鈦合金薄壁T形接頭激光焊接力學性能研究

吳晗，王英杰，趙忠華，付和國，史吉鵬

1.沈陽飛機工業（集團）有限公司 遼寧沈陽 110034

2.空軍裝備部駐沈陽地區第一軍事代表室 遼寧沈陽 110850

1 序言

由于鈦合金其具有質量輕、耐蝕性好及加工工藝性好的特點，因此在航空航天領域零部件制造中成為了首選原材料，并且已經得到了廣泛應用[1-3]。為了滿足當下運載工具對輕質高強結構的需求，薄壁鈦合金內置加強筋結構常被用作氣動蒙皮構件，因此對內置加強筋結構的制造質量、性能和尺寸精度均提出了較高的要求。傳統的內置加強筋蒙皮制造采用鉚接或TIG熱源的壁板穿透焊接成形，然而不論是鉚接還是壁板穿透焊接均對蒙皮構件的整體性造成了破壞，并且采用鉚接結構不可避免地增加了構件的質量，而TIG焊接由于其熱輸入較大，所以會導致最終成形構件的變形量較大，尺寸精度難以保證[4-7]。針對傳統內置加強筋制造中出現的問題，研究者提出了內置加強筋T形接頭的激光焊接，充分利用激光焊接熱源能量密度高、焊接速度快及變形量小的特點，采用T形接頭立筋兩側同步施焊，有效地改善了焊接變形，提高了接頭的質量，保證了接頭的整體性，具有廣泛的應用前景[8-10]。

文中采用激光焊對厚度為1.5mm立筋與厚度為2mm底板的T形接頭進行焊接，并對接頭的力學性能進行了測試，為了分析接頭的力學性能規律，還利用金相顯微鏡對接頭的組織進行了觀察。

2 試驗材料及方法

試驗中所選用的母材厚度為1.5mm與2mm的TC4鈦合金，其中1.5mm厚的鈦合金作立筋材料，2mm厚的鈦合金作底板材料，從而形成1.5mm立筋與2mm底板的T形接頭。所選材料的化學成分滿足GB/T 3620.1—2007《鈦及鈦合金牌號和化學成分》的相關規定，其化學成分見表1。所選鈦合金的母材組織如圖1所示。從圖1可看出，母材組織為等軸α相與β相，且在組織中還存在因軋制而形成的纖維方向。待焊試片分為底板與立筋兩種，其中底板的尺寸為300mm×200mm（200mm長度方向為原材料纖維方向），立筋的尺寸為200mm×20mm（200mm長度方向為原材料纖維方向），兩種待焊試片均采用激光切割下料。待焊試片焊前需要采用機械方法去除表面的氧化膜，并采用酸洗去除其表面的油污，在焊接試片裝夾后還需要用丙酮對待焊表面20mm范圍內的區域進行擦拭去除灰塵。本研究采用的激光焊焊接參數見表2，激光離焦量選用2mm，激光束與底板的角度為30°（見圖2）。為了抑制激光焊接因高能量密度對熔池沖擊而產生的咬邊缺陷，在焊接過程中填入與待焊母材同牌號的焊絲，直徑為1mm。為了避免高溫液態熔池與大氣中的氮、氫、氧發生化學反應，造成因焊縫氧化而降低焊縫的力學性能，在焊接過程中采用與激光入射軸線同軸的惰性氣體保護罩，通入純度為99.99%的氬氣。

圖1 TC4母材顯微組織

圖2 焊接位置示意

表1 TC4鈦合金的化學成分（質量分數）（%）

表2 激光焊焊接參數

焊接完成后采用線切割方法沿圖3所示位置與尺寸制取力學性能試樣，并且分為去除立筋與帶立筋兩種，立筋去除采用銑切工藝完成。金相試樣同樣采用線切割方式制取，在自動磨拋機上將試樣端面打磨成鏡面，要求在金相顯微鏡下沒有明顯的劃痕，之后采用專用的腐蝕液（10%HF＋30%HNO3＋60%H2O）對焊縫組織進行腐蝕，并觀察分析。

圖3 試樣截取位置與尺寸

3 試驗結果分析

3.1 焊縫形貌與組織分析

圖4所示為采用選定激光焊焊接參數完成的T形接頭焊縫表面形貌。從4圖中可看出，接頭的表面成形沒有明顯的焊溜、下榻及燒穿等表面缺陷，寬度較小，僅為1～2mm，這主要是由于激光焊接的能量密度高，熔池的表面尺寸較小，更多的熱量用于在熔池深度方向的材料熔化。

圖4 T形接頭焊縫表面形貌

圖5所示為接頭不同區域微觀組織形貌。從圖5a可看出，接頭兩側的焊縫在底部形成有效的搭接，且接頭內部沒有氣孔等缺陷，接頭的組織分為熔化區、熱影響區以及母材區3部分，熔化區主要由粗大的柱狀晶組成，隨著距焊縫中心距離的增加，晶粒的尺寸逐漸減小。由圖5b可看出，熔化區組織由晶粒之間的α相以及晶粒內部由α'相與β相組成的魏氏組織。這主要是由于激光焊接過程的能量密度較高，且熔池中心的金屬元素因受到激光匙孔內部高溫高壓的作用而發生氣化，激光焊接熔池側壁與母材未熔化金屬貼合，則在熔池中心與熔池側壁之間形成較大的溫度梯度，成為熔池熱量散失的主要方向，因此高溫熔池逐漸凝固形成β晶粒時也沿著平行于最大的溫度梯度方向，朝熱量散失的反方向生長，最終形成較粗大的有方向性的柱狀晶，隨著溫度的進一步降低，在β晶粒內部發生相轉變形成α相。同時，隨著凝固的進行，熔池前沿過冷度逐漸增加，在β晶粒的晶界上形成α'相，并向晶粒內部生長，α'相片層之間保留了部分殘余的β相。由圖5c可知，該熱影響區組織所受到的熱量較少、時間也較短，因此該部分保留了原始等軸晶的特點，但相對于母材處的晶粒（見圖5d），熱影響區的晶粒尺寸有長大的趨勢。

圖5 接頭不同區域微觀組織形貌

3.2 力學性能分析

（1）拉伸性能 帶立筋拉伸性能測試結果如圖6所示，拉伸測試的斷裂試樣如圖7所示。從圖6可看出，接頭各區域的平均抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率基本一致，平均抗拉強度約為1000MPa，平均屈服強度約為950MPa，平均斷后伸長率約為15%。且接頭拉伸斷裂位置均位于母材處，說明帶立筋接頭的拉伸性能與母材相當。

圖6 帶立筋拉伸性能測試結果

圖7 帶立筋拉伸性能測試試樣

圖8所示為去除立筋拉伸性能測試結果，圖9所示為斷裂試樣。從圖8可看出，正常區的平均抗拉強度、平均屈服強度最高，分別為975MPa、932MPa；收弧區的平均抗拉強度、平均屈服強度次之，分別為972MPa、931MPa；起弧區的平均抗拉強度、平均屈服強度最小，分別為959MPa、922MPa；而收弧區斷后伸長率最高，為14.6%，正常區的次之，為14.2%，起弧區的最小，為13.4%。從圖9也可看出，去除立筋后正常區的接頭斷裂位置比較一致，均為焊縫邊緣處，去除立筋后起弧區與收弧區接頭斷裂位置呈現出多樣性。同時，對比帶立筋的接頭拉伸性能，可發現立筋對接頭力學性能有明顯的加強作用，其中在起弧區位置抗拉強度增加最明顯。

圖8 去除立筋拉伸性能測試結果

圖9 去除立筋拉伸試驗斷裂試樣

（2）剪切性能 對去除立筋接頭的剪切性能做了測試，如圖10a所示。為了便于對比，進行了母材的剪切性能測試，如圖10b所示。檢測結果顯示，去除立筋接頭的平均剪切強度為622MPa，母材的平均剪切強度為601MPa。由此可看出，接頭的剪切強度較母材增加了3.4%，這主要是由于相對于母材，接頭的組織中存在針片狀的α'相，降低了裂紋擴展速率，提升了接頭的強度。

圖10 剪切性能測試試樣

（3）持久性能 圖11所示為去除立筋后接頭的在540℃環境中的持久測試試樣。從圖9可看出，接頭經過106h試驗后，沒有發生斷裂，說明接頭的質量可以滿足使用要求。

圖11 去除立筋接頭持久性能測試試樣

4 結束語

1）TC4鈦合金T形接頭激光焊接后，接頭的內外部質量成形良好，接頭的組織可分為母材區、熱影響區、熔化區3部分。

2）由于接頭受到不同程度熱循環的作用，接頭焊縫區組織由大的柱狀晶組成，主要包括α相、α'相與β相。隨著距焊縫中心距離的增加，接頭組織晶粒尺寸降低，且α'相的尺寸也降低。

3）帶立筋的拉伸性能均與母材相當，而去除立筋后正常區的抗拉強度與屈服強度最高，起弧區的抗拉強度與屈服強度最低，但去除立筋后的斷后伸長率收弧區最高、起弧區最小。

4）去除立筋接頭的剪切性能比母材提高了3.4%，而接頭的持久性能顯示滿足使用要求。