激光焊接參數(shù)對4.5 mm厚TA4板材焊縫成形的影響*

董志偉，唐定狼，張建勛

（西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

0 前 言

鈦和鈦合金具有密度小、熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、耐腐蝕性優(yōu)異以及可加工性能良好等眾多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶制造等多個(gè)重要領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，但同時(shí)鈦合金又具有導(dǎo)熱性差、接頭易脆化等缺點(diǎn)，因此在焊接過程中極易出現(xiàn)組織粗化、接頭脆化等問題。相比于傳統(tǒng)熔化焊焊接方式，激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接精度高等優(yōu)點(diǎn)[3]，且經(jīng)激光焊接后的接頭焊縫寬度較窄、工件變形較小、熱影響區(qū)較小，因此，鈦合金中厚板常采用激光焊接工藝。

國內(nèi)外研究人員就鈦及鈦合金的激光焊接開展了一系列的研究。Carvalho 等[5]研究了0.5 mm壁厚工業(yè)純鈦TA2管的激光焊接，并與TIG 焊接接頭進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，激光焊接接頭疲勞性能優(yōu)于TIG 焊接接頭。Santosh 等[6]研究了純鈦激光焊接參數(shù)對焊縫熔寬、微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率減小和焊接速度的增大，焊縫正面和背面熔寬均減小，當(dāng)激光功率為2.5 kW 時(shí)，熔合區(qū)平均晶粒尺寸最小。Ahn等[7]研究了不同焊接參數(shù)對TC4 鈦合金激光焊接接頭的影響，研究發(fā)現(xiàn)，激光功率增大時(shí)焊縫寬度變化趨勢為先增后減，焊縫形狀也由V形變?yōu)樯陈睢u 等[8]對Ti6Al4V 鈦合金激光焊接接頭組織及硬度開展研究，發(fā)現(xiàn)從焊縫中心到母材，熔合線附近的顯微硬度值（HM）最高；在同一接頭中，HM 隨著焊縫寬度增加而增加；在不同接頭中，HM隨著不均勻度增加而增加。

目前國內(nèi)外對鈦合金激光焊接工藝及原理研究較多，但針對工業(yè)純鈦光纖激光焊接研究的報(bào)道較少，特別是關(guān)于激光焊接參數(shù)對純鈦焊縫宏觀形貌的影響研究更少。本研究采用單因素試驗(yàn)法，對4.5 mm 厚TA4 板材進(jìn)行光纖激光焊接，探究激光焊接工藝參數(shù)對焊縫宏觀形貌的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為4.5 mm厚的TA4板材，TA4化學(xué)成分見表1，其抗拉強(qiáng)度為621 MPa。

表1 TA4板材化學(xué)成分 %

常溫下鈦與空氣中的氧發(fā)生緩慢反應(yīng)，在表面形成一層灰白色穩(wěn)定性很高的氧化膜，因此在焊接前要對TA4母材進(jìn)行焊前表面預(yù)處理。首先進(jìn)行機(jī)械打磨去除氧化膜并確保對接無間隙，再使用無水乙醇去油污，最后烘干待焊。使用YLS-4000連續(xù)光纖激光器，配合MOTO-MANNX100六軸焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接試驗(yàn)。為防止焊縫氧化，正、背焊縫使用雙面氬氣保護(hù)，激光焊接設(shè)備及焊接保護(hù)效果如圖1所示。采用單因素試驗(yàn)法研究激光功率、離焦量及焊接速度對焊縫形貌的影響，焊接參數(shù)見表2。使用SMA-745T宏觀體視顯微鏡和尼康MA200 微觀金相顯微鏡對焊縫宏觀形貌、微觀組織進(jìn)行觀察和表征。使用INSTRON-1341萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測試焊縫力學(xué)性能。

圖1 激光焊接系統(tǒng)及焊接保護(hù)示意圖

表2 TA4激光焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光功率對焊縫宏觀形貌的影響

焊接速度為1 m/min，離焦量保持為0 mm，不同激光功率下4.5 mm厚TA4板材的焊縫宏觀形貌如圖2所示，焊縫參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，圖3為焊縫參數(shù)隨著激光功率增大的變化趨勢。

圖2 不同激光功率下焊縫宏觀形貌

圖3 焊縫參數(shù)隨激光功率變化趨勢

表3 不同激光功率下焊縫參數(shù)

由表3 及圖3 可以看出，對于焊縫背面，隨著激光功率的增大，板材實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定熔透，背面熔寬增加。對于焊縫正面，熔寬整體增大，當(dāng)激光功率為2 750～3 000 W時(shí)，熔寬反而小幅下降。有研究人員提出，當(dāng)激光功率密度處于激光深熔焊的功率閾值附近，焊接過程存在激光深熔焊和熱導(dǎo)焊模式間來回跳變的焊接不穩(wěn)定現(xiàn)象，熔深和熔寬會(huì)出現(xiàn)無規(guī)則波動(dòng)[9]。由圖2（d）及圖2（f）可知， TA4板材熔透狀態(tài)由未熔透過渡到過熔透狀態(tài)[12]，在該范圍內(nèi)正面熔寬的反常波動(dòng)（圖3）證實(shí)了以上所述焊接不穩(wěn)定現(xiàn)象的存在。改變激光功率時(shí)，熔寬的無規(guī)則波動(dòng)主要發(fā)生于正面焊縫，背面焊縫熔寬變化趨勢符合焊接熱輸入能量規(guī)律。

當(dāng)激光功率密度處于激光深熔焊的功率閾值附近時(shí)出現(xiàn)的焊接不穩(wěn)定現(xiàn)象，在焊縫沿焊接方向的寬窄差上也有體現(xiàn)。綜合來看，2 號(hào)試樣正面和背面焊縫的寬窄差均最大。在實(shí)現(xiàn)熔透的前提下，隨著激光功率的增大，焊縫背部寬窄差逐漸減小，焊縫成形均勻。當(dāng)激光功率為2 750～3 000 W 時(shí)，由于存在未實(shí)現(xiàn)熔透區(qū)域，故焊縫背面熔寬與背面寬窄差變化曲線重合。

當(dāng)激光功率為3 500 W時(shí)，焊縫出現(xiàn)咬邊、塌陷、底部駝峰等嚴(yán)重焊接缺陷，是因?yàn)榧す夤β蔬^大，導(dǎo)致熔池向周邊鋪展能力提高，凝固速度降低，熔池上部和底部變寬，熔池漏斗狀特征更加明顯，進(jìn)而出現(xiàn)大量焊接缺陷。同時(shí)功率較大時(shí)，焊接過程中金屬氣化嚴(yán)重、飛濺大，正面焊縫成形平滑度差，焊縫正面形貌如圖2（g）所示。

2.2 離焦量對焊縫形貌的影響

激光功率為4 000 W、焊接速度為1.4 m/min時(shí)，不同離焦量下4.5 mm厚TA4板材焊縫宏觀形貌如圖4所示，焊縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，圖5為焊縫各宏觀形貌參數(shù)隨離焦量減小的變化趨勢。

圖4 不同離焦量下焊縫宏觀形貌

圖5 焊縫參數(shù)隨離焦量變化趨勢

表4 不同離焦量下焊縫參數(shù)

由圖5可知，焊縫正面及背面熔寬與離焦量變化趨勢一致，均為先增大后減小。負(fù)的離焦量有利于增大熔深。由圖4可知，當(dāng)離焦量為0 mm時(shí)，焊縫存在激光深熔焊的功率閾值附近的焊接不穩(wěn)定現(xiàn)象，正面焊縫成形穩(wěn)定，而背面焊縫部分區(qū)域未能實(shí)現(xiàn)完全熔透，且沿焊接方向焊縫寬窄差異明顯；而離焦量降為負(fù)值時(shí)，激光焦點(diǎn)位于板材內(nèi)部，材料吸收的能量增大，背面焊縫實(shí)現(xiàn)了完全熔透，因而熔寬先增大；而當(dāng)離焦量降至-3 mm時(shí)，落在板材正表面的激光光斑尺寸更大，使得激光能量密度降低[13]，焊縫熔寬減小。

在離焦量為-2～-1 mm內(nèi)，在實(shí)現(xiàn)熔透的同時(shí)，焊縫寬度均勻，成形平滑連續(xù)，形貌最為優(yōu)異。因此在控制其他焊接參數(shù)不變時(shí)，通過使用合適的負(fù)離焦量可以在增大熔深的同時(shí)調(diào)整熔寬，并獲得形貌優(yōu)良的焊縫，這同樣可以應(yīng)用于解決激光深熔焊功率閾值附近出現(xiàn)的焊接不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.3 焊接速度對焊縫形貌的影響

當(dāng)激光功率為4 000 W、離焦量為0 mm 時(shí)，不同焊接速度下4.5 mm厚TA4板材焊縫宏觀形貌如圖6所示，焊縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5，圖7為焊縫參數(shù)隨離焦量減小的變化趨勢。

圖6 不同焊接速度下焊縫宏觀形貌

圖7 焊縫參數(shù)隨焊接速度變化趨勢

表5 不同焊接速度下焊縫宏觀形貌參數(shù)

由圖7可知，當(dāng)焊接速度逐漸增大時(shí)，焊縫尺寸波動(dòng)變化[14]，正面熔寬逐漸減小。激光焊接時(shí)，由于激光能量密度的不同，可以分為激光熱導(dǎo)焊和激光深熔焊。在激光功率確定時(shí)，焊接速度的提高導(dǎo)致激光能量密度降低，焊接模式由激光深熔焊轉(zhuǎn)變?yōu)榧す鉄釋?dǎo)焊[15]，這進(jìn)一步降低了焊接熱輸入，使得正面焊縫熔寬逐漸降低，焊接飛濺明顯增多。

3 結(jié) 論

（1）隨著激光功率的增大，焊縫背面熔寬穩(wěn)定增大，背部寬窄差逐漸減小；當(dāng)板材由“未熔透”過渡到“過熔透”狀態(tài)時(shí)，正面焊縫熔寬出現(xiàn)反常波動(dòng)，說明當(dāng)激光功率密度處于激光深熔焊的功率閾值附近時(shí)，存在焊接不穩(wěn)定現(xiàn)象。

（2）焊縫正面及背面熔寬隨離焦量減小的變化趨勢一致，均為先增大后減小；當(dāng)離焦量變化范圍為-1～-2 mm 時(shí)，焊縫在實(shí)現(xiàn)熔透的同時(shí)，寬度均勻，改善了離焦量為0 mm 時(shí)存在的焊接不穩(wěn)定現(xiàn)象。

（3）隨著焊接速度的增大，焊縫正面熔寬逐漸減小，焊縫寬窄差變化較小，在焊接速度的影響下，激光功率密度處于閾值附近時(shí)存在的熔寬無規(guī)則地波動(dòng)主要發(fā)生于背面焊縫。