激光焊接對TC6鈦合金組織及性能的影響

高 睿

（遼寧理工學院 工程技術學院，遼寧 錦州 121000）

TC6欽合金是在20世紀50年代以后逐漸發展起來的新型金屬材料，因其具有較強的抗腐蝕性以及耐高溫性，被廣泛應用于航空航天、化學工藝、船舶、海洋工程以及建筑行業。近幾年，我國飛機起落架焊接技術通常采用的都是真空電子束焊接、惰性氣體保護鎢極電弧焊接或是惰性氣體保護金屬極電弧焊接等[1]，這幾種焊接技術使起落架在應用時容易出現咬邊、熔合不良、夾鎢、氣孔和夾渣等缺陷，為我國航空航天事業帶來消極影響。目前全球對激光焊接TC6鈦合金的參考資料較少，本文通過高功率激光對TC6鈦合金進行焊接處理，重點研究了激光焊接對TC6鈦合金焊接接頭的組織和性能影響，為激光焊接技術在各個領域中的應用打下良好基礎。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗原材料為29mm的TC6鈦合金屬棒，利用金相法側得原材料相變點為915℃。其主要化學成分如表1所示。

表1 TC6鈦合金的化學成分（質量分數/%）

激光焊接試驗需要使用氦、氖、氮等惰性氣體保護熔池，防止實驗原材料在焊接過程中發生氧化反應。所選用的惰性保護氣體種類不同，激光焊接實驗得到的數據也有可能不同，因此通常選用氦氣作為激光焊接實驗的保護氣體。選取的激光焊接功率為：2.5～3.1KW。采用真空處理試樣，并用掃描電鏡對拉伸試樣斷口進行組織觀察。

1.2 實驗方法

采用激光焊接進行TC6鈦合金接頭試樣焊接，保護氣體為99.99%純氦氣，壓力為0.5MPa。將TC6鈦合金屬棒分成ABC組。A組為實驗對照組，B組的鈦合金屬棒激光焊接時，保持激光焊接功率為3.1kW以及脈沖持續時間2.9ms不變，激光焊接速度依次為0.55mm/min，1.21mm/min、1.75mm/min。C組的鈦合金屬棒激光焊接時，保持激光焊接速度1.75mm/min以及脈沖持續時間2.9ms不變，激光功率依次為2.5KW、2.8KW、3.1KW。TC6鈦合金屬棒在激光焊接前需要用丙酮超聲波清洗15min，接頭間的空隙不能大于0.24mm。在電子萬能試驗機上進行實驗材料抗拉強度實驗，利用加載速度為0.7mm/min的硬度計檢驗激光焊接區域組織結構，采用相顯微鏡觀察TC6鈦合金屬棒接頭的顯微組織[2]。

2 實驗結果與分析

2.1 性能分析

2.1.1 激光速度V的影響

保持激光功率為3.1kW、脈沖持續時間2.9ms不變，改變激光焊接速度，測得焊接接頭的抗拉強度及焊縫區伸長量的平均值如表2所示。

表2 激光焊接速度對接頭性能的影響

V=0.55mm/min 314 0.71 V=1.21mm/min 131 0.43 V=1.75mm/min 428 0.92

在實驗中，觀察焊接接頭斷口發現，當激光速度為1.21mm/min時，有一例斷在母材中，其余實驗材料都斷在熔池內，激光速度為1.21mm/min時，TC6鈦合金焊接接頭中出現沒有被焊透現象。由表2可以總結出，激光焊接速度改變時對焊接接頭的性能有非常明顯的影響。當激光焊接速度為1.21mm/min時，焊件沒有被完全焊透，致使接頭強度非常低，只有母材強度的1/4左右，塑性與母材相比，也只有母材的1/4。當激光焊接速度為1.75mm/min時，焊件被完全焊透，接頭強度可達到母材的85%左右。而當激光焊接速度為0.55mm/min時，接頭強度和塑性因激光穿透面積的變小開始逐漸降低。焊縫如果變窄，容易造成TC6鈦合金性能降低。因此激光焊接速度為1.75mm/min時，接頭強度較佳，達到428MPa。

2.1.2 激光功率P的影響

保持激光焊接速度為175mm/min不變，脈沖持續時間2.9ms不變，改變激光功率，測得接頭的抗拉強度及焊縫區伸長量的平均值如表3所示。

表3 激光功率對接頭性能的影響

在實驗過程中可以發現，激光功率P為2.5KW時，焊件中心沒有被完全焊透，激光功率P為2.8KW、3.1KW時，激光焊接傳出線的能量也在隨之增大，熔池溫度降低的過快導致被焊材料不能完全被焊住，并且在激光功率達到3.1KW時，TC6鈦合金屬就容易造成四處飛濺的狀況。通過表3中的數據可以總結出，激光功率P不斷增加就會使TC6鈦合金焊接接頭的抗拉強度呈不斷上升趨勢，功率P為3.1KW時，焊接接頭的塑性達到最高[3]。雖然激光功率P為3.1KW時的接頭抗拉強度比功率為P為2.8KW時的接頭抗拉強度要低一些，但是因為它的塑性最高，因此通過綜合考慮，激光功率參數為3.1KW時，TC6鈦合金焊接接頭性能最好。

2.2 微觀組織分析

在激光功率P為3.1KW時觀察焊件拉伸斷口的外觀形狀以及微觀形態。通過觀察可以看到各個斷面并不是平整的，斷面有較明顯的韌窩，但是并沒有其他金屬雜質以及細小的裂紋缺陷，焊縫區與熱影響區開始隨激光功率的升高而明顯變窄。焊件的斷口可分為纖維區、放射區以及剪切唇，可以看出這三種斷口大部分都呈現韌性斷裂特征。可以總結出導致TC6鈦合金組織結構分散的原因就是焊接接頭區這些小氣孔的出現[4]。分析產生這樣缺陷的原因，極有可能是激光焊接時能量全部集中，導致能量密度升高，焊接接頭產生的熱量輕易就被周圍的金屬雜志以較快速度吸收，導致焊縫區溫度下降速度變快，從而形成了細小的針狀馬氏體組織結構。

2.3 實驗結論

由于激光速度和功率的改變都會導致TC6鈦合金組織與性能的改變，因此，在研究激光焊接對TC6鈦合金組織與性能的影響時要綜合考慮這兩個因素，以此得到最準確的激光焊接工藝參數。為此可以引入激光功率密度這一概念。以Gv表示單位面積上的功率大小:

公式中Gv表示激光功率密度(kW/mm-2)，表示激光功率(kW)，v表示激光焊接速度。根據公式(1)對表2和表3的數據結論進行計算，得出不同條件下的激光功率密度如表4所示。

表4 不同條件下的激光焊接功率密度Gv

由表4可以看出，隨著激光功率密度的增加，TC6鈦合金抗拉強度也逐漸增強，因此，激光功率密度可作為評價焊件接頭強度的一個綜合參數。通過公式(1)可以知道，對于增加激光功率密度，一方面可以通過提高激光焊接功率，使功率密度與功率成正比。另一方面還可以通過降低激光焊接速度，使功率密度與激光焊接速度平方成反比。因此，從理論上分析可知，降低激光焊接速度比增加激光焊接功率效果更好，因此激光焊接速度對TC6鈦合金強度的影響比激光焊接功率更加明顯。當激光功率為3.1kW，焊接速度在0.55～1.75mm/min范圍變化時，隨著焊接速度的逐漸增加，TC6鈦合金焊縫區以及熱影響區寬度慢慢變窄，合金的強度值增加明顯，抗拉強度逐漸降低。當焊接速度為1.75mm/min時，激光功率在2.5～3.1kW范圍變化時，隨著激光功率的不斷增加，TC6鈦合金焊縫區和熱影響區寬度開始變寬，合金強度值相對減少，同樣抗拉強度開始增加，當激光功率為3.1kW、焊接速度為1.75m/min時，才完全顯現出TC6鈦合金的優越性能。

3 結語

利用激光對TC60鈦合金焊接后，在焊縫的中心區域組織呈軸晶粒結構，靠近中心區域的組織為條狀晶粒結構，在整個焊縫的周邊區域組織為體型較大的圓狀晶粒結構。目前TC6鈦合金應用廣泛，與普通鈦合金相比，其具有高強度、抗腐蝕性、耐高溫、可塑性、沖擊韌性等優點，最高承受溫度可達426℃。激光焊接技術可有效減少或消除TC6鈦合金材料硬化的缺陷，從而預防焊接口變形，提高鈦合金材料的流動性、成形性[5]。激光焊接技術是決定TC6鈦合金組織和性能的主要因素，激光焊接功率的選取，要充分考慮鈦合金焊接口的熔合效果，有效減小變形抗力。

[1]曹棟,劉建強,馮侖侖,等.3 GPa壓力熱處理對TC6鈦合金的硬度和抗壓強度的影響[J].金屬熱處理,2015,40(7):25-28.

[2]徐媛,向文麗,楊紅斌,等.TC6鈦合金兩種組織高溫動態力學行為研究[J].云南大學學報:自然科學版,2016,38(2):277-281.

[3]趙軍,諶巖,文全興,等.高壓熱處理對TC6鈦合金α→β相變動力學的影響[J].稀有金屬,2017,41(10):1087-1092.

[4]曹棟,賈昭,諶巖.深冷處理對TC6鈦合金高溫抗壓能力的影響[J].金屬熱處理,2017,42(2):160-162.

[5]王棟,陳歲元,魏明煒,等.激光3D打印用TC21鈦合金粉末制備及其成形性研究[J].熱加工工藝,2016(22):1-6.