基于正交实验的TC4钛合金激光焊接头组织性能优化研究

许爱平 董俊慧 甄邵杨 张艺程

摘要：为研究5 mm TC4钛合金激光焊的最优工艺参数，采用YLS-10000型光纤激光器进行实验。设计三因素、三水平正交实验，研究功率、速度和活性剂对熔宽、熔深和成型系数的影响。通过极差方法优化工艺，并用综合平衡找出最佳工艺。结果表明，工艺对熔宽的影响按大小排列为活性剂>速度>功率，熔宽的最优组合是A3B1C2;工艺对熔深的影响按大小排列为速度>功率>活性剂，熔深的最优组合是A3B1C2;工艺对成型系数的影响按大小排列为活性剂>功率>速度，成型系数的最优组合为A2B3C3。经过综合评价最优工艺是功率为2 900 W，速度为0.06 m/s，活性剂为YbF3。优化后焊缝组织为针状马氏体α′，在融合区组织为等轴晶，热影响区主要为α+β+α′，且越靠近焊缝的热影响区晶粒越粗大，晶内马氏体越多、越密集。接头硬度值随着与焊缝中心距离的增大先降低后升高，且在距离焊缝中心0.8～1.2 mm粗晶区硬度发生突变，存在一个软化区。

关键词：TC4钛合金;激光焊;正交实验;工艺优化

0    引言

TC4钛合金具有密度低、比强度高、高温性能良好、耐腐蚀性能好、无毒无磁、焊接性和生物相容性良好等特点，在航空航天、航海、兵器、化工、生物医药等领域具有广泛的应用前景[1-3]。近年来，随着我国航空航天技术及钛金属冶炼技术的快速发展，钛合金的产量和需求量逐年增加，其中TC4钛合金占主导地位，由此可见，钛合金材料是今后发展的一个重要方向。钛合金应用的持续增长对其焊接技术提出了更高要求，激光焊、电子束焊和钎焊是钛合金连接方法中的重要选择[4-5]。随着激光技术、机器人技术及计算机技术的快速发展，激光制造已成为航空工业的重要方法[6-7]，其具有焊接效率高等优点，越来越受到重视，将来会逐渐成为钛合金焊接的主要方法。提高钛合金综合性能具有重要意义，研究表明，激光焊接相对于其他焊接具有焊缝截面窄、组织晶粒细小的优点，较小的组织晶粒会使焊缝力学性能更佳。但是鈦合金在激光焊接的实验中也存在着焊接接头出现气孔、夹杂、焊缝晶粒粗大等问题[8-9]，可以借鉴A-TIG的实验成果，将活性剂应用到钛合金激光焊接中，进而有效减少钛合金激光焊接出现的问题，并且使焊接接头的组织细化，提高焊接接头的力学性能。

1    正交实验设计

1.1    实验材料

焊接实验材料选用母材为5 mm的TC4钛合金，其化学成分与力学性能如表1、表2所示。将母材加工成尺寸为90 mm×30 mm×5 mm的焊接试样，采用单道激光焊。对TC4母材进行严格的焊前表面预处理：砂纸打磨→丙酮→清水冲洗→酸洗→清水冲洗→烘干待焊，选用5%HF+5%HNO3+90%H2O的腐蚀液对试样进行腐蚀，采用蔡司光学显微镜观察分析接头组织。利用日本D/MAX-2500/PC型X射线衍射仪对接头进行物相分析，保护气体为99.9%的纯氩气。

1.2    实验设备

本次实验使用的光纤激光焊接设备是由德国Photonics公司生产的IPG，能够达到最大的输出功率为10 kW，输出的光波的波长为1 025～1 080 nm。在焊接实验过程需要与由德国KUKA公司生产的KR-C4型高精度6轴机器人系统以及立柱—轴变位机配合使用。

1.3    实验方案设计

该实验是三因素、三水平正交实验;其中，三因素分别为功率、速度、活性剂，功率三水平为2 800 W、2 900 W、3 000 W，速度三水平为0.04 m/s、0.05 m/s、0.06 m/s，活性剂三水平为Na2SiF6、NaF、YbF3。因素水平表如表3所示。

2    实验结果分析

极差分析可确定影响实验结果的主次因素，极差值R大表明该因素对实验结果的影响大，是主要因素;反之为次要因素。通过极差分析方法判断各因素对试样熔宽、熔深、成型系数的影响，TC4激光焊的极差分析结果如表4所示。

由结果可知，工艺对熔宽的影响按大小排列为活性剂>速度>功率，对应的最优组合是A3B1C2;工艺对熔深的影响按大小排列为速度>功率>活性剂，其最优组合是A3B1C2;工艺对成型系数的影响按大小排列为活性剂>功率>速度，其最优组合是A2B3C3。

3    综合平衡法分析最优组合

多指标正交实验中，各个指标所计算出的工艺参数组合可能存在不一致，因此在综合分析时需要应用综合平衡法，考虑各个因素、实际实验等确定最优水平，设计出显著减小熔宽、增加熔深的工艺参数。不过熔深太深会导致焊缝有气孔产生，以熔宽和成型系数为指标进行综合评价，最终确定最优工艺组合为A2B3C3，即功率为2 900 W，速度为0.06 m/s，活性剂为YbF3。

4    优化实验

在三因素三水平正交实验下，对焊接熔深、熔宽、成型系数进行极差计算，从而得出TC4钛合金激光焊的最优工艺组合为A2B3C3，即功率为2 900 W，速度为0.06 m/s，活性剂为YbF3，工艺参数如表5所示。

4.1    TC4钛合金母材微观组织

图1所示为TC4钛合金在室温下的微观照片，TC4钛合金母材组织为等轴状白色的α相和黑色的β相组成的机械混合物，β相均匀依附在基体α相的周边，二者相互交错分布。

4.2    接头组织与性能

图2、图3分别为功率为2 900 W涂活性剂YbF3和没有涂覆活性剂时激光焊接头横截面形貌和200倍焊缝中心到母材的显微组织。由图可见，在激光焊过程中，TC4钛合金母材中的等轴晶消失，焊接接头被分为焊缝区（WM）、熔合区（FZ）、热影响区（HAZ）及母材（BM）四个区域。

由图2（b）可见，焊缝中心为粗大的β柱状晶，其柱状晶晶界清晰可见，β柱状晶内部为纵横交错的针状马氏体α′相，α′相为合金元素在α相中的过饱和固溶体。针状马氏体α′相在激光焊的过程中，随着焊件不断吸收能量，当焊件中的液态金属达到（α+β）/β相变点时，α+β双相就会转变为高温的β相，在随后的冷却过程中，由于焊件合金的冷却速度快，高温β相的元素来不及发生β/α相的转变，只能通过非扩散的方式转变为与母体成分相同、晶体结构不同的过饱和固溶体α′，即发生马氏体相变。如图2（c）所示，在融合区组织为等轴晶，在焊焊接过程中，焊接温度达到TC4钛合金的熔点，这样会使母材的α相和β相发生重熔，在焊接凝固的过程中，由于熔池的温度高，而靠近母材的一侧温度低，这样焊缝液态金属与母材之间会形成一个温度梯度，促进了形核的生长，抑制了晶粒的长大，从而使融合区为细小的等轴晶。如图2（d）所示，热影响区主要为α+β+α′，这是因为双相钛合金从β相区和接近（α+β）/β相变点的高温淬火均能生成α′，在焊接过程中，热影响区加热到α+β双相区，部分α转变为高温β，又由于热影响区冷却速度较焊缝区低，而且仅有部分α+β转变为β相，因此热影响区的α′比焊缝中的α′更少、更细小，且与远离焊缝的热影响区相比较，靠近焊缝热影响区温度更高，发生马氏体相变的β更多，高温停留的时间较长，靠近焊缝的热影响区晶粒更加粗大，马氏体更多、更密集。

图3为200倍下涂覆YbF3激光焊的焊缝区、融合区、热影响区的显微组织。由图3（b）可知，焊缝的β晶粒也是由针状马氏体组成的网篮状组织，由图3（c）可知，融合区为等轴晶，晶内为细小的针状马氏体α′，且与未涂覆YbF3的显微组织无区别。但涂YbF3焊缝内部组织得到明显的细化，马氏体α′更加细小，晶粒内的针状所交织而成的网状组织增加且更加密集。由此可见，涂覆YbF3可以细化焊接的晶粒和晶粒内部的针状马氏体。

4.3    接头显微硬度

图4为优化工艺条件下接头显微硬度的分布情况，两组试样硬度值随着与焊缝中心距离的增大呈先降低后升高的趋势，即从焊缝中心到热影响区，硬度值下降，从热影响区到母材，硬度值上升，其中焊缝区域的硬度大于母材硬度，且在距离焊缝中心0.8～1.2 mm粗晶区硬度发生突变，存在一个软化区。这是由于在冷却过程中焊缝区形成α′，且焊缝区α′数量多于热影响区，故接头硬度值先降低后升高。相比未涂活性剂焊缝，涂覆YbF3焊缝的硬度有所增加，而马氏体的密集程度是硬度增加的原因。

5    结论

（1）通过设计L9（33）正交表作为实验方案，以熔宽、熔深及成型系数为指标，采用极差分析方法，分析得出影响熔宽的主次因素为活性剂>速度>功率，熔宽的最优组合是A3B1C2;影响熔深的主次因素为速度>功率>活性剂，熔深的最优组合是A3B1C2;影响成型系数的主次因素为活性剂>功率>速度，成型系数的最优组合为A2B3C3。以熔宽和成型系数为指标，采用综合评价得出最优工艺是功率为2 900 W，速度为0.06 m/s，活性剂为YbF3。

（2）在功率为2 900 W、速度为0.06 m/s、活性剂为YbF3的优化实验中，焊缝组织为针状马氏体α′，在融合区组织为等轴晶，热影响区主要为α+β+α′，且越靠近焊缝的热影响区晶粒越粗大，晶内马氏体越多、越密集。接头硬度值随与焊缝中心距离的增大先降低后升高，且在距离焊缝中心0.8～1.2 mm粗晶区硬度发生突变，存在一个软化区。

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收稿日期：2020-01-15

作者简介：许爱平（1992—），男，甘肃陇西人，硕士研究生，研究方向：钛合金激光焊。