反角度過大，則容易導(dǎo)致凹陷，背面余高變大。另外，光絲間距不為0 mm時(shí)，焊接過程穩(wěn)定性差，導(dǎo)致出現(xiàn)滴狀焊縫。程好等［25］發(fā)現(xiàn)激光功率對(duì)熔深的影響最大，若固定激光功率不變，焊接速度對(duì)焊縫熔深和熔寬影響最大，而送絲速度主要是影響焊縫的上下余高。當(dāng)采用擺動(dòng)激光焊接時(shí)，激光的擺動(dòng)參數(shù)與模式對(duì)焊縫成形也有很大影響［26］。
因此，在實(shí)際工況中，尤其是焊接薄板時(shí)，應(yīng)依據(jù)母材厚度、焊絲直徑、組對(duì)間隙及焊接位置等已知參數(shù)，配合激光功率、激光擺動(dòng)模式、焦點(diǎn)位置及光絲相對(duì)位置來確定送絲速度，再結(jié)合上述參數(shù)及焊縫成形要求來調(diào)整焊接速度。
1.3 激光-電弧復(fù)合焊
激光-電弧復(fù)合焊是將激光和電弧復(fù)合共同作用在同一個(gè)熔池的焊接方法，依據(jù)激光束和電弧相對(duì)位置分為旁軸復(fù)合和同軸復(fù)合。激光-電弧復(fù)合焊兼顧激光和電弧熱源的優(yōu)勢(shì)，激光等離子和電弧等離子體的相互作用能夠很好地彌補(bǔ)單一熱源的不足。相比于激光填絲焊，激光-電弧復(fù)合焊進(jìn)一步降低了對(duì)坡口加工裝配精度及焊縫對(duì)中的要求，增加了坡口間隙的搭橋能力。焊接 TC4鈦合金的激光-電弧復(fù)合焊主要有激光-TIG電弧復(fù)合焊和激光-MIG電弧復(fù)合焊，如圖9所示［27］。
將電弧引入激光焊過程中，由于電弧對(duì)工件有預(yù)熱作用，激光束可直接輻照液態(tài)熔池，減少了工件對(duì)紅外激光的反射比，增加激光吸收率，同時(shí)溫度和電離度相對(duì)較低的電弧可稀釋激光產(chǎn)生的光致電離，降低電子數(shù)密度，因此可以使用較小的激光功率獲得更大的熔深。激光-電弧復(fù)合焊熱源并不是激光和電弧兩個(gè)熱源簡(jiǎn)單疊加，兩個(gè)熱源之間存在能量相互耦合、相互影響。激光穿過電弧時(shí)，激光能量被電弧吸收和散焦會(huì)引起激光傳輸特性發(fā)生改變，而激光形成的匙孔會(huì)吸引和壓縮電弧。
研究發(fā)現(xiàn)，激光作用會(huì)使焊接電流增大而電弧電壓降低，同時(shí)電弧會(huì)被引導(dǎo)至匙孔上方區(qū)域，并且與深熔匙孔噴出的金屬蒸氣發(fā)生劇烈交互作用，引起電弧形態(tài)快速變化［28］。陳彥賓［29］等使用激光燒蝕有機(jī)玻璃法發(fā)現(xiàn)電弧會(huì)吸收激光并具有散焦特性，隨著焊接電流在一定范圍內(nèi)增加，電弧吸收激光能量增多，對(duì)激光散焦作用增大，使激光束發(fā)散，電弧中心對(duì)激光的散焦作用最強(qiáng)，激光功率越大，電弧的散焦作用也越強(qiáng)。單獨(dú)電弧焊時(shí)，在電場(chǎng)力作用下，電弧等離子體中的電子是做高速定向運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)激光穿過電弧空間時(shí)，電弧吸收激光能量改變電弧等離子體空間的原有粒子分布規(guī)律引起電弧形態(tài)、等離子形態(tài)發(fā)生變化。這些相互作用會(huì)影響復(fù)合熱源和工件之間的能量傳遞，進(jìn)而影響焊縫成形、微觀組織及性能。
激光-TIG 復(fù)合焊接頭成形及其穩(wěn)定性主要受復(fù)合熱源能量分布影響。馬然等［30］利用激光-TIG電弧復(fù)合焊接1 mm厚TC4鈦合金板，將焊接電流、激光功率、保護(hù)氣體組分及熱源間距分別作為單一變量研究，發(fā)現(xiàn)隨著焊接電流增加，焊縫上部熔寬增加，下部熔寬變化較小，同時(shí)可減小底部咬邊，而當(dāng)分別增加激光功率和熱源間距時(shí)，焊縫熔寬和咬邊呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。在主保護(hù)氣體中加入氦氣時(shí)，電弧形態(tài)變化如圖10所示，由于氦氣的電離能及熱導(dǎo)率均高于氬氣，使得電弧能量更加集中，純氦氣保護(hù)時(shí)正面焊縫熔寬略微下降，背部焊縫熔寬增加且咬邊消失。吳世凱［31］計(jì)算了氬氣和氦氣對(duì)CO2激光線性吸收系數(shù)分別是 2.15~26.29 m-1 和 0.058~4.88 m-1，但基本不吸收 YAG 激光，因此激光-電弧復(fù)合焊應(yīng)優(yōu)先選用氦氣氣氛或短波長(zhǎng)激光。
劉黎明［32］等基于大量工藝試驗(yàn)，建立了電弧熱輸入和激光熱輸入之間比值 T 與焊縫成形的關(guān)系，如圖11所示。當(dāng)參數(shù)處于A區(qū)域內(nèi)時(shí)，焊縫成形良好，且焊縫成形對(duì)激光功率變化的敏感度較電弧功率變化更高。研究還發(fā)現(xiàn)隨著激光與電弧兩個(gè)熱源之間夾角減小，兩熱源的同軸性增強(qiáng)，激光誘導(dǎo)電弧作用增強(qiáng)，激光和電弧熱源各自作用得到增強(qiáng)，復(fù)合熱源能量密度增加，穿透能力增強(qiáng)。熊俊［33］等認(rèn)為激光-TIG復(fù)合焊時(shí)，電弧熱源主要作用是熔化焊絲，從而提高激光能量利用率，獲得更大熔深，使用高速攝像拍攝了穩(wěn)定焊接時(shí)熔滴過渡模式，分為液橋過渡和滴狀過渡，焊接時(shí)熔滴過渡模式主要與光絲間距和送絲速度有關(guān)。
激光-TIG電弧復(fù)合焊主要適用于10mm 以內(nèi)TC4薄板的焊接，利用激光對(duì) TIG 電弧進(jìn)行誘導(dǎo)與壓縮，可以顯著提高TIG電弧能量密度，可以很好克服 TIG 焊高速焊接電弧不平穩(wěn)、焊接生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。
激光-MIG 電弧復(fù)合焊時(shí)，焊絲作為電極熔化填入焊縫，與激光-TIG電弧復(fù)合焊相比可使用更大焊接電流，效率更高，因此其在中厚板焊接中優(yōu)勢(shì)明顯。崔麗等［34］在焊接電流為 320 A，電弧電壓為28 V條件下研究了焊接方向、激光功率、焊接速度、離焦量和激光-電弧兩熱源間距（DLA）對(duì)焊縫形貌影響。LL方向（激光在前，電弧在后）焊接比AL（電弧在前，激光在后）焊縫的魚鱗紋更細(xì)密光滑，焊縫成形更好。LL方向焊接時(shí)，在DLA=0~6 mm之間，為V 形焊縫的深熔焊，焊縫截面形狀變化較小；AL 方向焊接時(shí)，在 DLA=0~4 mm 之間為深熔焊。增加激光功率，兩個(gè)焊接方向焊縫的熔寬和熔深均變大，余高變化小，但是在相同激光功率或離焦量下，AL方向比LL方向的焊縫熔寬較窄，熔深較大，且當(dāng)離焦量為 0 時(shí) AL 方向焊接可獲得最大熔深。張龍等［35］對(duì)15 mm厚鈦合金對(duì)接接頭進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)坡口角度60°、鈍邊為5 mm時(shí)，焊接過程最穩(wěn)定，打底層焊縫熔深和熔寬隨激光功率和焊接電流的增加而增加，隨焊接速度的增加而減小，擺動(dòng)焊可消除填充層和蓋面層的氣孔。
蘇軒［36］使用高速攝像拍攝了激光功率、電弧電壓、焊接電流、焊接速度和熱源間距對(duì)激光-MIG電弧復(fù)合焊過程穩(wěn)定性的影響，如圖 12 所示，激光匙孔周圍熔池波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致飛濺，并且熔滴落入熔池后，熔池會(huì)產(chǎn)生很大波動(dòng)，MIG 焊電弧的重新引燃會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生很大作用，過渡頻率越低，熔滴尺寸越大，則該現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此熔滴過渡過程對(duì)焊縫成形及降低缺欠數(shù)量至關(guān)重要。
綜上可知，激光-電弧復(fù)合焊是一種高效經(jīng)濟(jì)的焊接方法，激光使電弧在高速焊接下保持穩(wěn)定，電弧使材料對(duì)激光吸收率增加，可增加焊縫熔深，同時(shí)提高焊接工藝適應(yīng)性。激光與電弧的交互作用改變了熔池形貌和液態(tài)金屬的流動(dòng)狀態(tài)，可獲得更好的焊縫成形。另外，電弧的引入，降低熔池冷卻速度，有利于氣體逸出，從而降低氣孔缺陷，提高焊縫質(zhì)量。
2、微觀組織及力學(xué)性能
TC4（Ti-6Al-4V）是一種典型的α（HCP）相+β（BCC）相鈦合金，β相依附在基體α 相周邊均勻分布，如圖 13 所示［37］。激光焊接過程中，激光對(duì) TC4鈦合金進(jìn)行加熱，在溫度約為 975 ℃±20 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生α向β的同素異形體轉(zhuǎn)變，α相全部轉(zhuǎn)化β相，隨著溫度進(jìn)一步升高至液相線，TC4鈦合金熔化為液態(tài)，當(dāng)激光熱源遠(yuǎn)離后，溫度降低，當(dāng)溫度低至固相線則生成β相，在繼續(xù)冷卻過程中，發(fā)生固態(tài)相變，會(huì)由β相中析出新相。激光焊接時(shí)，焊接參數(shù)決定了TC4鈦合金加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻速率，其對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織構(gòu)成、形態(tài)、相組成比例有重要影響［38］。
徐培全［39］等對(duì)厚度為2 mm的TC4鈦合金板進(jìn)行激光焊接，焊縫顯微組織為α相+β相+針狀α'馬氏體的混合組織。武鵬博等［40］采用擺動(dòng)激光填絲焊接2mm厚T形接頭，獲得的焊縫組織中未發(fā)現(xiàn)α相，主要由相互平行的細(xì)小α'馬氏體束及其之間狹窄的初生β相組成，并且存在少量的孿晶和位錯(cuò)，如圖 14 所示。焊縫冷卻過程中α'馬氏體先在緊鄰高溫β相晶粒邊界處形核，較快的冷卻速度導(dǎo)致α'馬氏體不能充分長(zhǎng)大，因此形成了相互平行的細(xì)小α'馬氏體束。激光束周期性擺動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓力可能是生成位錯(cuò)的原因。
方乃文等［41］將室溫組織為少量網(wǎng)籃狀及塊狀α相和針狀α'馬氏體的焊縫金屬加熱至1 050 ℃并保溫一定時(shí)間，使其完全發(fā)生β相轉(zhuǎn)變，再以不同速率進(jìn)行冷卻，對(duì)焊縫晶粒生長(zhǎng)及相變進(jìn)行了原位觀察。冷卻速率為0.5 ℃/s，在889.5 ℃時(shí)，α相優(yōu)先在β相界處形核，冷卻速率增加至5 ℃/s，則在864.2 ℃由β相晶界析出α 相，并且能夠觀察到αgb（Grainboundary），鈦合金發(fā)生組織轉(zhuǎn)變主要取決于晶界，很多情況下，αgb與β晶粒呈現(xiàn)一定的伯格斯取向關(guān)系（Burgers orientation relationship，BOR）。當(dāng)冷卻速率增加至 20 ℃/s 和 80 ℃/s，分別在 835.5 ℃和818.9 ℃時(shí)出現(xiàn)新相，該冷卻速度下，短小針狀α'馬氏體數(shù)量急劇增加，同時(shí)由于形核驅(qū)動(dòng)力增加，除晶界形核外，還在晶粒內(nèi)部α 片層上形核。冷卻速率增大降低焊縫中 V（β相穩(wěn)定元素）的擴(kuò)散能力，使低 V 的α 相較難形成，從而導(dǎo)致析出新相的轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)降低。圖 15 是不同冷卻速率下的室溫微觀組織，由于鈦合金各相的硬度排序?yàn)棣?#39;＞α＞β，所以硬度與冷卻速率呈現(xiàn)正相關(guān)，最低為 339 HV10，最高為368 HV10。
大厚度TC4鈦合金一般采用窄間隙激光填絲進(jìn)行多層焊接。多層焊時(shí)，后焊焊道會(huì)對(duì)前一道焊縫起到熱處理作用，焊縫組織變化相對(duì)復(fù)雜。大厚度TC4鈦合金焊接接頭一般可分為上部、中部和下部3個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域的組織形態(tài)、相的組成與空間分布有所差異，如圖 16 所示。
3 個(gè)區(qū)域均可看見清晰的粗大初生β柱狀晶，在β柱狀晶內(nèi)部分布著形態(tài)不一的α'馬氏體，受加熱與冷卻條件的影響，焊縫底部存在少量等軸晶，隨著焊接層的增加，等軸晶數(shù)量減少，直至消失，且上部區(qū)域β柱狀晶最粗大，中部次之，下部最細(xì)小。通過微觀組織發(fā)現(xiàn)上部區(qū)域存在少量魏氏組織，中部出現(xiàn)少量晶界αgb相［42-43］。焊接熱影響區(qū)組織的變化梯度要比焊縫大，按組織形態(tài)可將其分為圖17所示的3個(gè)區(qū)域，在板厚方向熱影響區(qū)的顯微組織呈現(xiàn)一致性，I區(qū)主要以α'馬氏體為主+極少的α相，發(fā)生不完全轉(zhuǎn)變的Ⅱ區(qū)為原始初生α相+α'馬氏體以+少量亞穩(wěn)態(tài)β相，而Ⅲ區(qū)為球化的初生α相+亞穩(wěn)態(tài)β相組成［44］。基于上述組織的焊接接頭，其上中下3部分的抗拉強(qiáng)度均與母材相當(dāng)，斷裂位置為母材，斷后伸長(zhǎng)率要明顯低于母材。3部分各區(qū)域顯微硬度數(shù)值略有差異，但是分布趨勢(shì)基本一致，3個(gè)部位焊縫區(qū)域的顯微硬度均高于熱影響區(qū)和母材，而熱影響區(qū)顯微硬度小于母材。方乃文［45］等使用含 Mo 的 Ti-Al-V-Mo 系藥芯焊絲作為填充金屬，采用激光填絲焊接TC4鈦合金板獲得強(qiáng)度、塑性和韌性均較好的焊接接頭，合金元素 Mo 在 TC4鈦合金中屬于β同晶型穩(wěn)定元素，能與鈦合金無(wú)限互溶，并產(chǎn)生較小的晶格畸變，同時(shí)能夠調(diào)控焊縫各相比例，所以激光填藥芯焊絲中添加合金元素Mo不僅提高了鈦合金焊接接頭的穩(wěn)定性和強(qiáng)化能力，同時(shí)還能夠保持接頭的塑性。
綜上可知，TC4鈦合金激光焊焊縫典型組織為α'馬氏體，部分會(huì)出現(xiàn)α 相、β相和晶界αgb相。α'馬氏體和α相為hcp結(jié)構(gòu)，滑移系數(shù)量較少，各向異性強(qiáng)，其晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致TC4焊接接頭強(qiáng)度高，塑性和韌性較差，而激光藥芯焊絲的焊接方法有利于有益合金元素添加、補(bǔ)充燒損元素，調(diào)整焊縫相比例，為提高鈦合金焊接接頭塑性提供新的思路。
3、 結(jié)論及展望
TC4鈦合金激光焊接技術(shù)的研究和工業(yè)應(yīng)用在現(xiàn)階段已深受重視，綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，為了探究焦點(diǎn)位置、激光功率、焊接速度、送絲速度、光絲相對(duì)位置、熔滴過渡模式、焊接電流、電弧電壓、焊接方向等參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，已進(jìn)行了大量基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)并結(jié)合了高速攝像和數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)激光-電弧復(fù)合焊金屬蒸氣等離子體的作用機(jī)制、復(fù)合熱源的相互作用模式及熔滴過渡和熔池動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行了研究。TC4鈦合金激光焊焊縫典型組織為α'馬氏體，在一些條件下，焊縫的不同部位會(huì)出現(xiàn)α相、β相和晶界αgb相，而熱影響區(qū)組織呈現(xiàn)明顯的 3 個(gè)區(qū)域分布，基于上述組織的焊接接頭，斷后伸長(zhǎng)率明顯低于母材，但抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)，熱影響區(qū)的硬度會(huì)低于焊縫和母材。
然而，隨著TC4鈦合金在各種極端條件下的應(yīng)用，工程對(duì)TC4激光焊接的要求不斷提升，為獲得性能更加優(yōu)異的TC4焊接構(gòu)件，未來可以從以下方面開展研究工作：
（1）TC4鈦合金與其他金屬材料、非金屬材料，尤其是復(fù)合材料的激光及激光復(fù)合焊接技術(shù)。
（2）研究各類外場(chǎng)輔助（電磁、超聲、磁場(chǎng)等）對(duì)激光及激光復(fù)合焊接 TC4鈦合金時(shí)熔池的影響機(jī)制，以及對(duì)焊后接頭性能的影響情況。
（3）TC4鈦合金焊接接頭沖擊性能韌化機(jī)制，以期望獲得強(qiáng)度和韌性俱佳的接頭。
（4）納米材料、復(fù)合材料涂層、高溫合金等新材料在TC4鈦合金表面激光熔敷、表面改性及受損件修復(fù)等方面的應(yīng)用。
（5）TC4鈦合金激光焊接大型構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力和殘余變形情況、服役可靠性、安全壽命評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)問題。
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