序言
鈦及鈦合金因具有強(qiáng)度高、抗蝕性好、低溫性能好及焊接性優(yōu)異等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航天、汽車、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域中，因此對(duì)鈦合金焊接的相關(guān)研究也十分廣泛[1].而由于鈦及鈦合金在高溫下具有較高活性，氣氛的侵入會(huì)造成許多問題，焊接過程中對(duì)焊縫及熔池的保護(hù)尤為重要[2-3]。
目前對(duì)于中厚板TC4鈦合金常采用TIG、電子束等焊接方法[4]，其中TIG焊接過程中由于受到保護(hù)氣氛和純度等因素的限制，常帶來氫、氧或氮含量增加，使焊后焊縫區(qū)氧化或產(chǎn)生氣孔及裂紋，造成焊接接頭的力學(xué)性能大大下降的現(xiàn)象。而且TIG焊焊接厚板通常采用多層焊，因此存在焊接速度慢，殘余應(yīng)力大，焊縫組織粗大，焊縫夾鎢等缺陷[5-6]。
而電子束焊受限于真空室尺寸，難以實(shí)現(xiàn)大厚件焊接，而且焊接過程需要高真空，影響焊接效率[7]。
激光焊接作為一種發(fā)展逐漸成熟的高能束焊接方式，其能量密度高、加熱集中、焊接速度快、焊縫成形好、焊件變形小、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，在鈦合金厚板焊接領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多[8].但常規(guī)激光焊接過程中也有羽輝等問題存在，對(duì)入射激光產(chǎn)生折射、散射、吸收等影響，影響了焊接過程的穩(wěn)定性，造成熔池波動(dòng)，飛濺等問題[9].對(duì)鈦合金焊接問題尤其明顯，鈦合金激光焊接非常易產(chǎn)生表面氧化、咬邊、氣孔和裂紋問題[10]。
上個(gè)世紀(jì)80年代，大阪大學(xué)提出了真空激光焊接的方法[11]，真空可以抑制羽輝，提高激光能量利用率，增加焊縫熔深.增強(qiáng)焊接過程的穩(wěn)定性，改善焊縫成形，減少工藝氣孔等缺陷.并且能提升焊縫的保護(hù)效果.而且真空激光焊接對(duì)真空度要求低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)局部負(fù)壓焊接，一定程度上擺脫了真空度和真空倉對(duì)焊接過程的限制。
文中以20mm厚TC4鈦合金為研究對(duì)象，進(jìn)行大氣和真空環(huán)境下的激光焊接，系統(tǒng)研究了不同焊接環(huán)境下焊縫的形貌、微觀組織及力學(xué)性能的差異，對(duì)TC4鈦合金真空激光焊接的特性進(jìn)行較完整的分析，為真空激光焊接在工業(yè)上的應(yīng)用提供參考。
1、試驗(yàn)方法
1.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)選擇尺寸為200mm×200mm×20mm的TC4鈦合金軋制板材.TC4鈦合金的組成為Ti6Al-4V，屬于α+β型雙態(tài)鈦合金，其母材組織既存在等軸初生α組織(圖1中白色部分)，又存在片狀α+β組織(圖1中黑色部分)，具有良好的綜合力學(xué)性能.TC4的微觀組織如圖1所示，其主要化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。
1.2試驗(yàn)方法
焊接方法為平板堆焊，激光入射角度始終保持10°。大氣和真空環(huán)境下整體試驗(yàn)裝置如圖2、圖3所示.試驗(yàn)所用激光器為IPG公司生產(chǎn)的YLS-30000光纖激光器，具有輸出功率高、工作波長范圍廣以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，最大輸出功率30kW，聚焦光斑直徑600μm。試驗(yàn)所用機(jī)器人為高柔性KR2型KUKA機(jī)器人，所用激光頭為HIGHYAG激光頭。
試驗(yàn)所用真空裝置的最低真空度為6.6×10?4Pa。可以通過獨(dú)立的電氣控制系統(tǒng)設(shè)置焊接速度.真空艙的行走機(jī)構(gòu)有一個(gè)自由度，行程可超過250mm.真空艙前后有觀察口，上方也有保護(hù)鏡片。
相關(guān)研究表明[8]，真空度對(duì)焊接特性的影響存在臨界值10Pa，當(dāng)超過該臨界值時(shí)，焊接特性改變不大，故而采用10Pa的真空環(huán)境對(duì)鈦合金進(jìn)行試驗(yàn)。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1大氣環(huán)境焊接、真空環(huán)境激光焊接焊縫成形比較
焊縫的表面成形是焊縫成形最直觀的反映，在焊接速度v=1m/min、離焦量f=?6mm時(shí)，不同功率下TC4鈦合金板在大氣和真空環(huán)境下單激光堆焊焊縫表面成形分別如表2、表3所示。
觀察在大氣環(huán)境下激光焊接TC4厚板的焊縫表面，可以發(fā)現(xiàn)功率在5kW以下焊接焊縫表面光亮且具有金屬光澤，焊縫成形良好；在7~10kW功率下焊接的焊縫表面光潔度降低，焊接過程中開始出現(xiàn)比較大的飛濺，焊縫表面部分呈現(xiàn)藍(lán)紫色，出現(xiàn)了焊縫氧化。分析其原因是因?yàn)榧す夤β试?kW以下時(shí)，羽輝尺寸較小，熔池波動(dòng)也較小，激光、羽輝、母材之間的能量耦合穩(wěn)定，匙孔大小和熔池流動(dòng)也比較穩(wěn)定，所以焊縫成形比較均勻。隨著激光功率的增加，羽輝尺寸增大，波動(dòng)更加劇烈，造成熔池波動(dòng)劇烈，產(chǎn)生飛濺，影響保護(hù)氣保護(hù)效果，卷入外部氣體，造成焊縫氧化[12]。
當(dāng)環(huán)境壓力為10Pa時(shí)，由于真空環(huán)境激光焊接特性[12]，焊縫熔深顯著增加，因此試驗(yàn)最大功率限制在10kW以內(nèi).此時(shí)焊縫表面成形有著一定的改善，焊縫表面起伏減小，焊縫變得均勻，飛濺減少。并且由于真空環(huán)境下無氣體對(duì)焊接過程的干擾，焊縫表面光亮且具有金屬光澤，這說明真空環(huán)境對(duì)焊縫實(shí)現(xiàn)了良好的焊接保護(hù)。從表面成形看獲得了一般激光焊接無法獲得的表面成形良好的焊縫。而且焊縫在8kW功率下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的全熔透，繼續(xù)增加功率到10kW時(shí)，焊縫背面依然沒有嚴(yán)重的下塌，焊接工藝窗口比較寬。
2.2大氣環(huán)境焊接、真空環(huán)境激光焊接焊縫宏觀形貌比較
將大氣和真空環(huán)境下焊接的焊縫進(jìn)行處理，得到焊縫的宏觀形貌，分別如圖4、圖5所示，對(duì)焊縫的熔深、熔寬進(jìn)行測(cè)量，繪制圖6、圖7。
觀察圖4發(fā)現(xiàn)在大氣環(huán)境下，激光功率的增加導(dǎo)致能量密度與熱輸入的增加，焊縫熔深有明顯的增加，同時(shí)由于羽輝對(duì)激光的散射作用，焊縫熔寬也大幅度增加，并且隨著焊接功率的提高，熔深增加的速度不斷減慢.其原因是隨著激光功率增加，熔池溫度升高，材料氣化增多，羽輝尺寸增大，其對(duì)激光能量的吸收增多，使到達(dá)材料表面能量增加幅度減慢，熔深增加幅度減慢[13]。
在真空環(huán)境下，隨激光功率的增加，焊縫熔深增加顯著而熔寬變化不明顯，與大氣環(huán)境下變化規(guī)律并不相同。分析其原因是因?yàn)檎婵窄h(huán)境下，對(duì)羽輝有較大的抑制作用，其電子密度、電子溫度與體積均減小，一方面，羽輝對(duì)激光的吸收系數(shù)減小，吸收率降低，這樣可減少羽輝對(duì)激光的阻礙作用，提高了能量的利用率[14]。另一方面，產(chǎn)生的羽輝也并非呈均勻分布，羽輝邊緣位置與中心位置電子密度濃度差異較大，產(chǎn)生了負(fù)透鏡效應(yīng)，在真空環(huán)境下對(duì)羽輝體積的抑制使得負(fù)透鏡效應(yīng)減弱，羽輝對(duì)入射激光的屏蔽作用也減弱，激光作用的區(qū)域減小，能量集中，最后熔深增加的同時(shí)熔寬變化不大[15]。
2.3大氣環(huán)境焊接、真空環(huán)境激光焊接焊縫微觀組織比較
大氣環(huán)境和真空環(huán)境焊縫熔深差異大，說明焊縫內(nèi)部獲得激光能量不同，必然導(dǎo)致組織上的差異，對(duì)7kW下大氣和真空環(huán)境焊縫組織進(jìn)行觀察，觀察得到的大氣、真空環(huán)境焊接焊縫組織分別如圖8、圖9所示。TC4鈦合金在激光焊接升溫過程中發(fā)生β相變，β晶粒迅速長大粗化，由于焊縫冷卻較快，在快速冷卻的過程中，高溫下的β相不能轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉恙料啵寝D(zhuǎn)變?yōu)榕c原α相晶體結(jié)構(gòu)相同的α′馬氏體。在TC4合金成分中β穩(wěn)定元素濃度較低，在相變過程中將發(fā)生β→α′馬氏體的轉(zhuǎn)變，形成α′馬氏體組織。
大氣環(huán)境焊接焊縫呈“丁”字形，熱影響區(qū)寬度大，焊縫內(nèi)能觀察到熔池冷卻形成的β柱狀晶和α′針狀馬氏體，熱影響區(qū)從母材到焊縫晶粒逐漸增大，并開始逐漸出現(xiàn)α′針狀馬氏體。
真空環(huán)境下焊接焊縫呈“手指”形，熱影響區(qū)寬度與大氣環(huán)境焊接焊縫相比寬度明顯降低，焊縫內(nèi)同樣可以觀察到β柱狀晶和α′針狀馬氏體，焊縫組織與大氣環(huán)境焊接焊縫組織差距不大.熱影響區(qū)寬度與大氣環(huán)境焊縫相比明顯減小，從母材到焊縫晶粒逐漸增大。
2.4大氣環(huán)境焊接、真空環(huán)境激光焊接焊縫硬度測(cè)試
對(duì)焊縫進(jìn)行硬度分析，用HVS-1000Z型顯微硬度計(jì)對(duì)焊縫、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，設(shè)備操作參數(shù)：載荷0.2kg，加載時(shí)間10s.分別對(duì)大氣(等距0.5mm)、真空環(huán)境(等距0.25mm)焊接焊縫進(jìn)行熔寬方向的顯微硬度測(cè)試，測(cè)試位置及結(jié)果分別如圖10、圖11所示。
通過觀察圖10和圖11可以看出，無論是在大氣環(huán)境還是在真空環(huán)境下，整個(gè)焊縫的硬度規(guī)律是相同的。焊縫顯微硬度呈馬鞍形分布，焊縫處于高硬度區(qū)，為馬氏體組織淬硬組織的聚集區(qū)域，如圖8、圖9所示，焊縫區(qū)組織為α′針狀馬氏體。從熔合線、熱影響區(qū)至母材顯微硬度逐漸降低。熱影響區(qū)靠近熔合線位置顯微硬度最髙，主要是由于該區(qū)域溫度梯度髙、冷卻速度快、淬硬傾向大，既存在α′針狀馬氏體，又因?yàn)闆]有發(fā)生重熔，存在等軸晶粒.如圖8b、圖8c和圖9b所示。
大氣焊縫上部硬度略高于下部焊縫硬度，分析其原因是因?yàn)楹缚p上部接觸外部氣體，散熱條件更好，冷卻速度更快，形成的馬氏體更加密集，硬度更高.而真空環(huán)境焊縫因?yàn)闊o外部氣體干擾，硬度值在深度方向區(qū)別不大。
對(duì)大氣(等距0.5mm)、真空環(huán)境(等距0.5mm)焊接焊縫進(jìn)行熔深方向的顯微硬度測(cè)試，測(cè)試位置及結(jié)果如圖12所示。
隨著距焊縫頂端距離的增加，大氣焊縫硬度略有降低，真空環(huán)境焊縫硬度比較均勻。大氣環(huán)境焊縫平均硬度約為390HV，高于真空環(huán)境焊縫平均顯微硬度360HV。分析其原因是大氣環(huán)境下焊縫冷卻速度更快，形成的針狀馬氏體更加密集，提高了焊縫硬度。
2.5焊縫拉伸強(qiáng)度測(cè)試
為了評(píng)價(jià)焊接接頭基本力學(xué)性能，選取激光功率7kW的真空環(huán)境與大氣環(huán)境焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，從上至下切取3個(gè)試件，真空環(huán)境試件為編號(hào)1，2，3，大氣環(huán)境試件編號(hào)為4，5，6，然后利用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行SEM分析，確定其斷裂機(jī)制。拉伸試驗(yàn)試件尺寸如圖13所示，斷裂位置如圖14所示，對(duì)拉伸試驗(yàn)提取結(jié)果繪制了如圖15所示的抗拉強(qiáng)度條形圖，拉伸斷口如圖16所示。
對(duì)大氣與真空環(huán)境焊接焊縫進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)拉伸試件全部斷裂于母材部位，說明焊縫的強(qiáng)度良好且高于母材，試件的抗拉強(qiáng)度為960~980MPa.觀察拉伸曲線發(fā)現(xiàn)，拉伸試件發(fā)生彈性變形后進(jìn)入屈服，但不存在明顯的屈服臺(tái)階，直接進(jìn)入塑性變形階段并最終斷裂。
對(duì)焊縫斷口進(jìn)行分析，斷口形貌為呈網(wǎng)絡(luò)狀分布的韌窩，其形態(tài)細(xì)小，均勻，且凹坑較深。韌窩的形成分為空洞、形核、生長、集聚和斷裂4個(gè)過程。
在受較小作用力的時(shí)候，第二相粒子會(huì)阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，當(dāng)外力繼續(xù)增大，位錯(cuò)開始出現(xiàn)滑移，接著第二相粒子與晶粒分離直至產(chǎn)生裂紋撕裂，形成空洞，導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展.這些空洞在滑移和撕裂的作用下最終發(fā)生斷裂，形成凹坑形狀。觀察發(fā)現(xiàn)，斷口上有大量細(xì)小的呈網(wǎng)狀分布的韌窩，韌窩較為密集.因此，推斷該焊接接頭拉伸試樣的斷口為韌性斷口。
2.6真空環(huán)境對(duì)焊縫質(zhì)量影響原因分析
激光焊接屬于熔焊方法，熔焊都是在焊接熱源的作用下完成的，激光束就是激光焊接的熱源，不同工藝參數(shù)下激光能量在焊縫各區(qū)域的分布發(fā)生改變，導(dǎo)致整個(gè)焊縫各區(qū)域焊接熱循環(huán)的改變，使得整個(gè)焊縫組織發(fā)生改變。真空環(huán)境激光焊接與常規(guī)激光焊接相比，焊接熱循環(huán)的改變的影響因素主要有兩方面，一方面是等離子體被抑制對(duì)激光能量的影響，一方面是環(huán)境壓力改變對(duì)散熱條件的影響。
在常規(guī)激光深熔焊過程中，激光束照射在焊接材料表面，使焊接材料在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈的氣化現(xiàn)象，形成匙孔.匙孔會(huì)向外噴出大量的金屬蒸氣，這些金屬蒸氣中的金屬氣體原子以及保護(hù)氣中的氣體分子會(huì)在激光的高能量作用下發(fā)生電離，形成一團(tuán)致密的光致等離子體.等離子體對(duì)激光發(fā)生折射、散射、吸收作用，使激光束的能量密度降低.真空環(huán)境可以抑制焊接過程中的等離子體，減少因?yàn)榈入x子體折射、散射以及吸收造成的激光能量損耗，提高焊接過程熱輸入，進(jìn)而增加焊縫熔深。
真空度改變會(huì)導(dǎo)致工件散熱條件改變[15]。在大氣環(huán)境下，保護(hù)氣的流動(dòng)會(huì)加快焊縫頂部對(duì)流換熱，冷卻速度較快.在真空環(huán)境下，由于真空度的提高，氣體分子減少，對(duì)流換熱的載體減少，散熱效率也就會(huì)下降.氣體分子在真空艙內(nèi)壁與試板之間進(jìn)行對(duì)流換熱，當(dāng)真空度提高時(shí)，對(duì)流換熱效率將逐漸降低直至接近為0，散熱大部分靠熱輻射與熱傳導(dǎo)進(jìn)行，試件的整體散熱速度下降，焊縫冷卻速度下降，使得焊縫組織轉(zhuǎn)變，具體原理圖如圖17。
3、結(jié)論
(1)真空環(huán)境可明顯改善TC4鈦合金激光焊接工藝特性，相較于大氣環(huán)境，焊縫由“丁字”形變?yōu)椤笆种浮毙?，焊縫熔深顯著增加，焊縫表面成形明顯改善。
(2)真空環(huán)境焊縫組織與大氣環(huán)境焊縫組織種類差異不大，均為α′針狀馬氏體.大氣環(huán)境焊縫熱影響區(qū)寬度大，存在更多α′針狀馬氏體.真空環(huán)境下熱影響區(qū)寬度明顯減小，從母材到焊縫晶粒逐漸長大，存在更多的α′針狀馬氏體。
(3)無論是在大氣環(huán)境還是在真空環(huán)境下，整個(gè)焊縫的硬度趨勢(shì)類似.焊縫顯微硬度呈馬鞍形分布，焊縫處于高硬度區(qū)，大氣環(huán)境焊縫平均硬度約為390HV，高于真空環(huán)境焊縫平均顯微硬度360HV.對(duì)焊縫進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，不同環(huán)境下焊縫的拉伸試件全部斷裂于母材部位，試件的抗拉強(qiáng)度為960~980MPa。
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第一作者：孟圣昊，博士研究生；主要研究方向?yàn)榧す夂附蛹夹g(shù)； Email：mengshenghao2011@163.com.
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