超薄鈦合金激光疊焊焊接特性

盧兵兵， 董梁

(上海捷氫科技有限公司,上海 201800)

0 前言

作為車載燃料電池的重要組成部分，金屬雙極板不僅在燃料電池金屬堆中起到支撐、提供反應空間的作用，還起到為冷凝水提供流道降低電堆溫度等作用。金屬雙極板復雜的工作環境使得其對材料的需求極為苛刻。相比于其他構件而言，燃料電池金屬雙極板的制造屬于大結構精細化機構，精密加工的范疇領域。在現有國內的金屬雙極板加工中不銹鋼是普遍應用的材料之一。主要原因是由于不銹鋼的造價更低且在可焊接性、導電性上具有不錯的應用價值[1]。但隨著燃料電池領域的發展，不銹鋼金屬雙極板的劣勢也逐步顯露出來。為了提高金屬雙極板的耐腐蝕性，避免影響電堆整體性能，目前常采用鈦合金進行替代[2]。鈦及鈦合金具有低密度、高比強度和良好的耐腐蝕性能等特點，能夠降低燃料電池汽車的運行負載，且提高電池使用壽命，因此在燃料電池雙極板的制造中具有較高的應用價值。

燃料電池金屬雙極板為2片厚度0.1 mm的超薄單極板連接組成的密封件，并要求具有一定的連接強度和耐腐蝕性能。目前金屬雙極板或超薄板的連接中，常用的方法包括膠接、真空釬焊、微弧等離子體焊接等[3-5]，這些方法可能存在連接強度低、成本高、加工效率低及熱輸入過大導致燒穿等問題。而激光焊接具有能量精確可控、可在常壓環境下進行焊接、加工效率高而成本低等特點[6-8]，更適合用于燃料電池的金屬雙極板焊接。但目前對于金屬雙極板的激光焊接研究尤其是針對鈦合金雙極板的激光焊接研究較少，因此文中采用TA1超薄板研究激光焊接工藝參數對雙極板焊縫質量的影響，為金屬雙極板的激光焊接應用提供試驗依據。

1 試樣制備

試驗材料為TA1工業純鈦超薄板，相應元素含量見表1，焊接板材規格為90 mm×250 mm×0.1 mm，試驗前鈦板經過酸洗去除鈦板表面氧化膜，并用酒精清理鈦板表面油污，在80 ℃下烘干0.5 h后進行激光焊接試驗。試驗使用IPG公司生產的YLR-1000光纖激光器進行焊接，激光束波長約為1 070 nm，在零離焦處光斑直徑為0.2 mm，焊接接頭形式為疊焊，母材兩側使用夾具壓緊，激光束后方采用99.99%的氬氣進行保護，保護氣體流量為15 L/min，焊接方式如圖1所示。焊后試樣經多道金相砂紙研磨并拋光后采用SZX12與VHX1000光學金相顯微鏡對焊縫的表面與截面進行觀察。

表1 TA1成分(質量分數，%)

圖1 焊接方式示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 鈦合金焊接缺陷

2.1.1焊接成形缺陷

在激光焊接薄板時由于工藝參數不當會導致焊縫表面出現宏觀焊接缺陷，如圖2所示。試驗結果表明當焊接過程中熱輸入過高或過低時都會導致焊縫出現表面缺陷。由于金屬雙極板母材厚度較小，而激光焊接過程本身是一種非穩態的過程，因此可能會出現明顯呈周期性的缺陷，如圖2a所示，當采用200 W的激光功率、200 mm/s的焊接速度及0離焦量進行焊接時，由于激光能量需要從上層母材上表面傳導至下表面，進而到達下層母材，但疊焊接頭存在一定的間隙，導致該處激光能量向兩側傳導的效率高于向下傳導的效率，而激光焊接熔池流動方向為從激光光斑向兩側再向后回填，如圖2b所示，尤其在薄板焊接時會產生小孔效應[9]，且鈦合金具有較大的表面張力[10-11]，熔體向母材兩側流動后由于表面張力作用回填滯后，堆積在焊縫兩側，最終形成將上層母材切斷的效果。當采用過大的能量輸入時，如450 W的激光功率、250 mm/s的焊接速度及0離焦量進行焊接時，由于匙孔的周期波動和熔體回流不足等原因導致出現焊縫斷續貫穿的現象，進一步增大功率則會導致焊縫連續貫穿，形成“切斷”的效果，如圖2c所示。

圖2 焊縫表面缺陷

2.1.2焊縫內部缺陷

對于鈦合金疊焊接頭，由于材料韌性良好、焊接性較好，未發現裂紋等缺陷，焊縫內部主要缺陷形式為氣孔缺陷。接頭中的氣孔缺陷主要由外部氣體卷入所致，如圖3所示，其位置主要分布在接頭熔合面兩端。由于疊焊接頭不可避免的存在間隙，接頭又處于大氣壓環境下，在焊接時熔體劇烈流動導致兩側空氣卷入熔池，或由于激光前進并擠壓母材之間的空氣向兩側排出，但由于該試驗接頭厚度導致焊接速度較快，氣泡到達熔池兩側后被上下熔池擠壓固定在熔合線附近，因此極易在兩母材熔合面處產生氣孔缺陷。該氣孔隨熱輸入增加、熔池凝固時間延長，會有向熔池中心流動的趨勢，如圖4a～圖4c所示。除此之外，該類氣孔大多存在于疊焊間隙小于40 μm時，而當間隙大于50 μm，接頭可能出現明顯下塌，接頭形態有所改變，兩側間隙足夠氣體逸出，因此未見氣孔缺陷存在。

圖3 典型氣孔缺陷特征

圖4 不同熱輸入下的氣孔缺陷

另一種氣孔缺陷則是由于鈦合金在不同溫度下對于不同氣體的吸收導致的[12-13],在較高的溫度下，鈦及鈦合金會與周圍的空氣介質(氫氣、氧氣、氮氣)發生較強的相互作用，鈦會從250 ℃開始吸收氫氣，當溫度升高到400 ℃時吸收氧氣，當溫度升高到600 ℃時吸收氮氣[14-16]。這使得鈦合金在激光焊接過程中會由于周圍空氣的影響，而在焊縫中形成氣孔、裂紋等焊接缺陷。該氣孔為冶金型氣孔，通常呈邊緣光滑的圓形或橢圓形，尺寸在幾十微米之間，可能分布于整個焊縫，如圖5所示。該類氣孔可能由于激光能量過大使得焊接過程不穩定、熔池劇烈波動，且背面大量熔透，將外部氣體卷入導致。

圖5 激光能量過大導致的氣孔缺陷

2.2 焊接工藝參數對焊縫成形質量的影響

2.2.1焊接熱輸入對焊縫成形質量的影響

在激光焊接過程中，激光功率對于焊接質量起著重要的作用，同樣的熱輸入下由于選用了不同的焊接速度與激光功率會導致焊縫成形朝著不同的方向發展，這主要是由于在激光焊接過程中，隨著激光功率的增加，焊接模式會從熱導焊向深熔焊轉變，焊縫形態由較淺的弧形向大深寬比的錐形轉變。圖6為焊接熱輸入與上表面熔寬之間的關系，可以看到表面熔寬隨熱輸入的增加大致呈增加趨勢。但進一步將不同焊接速度下的熔寬區分可發現，在焊接速度較低時(200～230 mm/s)，表面熔寬受熱輸入影響較小，且有下降趨勢。而焊接速度較高時(280～300 mm/s)，表面熔寬隨熱輸入的增加近似線性增加，其中熱輸入為1.66 J/mm時出現較大差異，由于間隙較大無法快速傳導至下層母材，因此能量向上層母材兩側擴散，導致熔寬顯著增加，隨后熔池出現塌陷，與下層母材連接。

圖6 焊接熱輸入與上表面熔寬的關系

由于疊焊接頭主要受力方式為橫向拉伸/剪切應力，因此母材之間的熔合面寬度也能夠反映其結合強度。圖7為焊接熱輸入與熔合面寬度之間的關系，可以發現熔合面寬度隨焊接熱輸入的增加呈增加趨勢。但由于焊接熱輸入是激光功率與速度結合得到的參量，因此并不能完全反應所有的特征變化，同樣的熱輸入可能對應不同的焊接速度和功率，在鈦合金疊焊接頭中，熔合面寬度受接頭形態影響較大，隨著激光功率的增加，焊縫逐漸由圓弧形向V形轉變，在熔深接近母材厚度后又逐漸向X形轉變，如圖8所示。熔合面的寬度在緩慢增加到一定程度后，可能隨著X形焊縫的出現而顯著提升。

圖7 焊接熱輸入與熔合面寬度的關系

圖8 焊縫形態變化示意圖

2.2.2離焦號對接頭質量影響

在激光焊接過程中不同的離焦量可以實現不同的焊接效果，激光焦點位置為能量密度最大的區域，而當離焦量為正時，隨著離焦量的增加，能量在母材上表面聚集并逐漸擴大，趨近于熱導焊形式；隨著離焦量變負，能量向母材下方轉移，趨近于深熔焊形式。圖9為不同離焦量下的鈦合金疊焊接頭成形，隨著離焦量由負變正，表面熔寬顯著增加，熔合面寬度也隨之增加，焊縫形態逐漸趨近于圓弧形，熔深減小。當離焦量與能量配比滿足熔深為0.1mm左右時，同樣出現上層母材被切斷的現象，切口寬度與光斑相關，明顯大于離焦量為0時出現的切口。同樣，由于能量焦點的轉移，同樣的焊接熱輸入值下可以將成形較差的參數轉變為成形較好的參數，如圖10所示，隨著焦點上移，從整體的切割變為良好的焊接成形。

圖9 不同離焦狀態下焊縫成形(330 W，280 mm/s)

圖10 不同離焦量下焊縫表面形貌

通過以上試驗分析，在不同的離焦量下調節激光能量與焊接速度均可獲得較好的焊接接頭，隨著離焦量由正變負，可以適當提高焊接速度來防止焊縫下塌，同時降低焊接熱輸入保證成形穩定，不同離焦情況下的焊縫成形如圖11～圖12所示。

圖11 不同離焦量下焊縫截面成形

圖12 不同離焦量下焊縫表面的成形

2.3 焊縫力學性能

在焊接過程中焊縫的力學性能是評價焊縫是否滿足使用要求的主要判定參數，在燃料電池電堆的使用過程中，金屬雙極板為密封構件，因此對于焊縫強度要求較為苛刻，該試驗主要通過拉伸試驗的方法進行焊縫抗剪切性能的確定，評估鈦板金屬雙極板在受外力作用時焊縫的力學行為。

試驗結果如圖13所示，可以看出拉伸試樣均斷裂在母材位置且距離焊縫較遠，證明焊縫具有較高的力學性能，在受到外界載荷作用的情況下不會成為構件上力學性能的薄弱點影響焊接構件使用壽命。拉伸試樣抗拉強度值見表2?？梢钥闯鲈诔惺芡饨鐚缚p施加的力時焊縫并不是整個結構的力學薄弱點，焊縫在力學性能上優于母材，滿足使用要求。

圖13 拉伸試驗斷裂試樣

表2 不同參數下拉伸試樣的抗拉強度

3 結論

(1)合理控制焊接時的熱輸入是實現TA1薄板焊接的關鍵因素之一，過低或過高熱輸入都會導致母材出現被切斷的現象。

(2)氣孔缺陷主要分布于接頭熔合面兩端，在接頭間隙小于40 μm時易出現氣孔缺陷，且隨焊接熱輸入的增加逐漸向熔池中心移動并長大。

(3)離焦量及焊接熱輸入對焊縫成形的影響主要通過影響能量分布和熔池形態來實現，隨著焊接熱輸入的增加及離焦量的降低，焊縫逐漸由圓弧形向V形轉變進而向X形轉變，熔合面寬度逐漸增加。

(4)力學性能試驗證明焊縫具有優于母材的抗拉強度，可以滿足燃料電池對金屬極板焊接的需求。