激光焊接参数对钛合金薄板组织及力学性能影响

陈伟，张宇鹏，董勇，王海燕，胡永俊，巴一

激光焊接参数对钛合金薄板组织及力学性能影响

陈伟1,2，张宇鹏2，董勇1，王海燕2，胡永俊1，巴一2

（1.广工工业大学 材料与能源学院，广州 510520；2.广东省科学院中乌焊接研究所，广州 510651）

研究不同激光焊接工艺参数对1 mm厚TA18薄板焊接的影响，为有效解决焊缝缺陷、脆性相等问题提供参考。采用大功率碟片激光器，在氩气环境下，对1 mm厚TA18薄板进行激光焊接实验，对不同激光焊接参数下的焊接接头进行微观组织观察及力学性能测试。当激光焊接功率为1.5 kW时，焊缝呈“葫芦”状，熔宽大且不均匀，熔宽随着焊接速度的增大而减小；当激光焊接功率为1.2 kW时，焊缝呈“I”字形，焊接接头成形良好，表面有鱼鳞纹，当离焦量增至+2 mm时，熔宽增加。激光焊接所得接头无明显裂纹、气孔等缺陷，熔合区由马氏体α相和针状α'相组成，其拉伸试样均断裂于母材处，焊缝力学性能优良，激光焊接接头抗拉强度达母材的92.46%，伸长率为母材的59.68%，这对薄板钛合金焊接在各个领域的应用具有重要的意义。

激光焊接；焊接功率；焊接速度；微观组织；力学性能

钛合金因具有高比强度、高抗拉强度、高耐腐蚀性等特点，被广泛应用在船舶、航天航空、汽车等领域[1-3]。随着钛合金应用愈加广泛化、复杂化，钛合金产生了一些新的连接问题。焊接作为最常见的连接技术，常被应用在钛合金的连接中[4-6]。目前钛合金焊接仍然存在一些问题，尤其是焊接时钛合金会与空气中的碳、氢、氧等反应，生成脆性相，出现裂纹、气孔等缺陷，导致焊接质量下降[7-9]。

激光焊接作为一种新型的焊接技术，具有能量密度高、热影响区小、焊缝较窄、可实现高速焊接等优良特性，在工业制造领域有着广阔的应用前景[10-12]。影响钛合金激光焊接质量的关键工艺参数包括焊接功率、焊接速度以及离焦量[13-14]，目前，众多学者[15-17]研究了激光焊接工艺参数对材料组织及性能的影响。梁春雷等[15]发现使用激光焊接钛合金（Ti6‒Al4‒V）薄板，可有效提升焊接接头的抗拉强度，使抗拉强度高于母材，且断裂方式为韧性断裂，焊接接头力学性能得到提升。Lei等[16]对2.5 mm厚的Ti‒22Al‒27Nb（原子数分数）合金和TC4（Ti6‒Al4‒V）合金进行了激光焊接，结果表明，在焊接接头中，熔合区的显微硬度值最低，接头的平均抗拉强度可达到钛合金母材的92%左右。虞鸿江等[17]采用光纤激光进行TC11钛合金对接焊接，分析焊接接头的显微组织和力学性能，发现焊缝硬度高于母材硬度，并随热输入量的增加而增大，焊接接头抗拉强度达到母材的97%以上，塑性明显下降，低于母材的50%，焊缝断口形貌为低塑性沿晶断裂特征。众多学者研究表明，相对于传统焊接方法，钛合金激光焊接具有能量密度高、焊接生产效率高、焊接变形小等优势。母材的α、β相通过快速冷却转变成强度和硬度更高的马氏体α'相，能有效增加焊缝的显微硬度和抗拉强度[18-19]。以上研究均针对较厚薄板钛合金，然而，针对低至1 mm厚TA18钛合金薄板激光焊接的研究较少，其产生的缺陷、脆性相及变形控制等问题尚需进一步研究和解决。

文中针对1 mm厚TA18钛合金薄板激光焊接关键参数进行深入探究。探索激光焊接速度、焊接功率以及离焦量对焊缝成形和力学性能的影响，从而获得1 mm厚TA18薄板激光对接焊接的最佳工艺参数，有效解决焊缝缺陷、脆性相等问题。对提升缺陷成因的认识和改善1 mm钛合金薄板焊接质量有重要意义。

1 实验

1.1 设备

使用材料为50 mm×100 mm×1 mm的TA18钛合金薄板，薄板钛合金抗拉强度为684.22 MPa，最大伸长率约为18.85%，其主要化学成分如表1所示。采用Trumpf 10002碟片激光器，激光束通过光纤传输，光纤最小直径为200 μm，激光波长为1 030 nm，光束质量为8 nm/mrad，其最大输出功率为10 kW。额定功率下的功率输出稳定性为±1%。激光器及焊接系统模型如图1a所示。

表1 TA18钛合金的化学成分

Tab.1 Chemical composition of the TA18 titanium alloy wt.%

图1 激光焊接设备

1.2 方法

实验采用对接焊的方法，将2块1 mm厚TA18薄板用夹具对齐夹好，放入玻璃罩里，焊接之前通入氩气作为保护气体，其流量为15 L/min，充满整个玻璃罩（充气时间约10 min）后开始焊接，对接焊接示意图如图1b所示。

为研究激光焊接参数对焊缝成形的影响，对焊缝宏观形貌、显微组织、维氏硬度、单轴小尺寸拉伸等检测结果进行分析，调整工艺得到1 mm TA18钛合金薄板焊接的最佳参数，实验参数设计如表2所示。

表2 焊接参数

Tab.2 Welding parameters

板材在焊接之前用钢刷打磨表面去除表面氧化物，再用体积分数为100%的工业乙醇清理表面，去除表面杂物。焊接后，采用线切割的方式制备1 mm× 2 mm×15 mm的测试样品，顺次使用500#、1 000#、1 500#、2 000#、3 000#的砂纸对测试样品表面进行打磨，依次采用电解抛光液（甲醇60%、正丁醇30%、高氯酸10%，体积分数）对截面样品进行电解抛光，并使用两相钛合金腐蚀溶液（氢氟酸5%、硝酸12%、去离子水83%，体积分数）对样品截面进行腐蚀，使用德国蔡司Ario Imager数字化金相显微镜观察样品的微观结构，采用FEI公司的Quanta TM 250扫描电子显微镜对拉伸断口形貌进行分析，采用Buehler的VH1202维氏硬度计检测接头硬度，载荷为200 g，保载时间为10 s，采用Zwick Z2.5 TH单立柱台式电子万能试验机对接头进行拉伸测试，检测其强度及塑性，拉伸样品取样及尺寸示意图如图2所示。

图2 拉伸样品示意图

2 结果与分析

2.1 焊接接头宏观形貌

焊接接头的焊缝宏观形貌如图3所示，1#、2#、3#、4#、5#样品参数见表2。从图3可以观察到，1#—3#样品在功率为1.5 kW时，焊缝成形较差，熔宽不均匀，表面微黄且焊缝飞溅严重。这是因为激光能量过大导致薄板熔池大，出现宽窄不一的情况，且保护气体通入不够，导致表面发黄。随着焊接速度的提高，情况有所改善，但依旧存在熔池过大的情况。当功率减至1.2 kW时，焊缝外观呈银白色，焊缝均匀，无明显的缺陷，可清晰看到鱼鳞状条纹，焊缝较窄。当提高离焦量至+2 mm时，焊缝成形较好，观察到清晰的鱼鳞纹，无明显缺陷，表面有轻微飞溅，表面微黄，保护气通入时间不够，图3中红色框为截面取样示意。

图3 不同参数下得到的焊缝表面形貌

采用不同的激光焊接功率、焊接速度、离焦量焊接TA18薄板的焊接接头截面形貌如图4所示。1#样品的焊接功率大，焊接速度慢，使熔池大，焊缝较宽。保证激光功率不变，进一步增加焊接速度后，可以看到2#样品焊缝明显变窄，焊接速度快导致冷却速度快，使热影响区小。结合图3可得，1#—3#样品焊缝宽度不均匀，且飞溅较多。减小功率至1.2 kW后，可以看到4#样品焊缝宽度大幅减小，熔合区变窄。增加离焦量至+2 mm后，激光焦点上移，可以看到5#样品的焊缝变宽，熔合区上表面变宽，下表面变窄。整体来说，焊缝中未出现气孔、裂纹和咬边等缺陷，焊缝成形良好。

图4 焊缝截面宽度

随着激光焊接速度的提高，熔合区面积和宽度减小。激光焊接速度提高导致激光在焊件表面停留时间减小，激光停留时间短，热传导区域减小，焊缝熔合区和热影响区面积减小[20]；激光焊接功率减小导致工件表面激光能量密度减小，使焊缝宽度减小，微观结构变化[21]；激光焊接离焦量增大使激光焦点向上移动，到达工件表面的激光能量分布变化，使焊缝上表面熔宽增加，下表面熔宽减小。当激光功率与焊接速率一定时，激光焦点位置改变会导致工件表面功率密度发生变化，将影响焊缝成形质量。因此，离焦量的大小在一定程度上决定了焊缝形貌[22]，如图5所示。

2.2 焊接接头微观组织

焊缝主要由3部分组成：母材（BM）、热影响区（HAZ）、熔合区（FZ），一般来说，焊接接头的微观组织主要取决于母材的初始组织和焊接过程中的热循环，包括加热速度、最高加热温度、高温停留时间和冷却速度等[23]。经过电解抛光及化学腐蚀后，通过金相显微镜观察焊缝的微观组织形貌，分析不同焊接参数下金相组织形貌的变化。

当激光焊接功率为1.5 kW、焊接速度为1.8 m/min、离焦量为0 mm时，焊缝的微观形貌如图6所示，图6a左边是母材的显微组织，为典型的近α的α+β钛合金组织，晶粒细小，以α相为主，β相分布在α边界。图6b是靠近母材部分热影响区的微观形貌，受到热影响较小，主要由α、β相及少量细小针状β相组成。图6c是靠近熔合区部分热影响区的微观形貌，其最高加热温度高于β相的转变温度，微观组织由块状α相和少量针状马氏体α'相组成。图6d是熔合区微观形貌，由于焊接过程中快速冷却引起了马氏体相变，从而形成大量的针状马氏体α'相（平均长度约23.37 μm）以及在β相转变过程中形成了α相，因此，熔合区主要由α相、针状马氏体α'相组成。

当激光焊接功率为1.5 kW、焊接速度为2.4 m/min、离焦量为0 mm时，焊缝的微观形貌如图7所示。随着焊接速度的增加，高温停留时间减少，如图7b所示热影响区宽度大幅减小，且热影响区主要由α、β相及块状α相组成，靠近熔合区出现少量针状马氏体α'相。图7c显示熔合区主要由α相和马氏体α'相组成，且α相较之于1#样品有所增加，马氏体α'相较之于1#样品有所减少。无论α相还是马氏体α'相（平均长度约18.36 μm），尺寸都有所减小。

当激光焊接功率为1.5 kW、焊接速度为3 m/min、离焦量为0 mm时，焊缝的微观形貌如图8所示。焊接速度增加，热影响区进一步缩小，如图8a右侧和8b左侧所示，靠近母材的热影响区由α、β相及块状α相组成，靠近熔合区的热影响区主要由块状α相、针状β相及少量马氏体α'相组成。熔合区较小且呈上下宽中间窄的“漏斗”形状，如图8b和8c所示，主要由马氏体α'相（平均长度17.93 μm）、α相组成。随着速度的增加，由于高温停留时间变短，热输入减小，马氏体α'相平均长度减小。

图7 2#样品焊接接头的微观组织

图8 3#样品焊接接头的微观组织

当激光焊接功率为1.2 kW、焊接速度为3 m/min、离焦量为0 mm时，焊缝的微观形貌如图9所示。激光功率减低，工件表面能量减小，热影响区进一步缩小。图9a和9b中热影响区区域几乎不存在马氏体α'相，主要由初始α、β相及块状α组成。这是因为焊接速度不变，减小焊接功率，导致热输入减小，马氏体没有得到足够的生长。图9c中熔合区主要由马氏体α'相（平均长度约13.48 μm）组成。激光焊接速度不变，激光功率减小，导致热输入进一步减小，使熔合区马氏体α'相的尺寸减小。

当激光焊接功率为1.2 kW、焊接速度为3 m/min、离焦量为+2 mm时，焊缝的微观形貌如图10所示。离焦量增加，激光焦点向上表面移动，上表面熔宽增加。热影响区和熔合区的相组成与4#样品相比变化不大，其中马氏体α'相平均长度为12.36 μm。离焦量变化导致热输入分布发生变化，对马氏体α'相的形成影响不大。

图9 4#样品焊接接头的微观组织

图10 5#样品焊接接头的微观组织

2.3 焊接接头力学性能

维氏硬度是检验钛合金焊接接头力学性能的一个重要参数。图11为1#—5#焊接接头的显微硬度，图11a中①、②、③区域分别为TA18钛合金焊接接头的母材、热影响区、熔合区的维氏显微硬度。TA18薄板母材的维氏显微硬度约为260HV。不同工艺参数下激光焊接所得的焊接接头的显微硬度较母材均有不同程度的升高，其中1#—5#样品焊缝熔合区的维氏显微硬度依次为309HV、314HV、324HV、312HV、315HV。1#—3#焊缝在熔合区内的显微硬度依次增加，这是由于焊接速度提高，马氏体晶粒面积减小，导致显微硬度增大[23]。1#—5#样品的显微硬度都在熔合区达到最高，由熔合区向外逐渐减小至母材的显微硬度，显微硬度图呈“马鞍形”。

通常TA18钛合金中现有相的显微硬度顺序由大到小为马氏体α'相>α相>β相[24-25]。TA18钛合金焊接接头熔合区主要由马氏体α'相、α相组成，因此，维氏显微硬度最大值出现在熔合区。热影响区的显微硬度低于熔合区，且随着远离熔合区距离的增加而减小。这是由于针状马氏体随着远离熔合区距离的增加而变薄变短[26]，导致热影响区的显微硬度逐渐降低。由于晶内存在针状马氏体α'相，热影响区显微硬度值大于母材，基体母材由α+β相组成，显微硬度最小。

图11 1#—5#焊接接头的显微硬度

不同激光焊接参数形成的焊接接头力学性能差异较大，文中选取了焊缝成形最好的5#样品进行单轴拉伸测试，拉伸测试样品取样如图2所示。实验结果如图12所示，5#样品焊接接头屈服强度约为613.59 MPa，抗拉强度约为632.64 MPa，伸长率约为11.25%，采用激光焊接1 mm钛合金薄板形成的焊接接头，其拉伸断裂位于母材处，激光焊接接头的抗拉强度达母材的92.46%，伸长率为母材的59.68%。该参数下的焊接接头无裂纹、气孔等缺陷，且强度及硬度大于母材，焊接效果良好。图13为扫描电子显微镜观察下试样断口形貌，图13a表明拉伸试样断裂时存在颈缩，图13c为断口截面形貌放大图，断口形貌主要为韧窝状纹路，表明拉伸试样呈韧性断裂。

图12 5#样品焊接接头的拉伸性能

图13 5#焊接接头的断口形貌

3 结论

采用不同激光焊接工艺参数，在氩气保护的情况下，对1 mm TA18薄板钛合金材料进行对接焊接。通过对焊缝的宏观形貌、微观组织、硬度和抗拉强度进行研究，得到了以下结论。

1）采用氩气激光焊接方法对TA18薄板进行焊接，当焊接功率为1.2 kW、焊接速度为3 m/min、离焦量为+2 mm时，能够较好抑制焊缝表面氧化物形成，获得质量良好、无缺陷的接头。

2）激光焊接接头熔合区主要由针状马氏体α相和针状α'相组成，热影响区主要由少量细小马氏体α′相、块状α相和初生α、β相组成。

3）焊接功率为1.5 kW时，随着焊接速度的增加，焊缝的马氏体晶粒尺寸减小，导致焊缝的显微硬度增加，该焊接功率过大，导致熔池过大且熔宽不均匀。减小焊接功率至1.2 kW后，晶内马氏体细小，硬度降低，但熔宽均匀，焊缝无缺陷存在，焊接接头质量良好。

4）激光焊接接头的显微硬度：熔合区>热影响区>母材，这是由于激光焊接过程中发生马氏体相变，焊缝区针状马氏体硬度大于母材初生相。激光焊接接头试件拉伸断裂位置均在母材，激光焊接接头抗拉强度达母材的92.46%，伸长率为母材的59.68%。

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Effect of Laser Welding Parameters on Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Alloy Sheet

CHEN Wei1,2, ZHANG Yu-peng2, DONG Yong1, WANG Hai-yan2, HU Yong-ju2, BA Yi2

(1. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510520, China; 2. China-ukraine Institute of Welding, Guangdong Academy of Science, Guangzhou 510651, China)

In this paper, the effects of different laser welding parameters on the welding of 1 mm-thick TA18 thin plates are studied, which provides a reference for effectively solving the problems of weld defects and brittle phases. In the experiment, a high-power disc laser was used to conduct a laser welding experiment on 1 mm-thick TA18 thin plates in an argon atmosphere. The microstructures and mechanical properties of the joints welded by different parameters were investigated. When the laser welding power is 1.5 kW, the weld is in the shape of a “gourd”, and the weld width is large and uneven. With the increase of welding speed, the weld width decreases; When the laser welding power is 1.2 kW, the weld is in the shape of “I”. The welded joint is well-formed, and fish scale lines occur on the surface. When the defocusing amount increases to +2 mm, the weld width increases. The joint obtained by laser welding has no obvious defects such as cracks and pores, and the fusion zone is composed of the martensite α phase and the acicular α' phase. The tensile specimens are broken at the base metal, and the mechanical properties of the weld are excellent. The tensile strength of the laser-welded joint is 92.46% of the base metal, and the elongation is 59.68% of the base metal, which is of great significance for the application of thin plate titanium alloy welding in various fields.

laser welding; welding power; welding speed; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.015

TG456.7

A

1674-6457(2022)05-0100-09

2021‒08‒05

国家重点研发计划（2020YFE0205300）

陈伟（1996—），男，硕士生，主要研究方向为纳米双相钛基合金薄膜。

张宇鹏（1979—），男，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为先进金属材料制备及焊接性。

责任编辑：蒋红晨