激光振荡扫描焊接Ti2AlNb/TC4焊缝组织及力学性能

刘捷， 谢美蓉， 王梦飞， 刘天亮， 王克鸿

(1.南京理工大学，南京 210094；2.受控电弧智能增材技术工信部重点实验室，南京 210094；3.首都航天机械有限公司，北京 100076)

0 前言

TC4 (Ti-6Al-4V，质量分数，%) 合金由于其优异的比强度、耐腐蚀性和高温蠕变性能在航空航天工业中得到了广泛的应用[1-6]。Ti2AlNb基合金作为最新的一种钛铝金属间化合物，具有比强度高、断裂韧性高、抗氧化性好、热膨胀系数低等特点，已经成为了最具潜力的新型航空航天用轻质高温结构材料[7-10]。迄今为止，已有不少研究人员对Ti-22Al-23Nb(原子分数，%)、Ti-22Al-25Nb (原子分数，%)和Ti-22Al-27Nb (原子分数，%)等Ti2AlNb基合金进行了研究[11-14]。TC4合金和Ti2AlNb基合金都特别适合用于航空航天领域。在一些航空发动机中，双合金结构常被用作关键部件。但是使用传统方法对TC4和Ti2AlNb基合金焊接时经常出现焊接气孔等缺陷，与母材相比焊缝强度、断后伸长率均有较大下降。因此，研究TC4合金和Ti2AlNb基合金的异种金属连接方法，对于推进钛铝系合金在航空航天工业领域中的应用具有重要意义。

目前，国内外研究人员主要采用电子束焊和激光焊技术实现Ti2AlNb/TC4系列异种金属的连接[15-17]。Tan等人[16]采用电子束焊接技术进行了Ti-22Al-25Nb/TC11异种合金的连接，研究发现TC11一侧热影响区的组织主要为α’马氏体相，焊缝中的组织主要为O/α2相，Ti-22Al-25Nb一侧热影响区的组织主要为B2相。Lei等人[15]研究了激光焊接Ti-22Al-27Nb/TC4接头的显微组织和力学性能。结果表明，Ti-22Al-27Nb一侧热影响区的组织主要为B2相和少量残余粗化α2相，TC4一侧热影响区的组织主要为α’马氏体相、针状α相和原始α相，而焊缝的组织主要为B2相和α’马氏体相。Ti-22Al-27Nb/TC4焊接接头的平均抗拉强度可达到TC4母材的92%左右，但断后伸长率低于TC4母材的40%。

激光振荡扫描焊接技术可以在熔池中形成涡流，对熔融金属进行强烈地搅拌，从而实现破碎枝晶、细化晶粒的目的。使用振荡扫描激光进行Ti2AlNb与TC4合金尚未被报道。文中对Ti2AlNb/TC4异种金属激光振荡扫描焊接进行了研究，规划扫描路径，设定不同的扫描频率，通过对焊接接头的微观组织观察及力学性能测试，来探讨激光焊接扫描频率对接头微观组织演变的影响及所带来的力学性能变化，并优化确定合适的激光焊接工艺参数，为Ti2AlNb基合金与TC4合金在航空航天工业领域中的实际应用提供理论支持和技术参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用Ti-22Al-25Nb铸态合金与Ti-6Al-4V轧制态合金作为试验材料，通过线切割加工为30 mm×30 mm×2 mm规格的试样,合金的主要化学成分见表 1。

表1 合金的主要化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

试验采用的激光器为IPG公司生产的IPG-10000W光纤激光器，工作模式为连续式，最大输出功率为10 kW，输出波长为1 070 nm±10 nm，激光束通过光纤传导至激光焊接头中。焊接机器人使用的是德国KUKA焊接机器人，采用六轴联动方式，重复定位精确度达到±0.1 mm。试验所采用的激光振荡扫描焊接头为美国IPG Photonics公司生产的D30扫描振镜摆动焊接头，光纤直径100 μm，准直系统焦距为200 mm，聚焦镜焦距为300 mm，通过编程可实现各种图形的二维扫描方式。图 1所示为试验采用的焊接设备示意图。图 2为激光束振荡扫描示意图，试验采用的扫描模式为圆形。焊接设备的部分试验参数见表 2。为了研究扫描频率对接头组织及性能的影响，焊接过程中表 2所示参数不改变，按照焊接扫描频率不同分为3个试验组，具体试验参数设定见表 3。

图1 焊接设备示意图

图2 激光束圆形扫描及对应路径示意图

表2 振荡扫描焊接参数

表3 试验组参数

对焊接后的成品进行标注，序号分别为1号、2号、3号。

在焊接前，用Kroll试剂 (HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶6) 去除表面氧化层，然后用丙酮和乙醇清洗晾干。焊接时为了防止氧化，向试样顶部和背面通入流动的氩气作为保护气。焊接结束后，沿垂直于焊缝方向切取金相样和拉伸样，经研磨和抛光处理后进行组织和力学性能测试，拉伸试样的尺寸如图 3所示。在FEI Quanta-200场发射扫描电子显微镜下观察焊接接头微观组织。利用INSTRON 5569万能试验机测量焊接接头的在室温下的拉伸性能，加载速率为1 mm/min，并通过扫描电子显微镜观察拉伸断口形貌。

图3 拉伸试样尺寸

2 试验结果与分析

2.1 焊缝成形与横截面形貌分析

Ti-22Al-25Nb/TC4异种合金激光振荡扫描焊接焊缝正面及背面成形如图 4所示。宏观上可以清晰地看到焊缝整体成形良好，焊道上的弧纹为圆形扫描路径下得到均匀圆弧状花纹，焊缝整体宽度一致，光滑平整，表面没有存在咬边、焊瘤、裂纹，未熔合等缺陷。样件正、背面焊缝都呈现出银白色的金属光泽，这说明在焊接过程中，保护气成功地避免了氧气、氮气进入熔池，焊缝表面得到了较好的保护。如图 5所示，通过X射线探伤检测可以发现在焊接接头内部未出现裂纹、气孔等缺陷。图 6为Ti-22Al-25Nb/TC4接头的横截面形貌，焊缝整体呈“X”形，焊接接头完全熔透。图6中焊缝上、下两端最大宽度均为0.8～1.0 mm，与图4b中焊缝的宽度是基本相同。图4a中焊缝宽度较大，是因为表面进行了激光扫描，导致表层很浅的一层金属被熔化，与图6中顶端约有30 μm厚的亮色金属区域相对应。因此，图4a中的熔融金属宽度并不是焊缝的实际宽度，而是激光扫描的宽度。

图4 焊缝表面成形

图5 焊缝X射线检测图像

图6 焊缝横截面形貌

2.2 界面的微观组织结构

图 7所示为Ti-22Al-25Nb/TC4异种合金激光振荡扫描焊接接头焊缝的SEM照片(BSE模式)。从图中可以发现焊缝主要由B2相和α’马氏体相组成，亮度较大的部位为B2相，α’马氏体聚集在在B2相的边缘，呈网篮状分布，长短不一。

图7 焊缝显微组织

根据Ti-Al-Nb三元相图[18]，Ti-22Al-25Nb合金母材是由α2相、B2相和O相组成。在焊接过程中，温度由低到高，Ti-22Al-25Nb合金依次会经过 β/B2+O相区、α2+β/B2+O相区、α2+β/B2相区及单一β/B2相区，当焊接过程中最高温度超过 β/B2单相区时，会发生O/α2相→β相的完全转变，无序的β相则会在冷却过程中转变为有序的B2相。根据Ti-Al二元相图[19]，TC4合金母材是由α相和β相组成，在缓慢冷却时生成α+β相。但是当TC4 钛合金快速冷却时，β→α 转变将被抑制，β相将形成细小片状或针状的马氏体组织，称为α’马氏体，如图7b所示。

由于激光焊接具有峰值加热温度高和焊接时加热、冷却速度快的特点。焊接时冷却速度大于120 ℃/s时，由Ti2AlNb合金的TTT曲线[20]可知，高温下无序的β相由于冷却速度较快，在冷却过程中的β→O/α2转变将会受到严重抑制，从而转变为有序的B2相。因此可以确定，Ti-22Al-25Nb/TC4异种合金接头的焊缝组织中，会存在有大量的B2相和α’马氏体相，一般不会存在或者含有少量O/α2相。

图8所示为不同焊接扫描频率下焊缝组织的高倍数SEM图，可以清楚的看到，3个试样焊缝的相组成基本一致，都为B2相和α’马氏体相。但在1号、2号试样中，存在有极少量的O相，且2号样的O相数量比1号样多，这是因为在扫描频率加快作用下，熔池的温度梯度不断减小，冷却速度也随之变慢，较低的冷却速度会使部分的β相转变为O相，扫描频率越快，对焊后金属进行重复加热的频率越高，冷却速度越慢，所转变成的O相就越多。而3号样的扫描频率为0 Hz，冷却速率最快，β相在冷却过程中向O/α2相的转变受到抑制，所以β相几乎全部转变为B2相，O相的含量最少。

图8 焊缝微观组织

2.3 力学性能与断口分析

表 4为Ti-22Al-25Nb/TC4激光振荡扫描焊接头的拉伸性能测试结果，从结果可以看出，抗拉强度最高的是2号试样，为1 007 MPa，可达到TC4母材的88.6%；断后伸长率最高的也是2号试样，为7.49%。拉伸断口均位于熔合区(FZ)。拉伸断口形貌如图9所示，断口表面未出现裂纹，拉伸试样有明显的颈缩现象，说明试样在断裂前有过塑性变形。从拉伸试样的断口形貌可以看出，3个试样的拉伸断口都存在有平整的断裂面，且面方向垂直于应力方向。断口中分布着大小、深浅不一的韧窝，这是以韧性断裂为主的韧性-脆性混合断裂模式。从图中可以看出，2号试样(图9c、图9d)的宏观断口内部分布大量韧窝，表明2号试样接头的塑性和韧性最高；而在图9a、图9b中，1号试样的断口宏观上凹凸程度较大且存在明显的撕裂棱，说明1号试样接头的塑性和韧性最低。

表4 焊接接头及母材的拉伸性能

图9 接头拉伸断口扫描图片

在设置的扫描频率对照组中(即1号、2号、3号)，扫描频率由慢到快为3号试样(f=0 Hz)、1号样(f=200 Hz)、2号试样(f=500 Hz)。从表得到抗拉强度由大到小排序是2号试样大于1号试样大于3号试样。由分析可知，这是由于扫描频率加快时，振荡激光对熔池的搅动作用越强烈，随着熔体在熔池中剧烈地流动，初始的枝晶被破碎，在熔池中形成新的形核点，从而极大地细化晶粒尺寸。由于晶粒细化可以提高材料的抗拉强度和断后伸长率，因此在2号试样的抗拉强度和断后伸长率最高，分别为1 007 MPa和7.49%。

3 结论

(1)Ti2AlNb/TC4异种合金激光振荡扫描得到的焊接接头成形良好，无咬边、焊瘤、裂纹、未熔合和气孔等缺陷。样件正面、背面焊缝都呈现出银白色的金属光泽，在焊接过程中，通入的保护气较好的保护了焊缝表面。

(2)Ti2AlNb/TC4异种合金接头的焊缝组织由初生α相、大量的B2相和α’马氏体相组成， O/α2相含量较少。

(3)当激光振荡扫描频率达到500 Hz时，熔池中晶粒细化的效果最为明显，焊缝的最大抗拉强度和断后伸长率达到1 007 MPa和7.49%。焊缝力学性能较激光不振荡时有一定提升。

(4)Ti2AlNb/TC4异种合金接头的抗拉强度可达TC4母材的88.6%。接头拉伸断裂形式是以韧性断裂为主的韧性-脆性混合断裂模式。