Ti75合金激光焊接接头的组织及力学性能

曹守启，何 鑫，刘婉荣，冯杰才

(1.上海海洋大学 工程学院，上海 201306；2.上海锐戎激光焊接技术有限公司, 上海 201306)

海洋在国家经济发展全局中的地位和作用日益突出，意味着对船舶材料的工艺与性能要求不断提高。钛合金具有强度高、耐热性高和耐蚀性强等特点，广泛应用于船舶制造领域[1-3]，焊接是其主要的连接工艺。然而，钛合金对焊接工艺要求较高，焊接接头易出现应力集中、组织不均匀等现象，成为影响焊接接头质量的重要因素[4-6]。相对于其他焊接方式，激光焊接具有能量集中、速度稳定、焊后接头美观等优点，可在海洋工程装备中推广使用[7]。

Ti75合金是一种具有中等强度、耐腐蚀、高韧性等特点的新型材料，可在船舶建造过程中大范围使用，在提升船舶各方面性能上拥有较好的前景[8]。现有的激光焊接接头组织研究都是针对其他钛合金材料，针对Ti75合金激光焊接接头组织及力学性能研究的不多。王维新等[9]对GTi70与TC4异种钛合金材料激光焊缝组织与性能进行了分析，结果表明，脉冲激光焊缝热影响区较窄，母材损伤小，焊缝强度与塑性优于连续激光焊缝。李文杰等[10]对Ti75合金的焊接工艺进行系统的研究，通过焊接参数调试及优化，获得了接头综合力学性能良好，强度和韧性超过母材水平的焊接接头。奚泉等[11]对Ti75合金TIG焊接头力学性能进行研究，结果表明，Ti75合金焊接接头的抗拉强度与母材相近,接头表现出良好的塑性。Wang等[12]针对TC4钛合金焊接接头，对其组织、力学性能和键合机理进行了研究和探讨。Kumar等[13]研究了脉冲激光焊接中钛合金热输入对组织和力学性能的影响。探究Ti75合金激光焊接热输入量对焊接接头组织及力学性能的变化规律，对提高钛合金加工工艺具有一定指导意义。

本文采用10 kW的连续光纤激光器对3 mm厚的Ti75合金板进行了激光焊接，研究了激光焊接接头的组织变化情况及其力学性能，为该合金的激光焊接工艺提供一定的参考标准。

1 实验设备及方法

实验材料为Ti75合金，尺寸为200.0 mm×100.0 mm×3.0 mm，表1为材料的化学成分组成，表2为材料的力学性能。

表1 实验材料的化学成分(质量分数/%)

表2 实验材料的力学性能

依据《GBT 19867.4-2008激光焊接工艺规程》，针对3 mm厚的Ti75合金板，采用10 kW的连续光纤激光器进行了激光对接焊。焊接前先把待焊接部位用打磨机和砂纸打磨平整，再用酒精擦拭待焊接部位，待其挥发后进行试验。试验采用KUKA机器人激光焊接系统，如图1所示。其中KUKA机器人由光纤激光器、机械臂、冷却装置等系统组成。激光器为IPG公司生产，焊接激光头聚焦焦距为382 mm。

图1 KUKA机器人激光焊接系统

实验中保持焊接速度不变，通过调整激光功率得到不同的热输入量，在此基础上进行焊接实验，实验中所使用的激光焊接工艺参数如表3所示。控制激光器的功率分别为2.7、3.0、3.1和3.3 kW, 分别标号为1#, 2#, 3#, 4#。由式(1)可得，保持焊接速度为2.4 mm/s不变，可得到激光功率在2.7 kW到3.3 kW所对应的热输入为67.5、75.0、77.5和82.5 J/mm。由于试件在焊接过程中与空气接触容易发生氧化反应，所以整个焊接过程中试件的正反面皆采用惰性气体进行保护，选用气体为99.9%氩气，控制氩气的流量在20 min/L左右。

表3 Ti75合金的焊接参数

(1)

式中：E为热输入量；P为激光功率；v为焊接速度。

实验结束后，对焊接接头试样进行机械抛光，再采用体积分数为4.0%的硝酸乙醇溶液进行化学腐蚀，之后进行接头组织观察；按图2所示，将焊接后的Ti75合金板加工成标准拉伸试样，进行拉伸性能测试；选取焊接接头较好的试件，在试件接头上表面1/3处进行显微硬度测试。

图2 拉伸试样的尺寸(单位：mm)

2 实验结果和分析

2.1 接头的外观形状

在4种不同大小的激光输入能量下，得到焊接接头外观形状如图3所示，从图3可以看出，在热输入量从67.5提高到82.5 J/mm时，所有试件的焊接接头完全被熔透，且接头大部分呈现银白色，小部分出现淡黄色，说明焊缝氧化程度低。焊接接头连续未出现明显的缺陷，成型美观。

图3 不同热输入下接头外观形貌

将焊缝沿着横截面切开，由图4可以看出，在不同激光功率下，焊接接头形状分为3个不同的部分，焊缝区(WS)、熔合线区(FL)和热影响区(HAZ)。WS是钛合金试件在热输入下变成液体又凝结成固体的部位，HAZ是指在焊接热循环作用下，焊缝两侧的材料还未熔化成液体，但由于热量作用发生明显的组织和性能变化的部位。

图4 不同热输入下接头形貌

在焊接的过程中，钛合金表面的少量材料受热输入的作用发生气化脱离，这些材料的瞬间气化会产生一个作用力作用在试件上，同时，钛合金试件由于热输入作用也会发生液化，产生熔融的液体。随着热输入逐渐增大，钛合金试件发生气化的现象逐步明显，产生的作用力也会逐渐增大，当这些作用力大于钛合金液体向其周围施加的力时，会挤压钛合金液体向周围运动，从而接头表面产生了一些凹陷[14]。当激光束产生的能量达到一定值时，这些能量能够击穿材料形成气孔，受热量影响产生的金属气体会随之向上和向下迸发，从而在这两个地方造成变形。随着激光能量进一步增加，达到77.5和82.5 J/mm时，此时由于过多的能量摄入，大部分激光能量可以透过整块钛合金板，直至焊接样品的底部，造成焊接部位出现的下塌现象更加明显。

随着热输入的逐渐增大，焊缝的熔宽也逐渐增大，测得4种热输入条件下的熔宽分别是1.90、2.32、2.51和2.85 mm。

2.2 焊缝接头的显微组织

1)母材组织。图5为Ti75合金的原始显微组织，其主要由两种不同形态的α相组成：等轴α相和片状α相。等轴α相和片状α相这两种形态在显微组织中被称为双态组织，在两种α相之间填充了原始β相。即母材显微组织由等轴α相、片状α相以及少量β相组成，纵向条纹形成一种特色的织构组织。

图5 Ti75合金原始组织

2)焊合区。不同热输入下焊合区的显微组织如图6所示，焊合区的组织与母材相比发生了较大的变化，该区域形成了针状等轴α相和β相，并且产生了大量的马氏体组织。发生这一转变是由于激光焊接的过程中，在激光束高强度的功率密度下，原始母材粗大的β晶粒受热发生熔化变形，产生了动态再结晶，从而析出α相，形成了等轴晶粒组织。

图6 Ti75合金焊接接头的显微组织

Ti75合金激光焊接后焊缝中存在大量的马氏体组织，且随着热输入量的增大数量逐渐增多。该组织是由β相转变而来。图6中显示的是焊缝典型组织：马氏体和马氏体条。图中片或针片之间残留的黑色组织为残余β相，大量的粗条状马氏体、马氏体条互相交错，并在交错点处停止生长，表现出交错角形态。观察焊缝中的马氏体，其都在晶界处停止生长，快速冷却过程中形成的马氏体与缓慢冷却过程中形成的α相具有相同的结构，二者的主要区别是马氏体在原晶体中停止生长[15]。

2.3 性能测试及分析

2.3.1 拉伸性能

焊接接头的力学性能和断裂类型如表4所示。在热输入量为67.5、75.0和77.5 J/mm时，拉伸试件的断裂位置均未发生在焊接接头的部位，即焊接接头的抗拉强度高于其他部位；当热输入量上升到82.5 J/mm时，此时的断裂位置发生在焊缝。分析其原因认为，随着激光功率的增加，焊接接头的熔宽逐渐变大，接头缺陷逐渐增加，对接头力学性能造成的影响变大，在拉伸过程中会造成焊缝区域发生断裂。

表4 不同热输入下焊接接头的力学性能

因此，在合理的热输入下得到的Ti75合金焊接接头，断裂位置发生在母材, 接头的力学性能能达到母材标准，满足性能要求。

2.3.2 显微硬度

选取热输入量为75.0 J/mm时的焊接接头进行硬度测试，每隔0.1 mm测试一个数据，得到的横向接头硬度分布如图7所示。接头硬度在母材最低，热影响区的硬度最高，焊合区的硬度比热影响区的略低。Ti75合金母材的硬度平均值为265HV，熔合线附近的硬度值在315HV左右，焊合区的硬度值则在340HV到380HV之间上下波动，没有出现明显的软化现象。

图7 75.0 J/mm热输入量的接头硬度测试结果

分析原因可知，激光焊接的过程从母材到焊缝的组织是连续变化的，材料在热输入下发生了剧烈变形，材料的马氏体含量增加，导致了硬度上升,由于焊合区发生了动态再结晶，强化效果变小。所以硬度值从母材到热影响区呈现上升，到焊缝又呈现一定的下降趋势。

3 结 论

1)在激光功率3 kW、焊接速度2.4 mm/s，离焦量1 mm的工艺参数下，Ti75合金焊接效果较好，且焊接接头性能较高。

2)随着焊接热输入量的增大，焊接接头的熔宽逐渐增加，焊接接头明显分为焊缝(WS)、熔合线(FL)和热影响区(HAZ)。母材为等轴α相和少量β相，纵向织构组织；焊合区发生了动态再结晶，呈现针状等轴α相和原始β相。

3)激光焊接接头在合理的热输入下，拉伸断裂位置位于母材，其抗拉强度为740 MPa左右，满足性能要求。焊接接头的硬度值也高于母材。