焊接功率對TC4鈦合金激光焊接頭成形與組織性能研究

許愛平，董俊慧，甄邵楊，張藝程

（內蒙古工業大學 材料科學與工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

TC4鈦合金具有密度低、比強度高、高溫性能良好、耐腐蝕性能好、無毒無磁、良好的焊接性和生物相容性等特點，在航空航天、航海、兵器、化工、生物醫藥等領域具有廣泛的應用前景[1-3]。

關于TC4鈦合金焊接的方法有很多，常見的有氬弧焊、熔化極氣體保護焊、電子束焊、攪拌摩擦焊、激光焊等其它焊接方法。其中與其他焊接技術相比，激光焊接技術具有突出的優點較高的功率密度[4，5]，在焊縫中形成更窄的熱影響區[6，7]和更深的熔合區[8]和更低的殘余應力[9]以及焊件更小的變形。對2 mm的TC4鈦合金進行焊接試驗，通過改變焊接功率，研究TC4鈦合金焊接接頭的成形以及力學性能。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

激光焊試驗選取厚度為2mm的TC4鈦合金擠壓板作為母材，母材化學成分見表1，焊接試驗采用單一變量法，研究焊接功率的變化對焊縫成形，以及力學性能的影響。

表1 為TC4鈦合金的化學成分（質量分數%）

表2 TC4鈦合金焊接工藝參數

1.2 試驗設備

實驗選用設備是IPG Photonics公司生產的IPG YLS-10000型光纖激光器，光電轉化效率十分可觀；功率穩定性達+1%，所以焊接過程穩定；輸出功率范圍靈活；占地面積小；波長在1075+5nm間變化。焊接中還要使用德國庫卡公司生產的KR-C4型機器人系統配合完成試驗過程。

2 試驗結果分析

2.1 焊接功率對成形的影響

從圖1（a）線能量隨著激光焊功率的增加而增加，隨著焊接功率的進一步增加，觀察到激光功率與熔深之間線性關系的變化。

隨著功率的進一步增加從2200W到2300W，熔深急劇增加。然而，在2300W的激光焊功率下，基板上實現了完全穿透。這是由于在較高的功率下功率密度很高，而且由于負離焦距離，激光束逐漸收斂到執行比試樣表面高能量密度的聚焦點。圖1(b)中發現的增加焊接功率，焊接希望由于對工件表面施加更高的熱輸入而不斷增加，在較高的功率下，焊縫頂面形成等離子云。由于等離子體云吸收施加的激光束能量，并重新輻射焊件表面的熱能，從而促進熔寬變寬。此外，由于表面張力引起的對流效應，在熔池的鎖孔內形成了反沖壓力。

圖1 不同功率對熔深和熔寬的影響

2.2 焊接功率對硬度的影響

圖2 焊接功率為2200W時激光焊接接頭的典型硬度分布

圖2顯示了在2200W的焊接速度下激光焊接接頭的典型顯微硬度分布。在功率為2200W條件件，BM、HAZ、FZ和WM的顯微硬度為330 HV～350 HV、370 HV～360 HV、360 HV～350 HV、430 HV～450 HV。從焊縫到母材，顯微硬度有明顯的下降，因為焊縫區是粗大的柱狀晶，在柱狀晶內是細小馬氏體相交互形成的網籃組織，硬度比較大，隨著離焊縫距離的增加，尤其是在熔合線附近，α′相減少的程度比較大，導致在這個區域硬度發生突變，母材為α+β相，顯微硬度比較低。

2.3 焊接功率對力學性能的影響

在四種不用功率下2mm厚的TC4鈦合金激光焊接接頭室溫下的抗拉強度，見表3，拉伸后的試件實物如圖5所示結合表2和圖3的數據分析得出，試樣在承受靜態拉伸載荷的過程中。隨著功率的提高，焊接接頭的抗拉強度圍繞母材的抗拉強度上下波動，四種不同功率的TC4鈦合金激光焊接接頭的平均抗拉強度為757MPa，焊接接頭的強度低于母材的，伸長率為8.1%，接頭強度系數為0.81。如圖3所示，在四種不同的焊接功率下，焊接接頭的斷裂位置都是在焊縫區域，進一步說明了焊縫的抗拉強度比母材的要低。

表3 焊接接頭力學性能

圖3 不同功率拉伸試樣斷裂位置

3 結論

（1）隨著焊接功率的進一步增加，觀察到激光功率與熔深之間線性關系的變化，隨著功率的增大，受高溫等離子體和金屬蒸汽的影響，熔深加深和熔寬變寬。

（2）不同功率下TC4鈦合金焊接接頭的室溫平均抗拉強度為762MPa，伸長率為8.1%，比母材的略低，焊接接頭系數為0.81，拉伸試樣均斷在焊縫區域。