TC4钛合金激光自熔焊焊接组织及性能

前言

钛及钛合金因其具有密度低、高比强度、耐冷热性能好、抗阻尼性能强、抗冲击韧性高、耐疲劳性强及弹性模量低等优点，且在宽温域及高温环境中具有较好力学性能，被誉为航空航天飞行器及装备的制造中不可或缺的材料[1-3]。在钛合金零部件的加工制造过程中，不可避免的需要机械加工和连接，为了减少材料浪费和降低加工成本，熔焊技术是一种降本增效的连接工艺。然而，由于钛合金的高熔点，且在高温下易于与氧、氮等化学元素发生化学反应，引起焊接裂纹和气孔等焊接缺陷[4]，同时还会产生延迟裂纹，这是由于与氢元素发生化学反应。所以，钛合金的焊接过程中存在严峻的挑战。

对于钛合金材料和零部件，传统的熔化焊接方法主要是钨极氩弧焊（TIG）[2]、熔化极气体保护焊（MIG/MAG）[5]、等离子弧焊（PAW）[6-7]及电子束焊（EBW）[8]等方法。TIG，MIG/MAG存在焊接热输入大、焊接效率低、材料利用率较低、生产周期长等问题；PAW虽然焊接效率较TIG，MIG/MAG有所提升，依然存在上述问题；EBW能量密度高、焊接质量好，但是需要在真空环境下作业，抽真空大大的降低焊接效率。激光焊作为一种新型的高能束焊接技术，具有高效率、高能量密度、接头质量好、穿透能力强、焊接速度快、热影响区小及焊接变形小等优点，因而，对于钛合金构件，采用激光焊接技术具有很大的优越性[9-11]。不过，焊缝的焊接质量受到焊接热循环的影响是一个复杂的物理化学反应过程，为了获得良好的焊接接头，需要探究焊接工艺及焊接微观组织和力学性能的相互影响，该文采用光纤激光器对3mm TC4钛合金板材进行激光焊接试验，研究了焊接接头的显微组织、显微硬度及力学性能。

1、试验材料与方法

试验选用德国IPG公司的光纤激光器，设备型号为YLS-3000，输出功率最大功率为3.0kW，瑞利长度为10.3mm，波长为1.07μm，光纤直径为300μm，离焦量为+10mm，零离焦时的光斑直径为0.72mm。试验材料采用TC4钛合金薄板，尺寸为100mm×50mm×3.0mm，其化学成分见表1。为了保证焊接试板干燥整洁，焊前对钛合金薄板进行烘干、角磨机打磨、酒精清洗去除表面氧化膜和污染物。焊接工艺参数见表2。

试验完毕后，对TC4钛合金试板线切割，获取金相试样，微观硬度试样和拉伸试样切割，其中母材与焊接接头的拉伸试样尺寸，如图1(a)所示，焊缝位于试样中心区域。金相和SEM显微组织采用Keller试剂侵蚀为HF:HNO₃:H₂O=1:5:44。焊接接头的物相使用X射线衍射仪（XRD）精准地进行定性及定量分析，测试参数：角度范围2θ=20°～100°，扫描步长为0.02°。在沿焊缝的横截面上以0.3mm的间隔2.94N（300g）的力进行显微硬度测试，测试15s。室温拉伸试验在Zwick-Z100万能试验机上进行，加载拉伸速率为0.5mm/min。根据GB/T2653—2008和GB/T2650—2008对焊接接头进行弯曲与冲击性能测试，其中冲击试样为55mm×10mm×2.5mm，如图1(b)所示。断口形貌采用SEM进行观察，结合EDS分析夹杂物等。

2、试验结果与讨论

2.1焊接工艺

不同激光功率下产生的焊接接头成形（正面和背面）形貌，如图2所示。当焊接速度为固定值（v=20mm/s）时，随着激光功率（P<2.6kW）的增加，焊缝的熔深逐渐增加，从未焊透到烧穿，产生表面凹槽等，如图2(a)所示。焊缝的熔宽增加，呈现为近似线性规律，如图2(b)所示，这是由于光致等离子体冲击匙孔，反作用与匙孔周围的金属液向熔池的宽度方向铺展所致。激光焊道光亮、美观，焊缝表面未出现飞溅等缺陷，这表明：通过优化激光焊接工艺可获得表面质量较好的TC4焊缝。

图3为焊接速度对焊接接头成形的影响，由HI=P/v可知，焊接速度与激光功率对焊缝的成形具有反作用，此处不做赘述。经过工艺优化后，在激光功率为2.8kW，焊接速度为20mm/s，离焦量为+5mm时，可以获得激光焊接接头宏观形貌良好，成形美观的焊缝，焊道平滑、平整，焊缝表面无飞溅及无裂纹等缺陷，如图4(a)～图4(b)所示。图4(c)为激光焊接TC4接头的X射线探伤结果。检验表明：焊缝成形良好，内部无气孔、裂纹、未焊透等缺陷。

2.2显微组织

图5为焊接接头的宏观和微观显微组织形貌特征。图5(a)为焊接接头的显微组织形貌，可分为3个区域，分别为焊缝（WZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM）。

图5(a)中Ⅰ区可发现焊缝区域内部形成了大量的拉长的原始β晶粒（类似柱状晶粒），如图5(b)和图5(e)所示。原始β晶粒的内部析出长径比大的针状的马氏体(M)。在焊接过程中，焊接区域内部由下及上在一定范围内形成温度梯度，高温β晶粒会顺着温度梯度的方向快速生长，最终形成柱状β晶粒。当温度降低至低于β相转变温度(Tβ)时，理论上会发生β→α+β的固态相变，但由于焊接接头位置熔池区域较小，熔体冷却速率极快，导致高温β相来不及完成固态相转变形成α相，而是仅仅发生切边相变，形成马氏体相。在马氏体相形成过程中，不发生原子的扩散，仅发生原子近距离的迁移。图5(a)中Ⅱ区的热影响区中存在明显的组织变化的分界线，靠近焊缝组织一侧的组织为内部分布着大量马氏体相的β晶粒，在靠近基体区域一侧为拉长的初生α晶粒，如图5(c)和图5(f)所示。此区域内的β晶粒尺寸明显小于焊缝区域中β晶粒尺寸，主要是由于其靠近母材，冷却速率较快导致的。图5(a)中Ⅲ区母材中主要分布着被压扁拉长的初生α晶粒，表明母材在钛合金双相区低温段发生了塑性变形，如图5(d)和5(g)所示。

图6为母材和焊接接头的显微组织。母材为典型的变形组织，两种形貌的α晶粒，分别为大尺寸初生α晶粒和尺寸细小的再结晶等轴α晶粒。初生α晶粒沿着变形的方向被压扁拉长，如图6(a)所示。其中初生α晶粒的尺寸（宽度）为8.98μm，再结晶晶粒的直径为2.46μm，如图6(b)所示。热影响的组织呈现针状马氏体交错排布的特征，但马氏体的长度（长径比）明显小于焊缝区域。这是由于焊接过程中热影响区的温度不足以导致合金母材熔化，只能使α相转变为高温β相，在冷却过程中，针状马氏体从高温β相中析出，由于此时过热度较小，马氏体相转变的驱动力也较小，导致马氏体相变范围减小，最终得到长径比较小的马氏体相，如图6(c)所示。焊缝组织中的针状马氏体交错排布，呈现典型的网篮组织特征，内部的马氏体相具有极大的长径比，宽度达到亚微米级别，这有利于焊接接头部位抗拉强度和蠕变抗力的提升。由于电焊熔池区域尺寸较小，在冷却过程中，熔池内部的高温熔体快速冷却，β相来不及通过扩散转变成平衡的α相，而是通过原子集体有规律的近程迁移实现切变相变，形成交错排布的针状马氏体相，如图6(d)所示。

2.3XRD物相

图7为TC4焊接接头的XRD图谱。XRD图谱中的衍射峰主要包含αʹ马氏体相不同晶面的衍射峰和微弱的β相（110）晶面的衍射峰。以上表明，焊缝位置的相组成为大量的αʹ马氏体相和少量的高温残β相。αʹ马氏体相的形成主要是由于焊接凝固阶段焊缝熔池内部的高温熔体的快速冷却导致，且由切变相变得到的αʹ马氏体相边界处依然有少量高温β相残留。焊接接头部位大量的αʹ马氏体相的形成致使焊接接头微观硬度和抗拉强度增加。

2.4显微硬度

图8为激光焊接接头的显微硬度分布。图8(a)为激光焊接接头横向显微硬度分布，母材显微硬度值约为360HV，焊接接头呈现为驼峰形态，随着与焊缝中间距离的增加热影响的显微硬度逐渐增加；在熔合线区域为硬度最大，为400HV；焊缝的硬度出现了大小浮动，平均硬度约为385HV；因为在热循环作用下，焊缝凝固时出现成分起伏、能量起伏引起发生马氏体转变，β相向针状αʹ相转变引起微硬度差异。

图8(b)为激光焊接接头的纵向显微硬度分布，焊缝内部区域的硬度均大于母材区域，结合显微组织和XRD分析可知，在激光焊接过程中，焊缝中形成大量具有高的位错密度和孪晶的针状αʹ马氏体的形成引起的。

2.5接头力学性能

为了验证激光焊接接头的力学性能的优越性，采用对焊接接头进行室温拉伸测试试验，测试依据为国家标准GB/T2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》测试焊接接头的综合性能指标，抗拉强度、屈服强度与断后伸长率等，最佳工艺参数下的焊接接头及母材的应力−位移图，如图9所示。焊接接头的抗拉强度为1030MPa，屈服强度为937MPa，断后伸长率达9%，焊接母材的抗拉强度为1036MPa，屈服强度为941MPa，断后伸长率达8.5%，断裂位置均位于母材区域，对比拉伸数据表明：激光焊接能够获得优越力学性能的焊接接头。

图10为焊缝拉伸断口形貌。断口处不同区域的微观形貌均呈现出韧窝特征。对于不同的区域的韧窝的大小不一致，试板表面发生撕裂，断口约为45°，剪切断口位置呈现细小塑性等轴的韧窝，如图10(b)所示；在焊缝中心的断面高低不平且出现台阶性形貌，韧窝深度大小不同，说明断裂呈现为韧性断裂，如图10(c)和图10(d)所示。这说明：激光焊接能够获得优越力学性能的焊接接头，且能够获得韧窝特征的断口形貌。

根据GB/T2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》对焊接接头进行弯曲性能测试，测试曲线和测试结果如图11和表3所示，焊缝的正弯和背弯在弯曲角10°时没有发现目测微裂纹，表明：焊接接头的塑性良好。

根据GB/T2650—2008《焊接接头冲击试验方法》，对焊接接头的不同位置（母材、热影响区和焊缝）进行测试，每种试样做3个并取平均值，试验结果如图12所示。母材（BM）的冲击性能为7.4J，高于热影响区（HAZ）和焊缝（WZ），其中焊缝的冲击性能最低（3.5J）。这是因为冲击性能与对应的微观组织密切相关，母材区域主要是由等轴的细小α晶粒构成，而焊缝区域主要为αʹ马氏体，而热影响区的冲击性能为6.1J，因为热影响区发生了部分组织演变，因而冲击性能介于母材和焊缝之间。

3、结论

（1）激光焊接TC4钛合金能够或的良好的焊缝成形，焊缝成形美观平整，内部无气孔、裂纹、未焊透等缺陷。

（2）焊接接头由母材、热影响区和焊缝构成。母材为典型的变形组织，大尺寸初生α晶粒和尺寸细小的再结晶等轴α晶粒。热影响区呈现针状αʹ马氏体交错排布。焊缝组织呈现典型的网篮组织，为大量的αʹ马氏体相和少量的高温残留β相。

（3）焊接接头显微硬度成驼峰分布，由母材到热影响区逐渐增加，熔合线显微硬度最大，为400HV。焊缝内部区域的硬度均大于母材区域，这是因为焊缝中形成大量具有高的位错密度和孪晶的针状αʹ马氏体的形成。

（4）焊接接头的抗拉强度为1030MPa，屈服强度为937MPa，断后伸长率达9%，与母材相当，断裂位置位于母材区域，断口形貌均呈现为韧性断裂模式，显微组织呈现出大小不一的等轴性韧窝形貌。弯曲性能测试表明：焊接接头的塑性良好；冲击性能测试表明：母材的冲击性能高于热影响区和焊缝，其中焊缝的冲击性能最低（3.5J）；这是因为焊缝主要是由大量的αʹ马氏体相构成。

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第一作者： 张 世 伟 ， 博 士 ， 工 程 师 ； 主 要 从 事 金 属 材 料 焊接 与 连 接 技 术 及 电 弧 增 材 制 造 技 术 的 研 究；

zswhit@126.com。

本文引用格式：

张世伟, 王珏, 佀好学, 等. TC4 钛合金激光自熔焊焊接组织及性能[J]. 焊接, 2024（6）：33 − 39, 46.

Zhang Shiwei, Wang Jue, Si Haoxue, et al. Microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy by autogenous laser welding[J].Welding & Joining, 2024（6）：33 − 39, 46.

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