鈦合金是優(yōu)異的海洋工程用輕量化結(jié)構(gòu)材料，是海洋工程重要的裝備材料[1]。隨著現(xiàn)代船舶海洋工程的發(fā)展，船舶減重是目前造船行業(yè)節(jié)能減排的一個(gè)重要研究方向[2]，而鈦合金因高比強(qiáng)度、高耐蝕性是替代船體結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)良的金屬材料[3]。
鈦合金焊接是影響鈦合金結(jié)構(gòu)件裝備質(zhì)量的重要工序。傳統(tǒng)鈦合金焊接以鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊為主，熱輸入量較大，焊接變形大，焊接效率低。激光焊接作為一種高效精密焊接方法，激光束能量密度高，可獲得大的深寬比，焊接變形及焊后殘余應(yīng)力小，鈦合金激光焊接在鈦合金焊接中扮演著越來越重的角色[4]。受限于激光器功率，國(guó)內(nèi)外鈦合金激光焊接研究主要集中在薄板和精密件的焊接。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金中薄板激光焊接技術(shù)研究的較多，對(duì)中厚板鈦合金研究較少。我們主要對(duì)16mm厚鈦合金板的激光焊接工藝、組織性能進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了TC4鈦合金中厚板單面焊一道成型的穩(wěn)定焊接。
1、試驗(yàn)條件與方法
1.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為TC4鈦合金板材，規(guī)格分別為100mm×150mm×16mm和200mm×400mm×16mm，采用I坡口，兩板間隙0～0.5mm。采用激光自熔焊接，不填絲。母材的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1，符合GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，試板為軋制退火態(tài)[5]。
1.2焊接工藝
試驗(yàn)設(shè)備采用YLS-20000型光纖激光器，最大激光功率為20kW，搭載KUKA機(jī)器人，激光焊接頭采用雙焦點(diǎn)激光頭，采用脈沖輸出激光模式。進(jìn)行平焊位置焊接，正反面采用99.99%純氬氣保護(hù)，熔池上方采用側(cè)吹輔助氣體吹離等離子體，側(cè)吹角度為50°～60°，輔助氣體也采用99.99%純氬氣，激光焊接工藝參數(shù)見表2。
1.3檢測(cè)方法
焊后試板按照GB/T 5168—2008《α-β鈦合金高低倍組織檢驗(yàn)方法》相關(guān)檢測(cè)要求，在型號(hào)為OLYMPUSGX71的高倍金相顯微鏡上開展試樣微觀組織研究，在Quanta650掃描電子顯微鏡上進(jìn)行掃描電鏡分析。在STNTECH20/G材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用橫向圓形拉伸試樣，拉伸試樣在試板中間取樣，試樣尺寸如圖1所示。在BHT5106電液伺服彎曲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，在ZBC2302-C擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行10mm×10mm×55mm尺寸的標(biāo)準(zhǔn)V型試樣沖擊試驗(yàn)，在CV-430DAT數(shù)顯維氏硬度計(jì)上進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，載荷49N，加載時(shí)間30s[5-6]。
2、試驗(yàn)結(jié)果分析與討論
2.1小孔成形原理研究
激光焊接具有兩種焊接模式：深熔焊和熱導(dǎo)焊。深熔焊又稱為激光小孔焊，當(dāng)激光輻射照度大于106W/cm2時(shí)，金屬表面在激光的作用下瞬間熔化和氣化，致使激光作用區(qū)域逐漸下凹，形成蝕孔，當(dāng)激光束產(chǎn)生的氣態(tài)金屬反沖力、液態(tài)金屬重力和側(cè)面金屬表面張力達(dá)到平衡后，小孔穩(wěn)定。厚板激光深熔焊接的成形質(zhì)量取決于激光焊接過程中小孔是否穩(wěn)定。
由于鈦合金在高溫下易與氧、氫、氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，焊接過程中采用99.99%氬氣保護(hù)。等離子的產(chǎn)生和小孔效應(yīng)是鈦合金大功率深熔焊接過程產(chǎn)生的兩種最重要的物理現(xiàn)象，兩者相互影響、相互作用。
大功率激光焊接時(shí)，在鈦合金表面迅速聚集大量的金屬蒸氣，進(jìn)一步被電離，產(chǎn)生等離子體云或金屬蒸氣羽輝，由于激光在穿透光致等離子的過程中發(fā)生吸收、折射和散射，致使熔池對(duì)激光的吸收處于不穩(wěn)定狀態(tài)，焊接小孔收縮變小，熔深變淺，深寬比減小，因此焊接過程中需采用側(cè)吹輔助氣體將光致等離子體吹離激光作用區(qū)[7]。
試驗(yàn)采用規(guī)格為100mm×150mm×16mm的TC4試板進(jìn)行焊縫成形規(guī)律研究，主要是為了探索在焊接工藝參數(shù)合適的情況下實(shí)現(xiàn)小孔成形。在其它焊接工藝參數(shù)一致的情況下，分別對(duì)比研究不加側(cè)吹、99.99%氬氣側(cè)吹流量15L/min、99.99%氬氣側(cè)吹流量30L/min三種狀態(tài)下的焊接接頭成形，如圖2所示。
不加側(cè)吹時(shí)，焊接過程中飛濺很大，焊縫正表面熔寬較大，焊縫余高不均勻，焊縫背部未焊透，這主要是由于熔池表面形成等離子云，熔池下部對(duì)激光的吸收率急劇降低，小孔穿透能力急劇下降，而且小孔截面外徑呈指數(shù)降低，能量主要集中在焊縫表面，且不穩(wěn)定造成的。在側(cè)吹流量15L/min氬氣下，焊縫前段背部熔透，隨著焊接的進(jìn)行，背部余高逐漸減少直至未焊透，焊縫正面飛濺較大，焊縫寬度起伏不定，這主要是由于側(cè)吹一定程度上減弱了等離子體，但是隨著焊接的進(jìn)行，等離子體密度逐漸增加，直至金屬蒸氣的壓力高于側(cè)吹壓力，輔助側(cè)吹無法起到作用造成的。當(dāng)側(cè)吹氣體流量為30L/min時(shí)，焊后試樣焊縫正反面熔寬均勻，無焊接飛濺，背部余高均勻一致，正面焊縫寬度只有7mm，且下凹，兩側(cè)存在切割狀態(tài)的直邊，這主要是由于側(cè)吹較大，吹動(dòng)熔池所致。在不加側(cè)吹時(shí)采用高速攝影觀察熔池，如圖3所示。可以很明顯看到熔池上方被光致等離子體羽輝所包圍[8]。
2.2焊縫成形及宏觀形貌
在分析激光焊接接頭成形影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，選擇激光功率18kW，焊接速度72cm/min，離焦量+10mm，側(cè)吹流量30L/min，對(duì)200mm×400mm×16mm的試板進(jìn)行激光焊接。TC4試板激光焊接頭形貌如圖4所示，焊縫表面成型良好、美觀，正表面有輕微的下凹，這主要是焊接過程中熔池金屬下墜造成的，背部焊縫余高均勻一致，過渡圓滑。經(jīng)接頭橫截面低倍金相觀察，發(fā)現(xiàn)無明顯的缺陷，內(nèi)部沒有氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等缺陷。焊縫區(qū)域可以明顯地看到樹枝狀柱狀晶，從母材兩側(cè)向焊縫中心伸展，始終沿著最大過冷度方向生長(zhǎng)。焊接接頭整體形貌呈“高腳酒杯”型，由焊縫（WZ）、熱影響區(qū)（HAZ）、母材（BM）三個(gè)區(qū)域組成。焊接接頭焊縫正面熔寬約為13mm，焊縫深寬比為1.23，焊縫背面熔寬約為6mm。在厚度方向上從頂部到底部焊縫寬度先變小后增大，距正表面約三分之二處焊縫寬度最小，約5mm。研究表明，焊縫宏觀形貌主要由激光小孔效應(yīng)決定，焊接過程中熔池金屬受重力作用下墜，小孔下部發(fā)生輕微緊縮現(xiàn)象；焊縫根部熔寬增寬則是由于激光直接照射熔池根部，激光能量在小孔底部聚集，導(dǎo)致此處焊接熱輸入較大而形成的。
焊接試板按照NB/T47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第2部分：射線檢測(cè)》進(jìn)行X射線檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。焊縫內(nèi)部無氣孔、夾渣等圓形缺陷和未焊透、裂紋等線性缺陷。
2.3焊接接頭微觀組織
圖6為母材的顯微組織。如圖6（a）、（b）所示，母材為α+β組織，分布均勻，α基體相呈等軸狀和拉長(zhǎng)狀態(tài)，α相周圍分布著大量細(xì)小的β相。經(jīng)SEM掃描電鏡進(jìn)一步觀察，如圖6（c）、（d）所示，α相周圍彌散著分布著片層狀β相，在β相中間又分布著細(xì)小的塊狀α相。
圖7為接頭焊縫區(qū)的顯微組織。如圖7（a）、（b）所示，焊縫區(qū)組織主要為針狀α'相、馬氏體α相、少量針狀α相和β相，粗大的高溫β相晶界也被保留下來，高倍下可以明顯地看出針狀α和α'相平行交錯(cuò)分布，二者形貌相似，難以區(qū)分，其最大長(zhǎng)寬比大于10，馬氏體形核生長(zhǎng)截止于原始β相晶界。經(jīng)SEM掃描電鏡進(jìn)一步觀察（圖7（c）、（d）），細(xì)長(zhǎng)的針狀α'平行交錯(cuò)分割晶粒，在針狀α'中間可以看到細(xì)小條狀β相。激光焊接是高能束焊接，能量密度高，過冷度大，TC4焊縫金屬從β相以很快的冷卻速度降至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下，形成過飽和α相，并以非擴(kuò)散的形式發(fā)生晶格切變，體心立方晶體β相轉(zhuǎn)變?yōu)檫^飽和的非平衡六方晶體α'相，主要以針狀α'相為主[9]。
圖8為熱影響區(qū)的顯微組織。如圖8（a）、(b)所示，熱影響區(qū)組織主要由針狀α'相、塊狀α相、馬氏體α和少量β相組成，部分區(qū)域針狀α'相+β相呈現(xiàn)網(wǎng)籃特征、彌散分布，高倍下可以明顯看出α'+β網(wǎng)籃組織，細(xì)小且彌散。用SEM掃描電鏡進(jìn)一步觀察，如圖8（c）、(d)所示，焊接熱影響區(qū)主要由塊狀α相基體和細(xì)小彌散的α'+β網(wǎng)籃組織組成，塊狀α相和網(wǎng)籃組織交錯(cuò)分布，提高熱影響區(qū)韌性。
2.4焊接接頭力學(xué)性能
2.4.1拉伸性能
從焊接試板取3件拉伸試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。3件拉伸試樣抗拉強(qiáng)度分別為967、968、960MPa，平均值為965MPa，接頭抗拉強(qiáng)度相近，這說明焊接接頭強(qiáng)度穩(wěn)定，滿足NB/T47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》和CB/T4363—2013《船用鈦及鈦合金焊接工藝評(píng)定》中對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度要求[5]。3個(gè)試樣均斷在焊縫處，母材抗拉強(qiáng)度為1029MPa，接頭抗拉強(qiáng)度相對(duì)母材降低了64MPa，這是由于焊縫組織主要是鑄態(tài)組織，由長(zhǎng)寬比較大的針狀α'相組成，同時(shí)β相相對(duì)母材明顯減少造成的。
拉伸斷口宏觀形貌如圖9（a）所示，呈杯錐狀，斷口有一定的緊縮現(xiàn)象，但是不明顯，斷口表面粗糙，凹凸不平，存在一定的階梯層次，滑移變形的紋路較為曲折，具有明顯的塑性變形特征，屬于韌性斷裂。從宏觀斷口可以明顯地觀察到灰色的纖維區(qū)和光滑的剪切唇，未發(fā)現(xiàn)放射區(qū)，其中纖維區(qū)約占拉伸斷口面積88.1%。圖9（b）、（d）分別為拉伸斷口上部和中間纖維區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，可以很明顯地觀察到大量密集細(xì)小的韌窩，斷口上部區(qū)域韌窩尺寸要大于中間區(qū)域韌窩尺寸，斷裂為韌性斷裂。由圖9（c）可知，剪切唇區(qū)發(fā)生韌性斷裂和準(zhǔn)解理斷裂的混合斷裂，靠近邊緣位置有準(zhǔn)解理平臺(tái)，呈剪切特征。
2.4.2焊接接頭顯微硬度
對(duì)焊接接頭距上表面2mm進(jìn)行硬度測(cè)試，焊接接頭顯微硬度如圖10所示。從一側(cè)母材到另一側(cè)母材，顯微硬度先升高后降低，母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)平均硬度值分別為310.2、322.3、326.6HV5，母材平均顯微硬度值最低，焊縫和熱影響區(qū)域硬度值相近，形成典型的“軟+硬+軟”三明治式硬度分布結(jié)構(gòu)[10]。焊接接頭的相結(jié)構(gòu)及分布狀態(tài)決定了接頭硬度分布狀態(tài)，焊縫和熱影響區(qū)主要是由馬氏體α和針狀α'組成，為非平衡狀態(tài)過飽和α相，晶格畸變能高，而母材基體主要是等軸或微拉長(zhǎng)的α相，因此焊縫和熱影響區(qū)硬度值要高于母材的。
2.4.3焊接接頭沖擊韌性
接頭夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表3，熱影響區(qū)沖擊吸收功最高、焊縫次之，焊縫和熱影響區(qū)沖擊吸收功值相近，母材沖擊吸收功最低，熱影響區(qū)沖擊吸收功比母材高約8.6J，這主要是由于熱影響區(qū)針狀α'相+β相呈現(xiàn)網(wǎng)籃特征、彌散分布，沖擊性能較好。
沖擊斷口形貌如圖11所示，焊縫中心、熱影響區(qū)、母材三個(gè)位置沖擊斷口宏觀形貌基本一致，斷口表面較為平坦，主要由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇組成，放射區(qū)占主要區(qū)域。從焊縫中心、熱影響區(qū)、母材三個(gè)位置斷口微觀形貌可以明顯看到裂紋擴(kuò)展區(qū)呈韌窩斷裂特征，屬于韌性斷裂，且焊縫中心和熱影響區(qū)韌窩尺寸和深度要略大于母材斷口，進(jìn)一步說明這焊縫和熱影響區(qū)的抗裂紋擴(kuò)展能力較強(qiáng)。
2.4.4焊接接頭彎曲性能
取4組側(cè)彎試樣，試樣彎曲厚度為10mm，彎曲試樣在彎心直徑為200mm、彎曲角度為90°的條件下進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，所有試樣均未發(fā)生斷裂且無裂紋，符合標(biāo)準(zhǔn)CB/T 4363—2013要求，焊接接頭彎曲性能良好。
3、結(jié)論
（1）采用大功率激光焊接時(shí)，熔池表面形成等離子羽輝，激光在穿透光致等離子的過程中發(fā)生吸收、折射和散射的作用，因此需要增加側(cè)吹輔助氣體，氣體流量對(duì)小孔成形影響較大，合適的氣體流量可實(shí)現(xiàn)16mm厚鈦合金板的激光深熔穩(wěn)定焊接。采用大功率激光焊接16mm厚TC4鈦合金試板，可實(shí)現(xiàn)一次焊透、單面焊雙面成形。
（2）激光焊接接頭宏觀形貌呈高腳酒杯狀，焊縫正反面表面呈銀白色，焊縫外觀成形良好，接頭沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等缺陷。
（3）焊縫區(qū)組織主要為針狀α'相、馬氏體α、少量針狀α相和β相，粗大的高溫β相晶界也被保留下來；熱影響區(qū)組織主要由針狀α'相、塊狀α相、馬氏體α和少量β相組成，部分區(qū)域針狀α'相+β相呈彌散分布的網(wǎng)籃組織。
（4）焊接接頭強(qiáng)度性能穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度平均值為965MPa，比母材弱；母材平均顯微硬度值最低，焊縫和熱影響區(qū)域硬度值相近，形成典型的“軟+硬+軟”三明治式硬度分布結(jié)構(gòu)；焊縫和熱影響區(qū)沖擊吸收功值相近，母材沖擊吸收功最低。所有彎曲試樣均未發(fā)生斷裂且無裂紋，符合標(biāo)準(zhǔn)CB/T 4363—2013要求，焊接接頭彎曲性能良好。
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