TC4鈦合金T形接頭雙光束激光焊接組織與力學(xué)性能研究

引言

隨著航空飛行器的迭代升級(jí)，對(duì)飛行高度和飛行速度等飛行性能提出了更高的要求，因此對(duì)構(gòu)件輕量化、長(zhǎng)壽命的要求也越來(lái)越高［1-2］。蒙皮類結(jié)構(gòu)作為航空飛行器中重要的構(gòu)件，常安裝于飛行器的表面，其型面尺寸與剛度等性能都要具備較高的性能。在輕量化方面，鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)以及加工工藝性好等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同樣，在蒙皮制造領(lǐng)域特別是高溫工作區(qū)的蒙皮構(gòu)件原材料選取時(shí)，都將鈦合金作為首選材料［3-4］。在蒙皮構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)方面，為了在提高蒙皮構(gòu)件剛度的同時(shí)還能減小構(gòu)件質(zhì)量，常在蒙皮內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)置加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的內(nèi)置加強(qiáng)筋采用鉚接連接工藝，由于鉚接連接需要在加強(qiáng)筋底部形成形彎邊，因此，鉚接形式內(nèi)置加強(qiáng)筋的制造使構(gòu)件的質(zhì)量增加［5］。針對(duì)構(gòu)件減重的需求，科研工作者提出了一種 T 形接頭的熔焊工藝，即在T形接頭修配完成后，在壁板外側(cè)施焊，采用壁板氬弧穿透焊工藝完成蒙皮與加強(qiáng)筋的連接，從而替代了鉚接工藝，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的減重［6］。然而，當(dāng)下隨著航空器對(duì)外表面質(zhì)量要求的逐漸提升，壁板穿透焊技術(shù)破壞了壁板結(jié)構(gòu)的整體性，并且熔焊過(guò)程較大的熱輸入使得構(gòu)件的變形量也有所增加。

針對(duì)內(nèi)置加強(qiáng)筋鉚接增重以及壁板穿透焊破壞蒙皮整體性的問(wèn)題，研究者采用高能量密度的激光熱源，提出了在加強(qiáng)筋兩側(cè)角接處激光焊接的雙光束激光焊接工藝。與傳統(tǒng)焊接工藝相比，雙光束激光焊接工藝焊接速度快、變形量小，特別是在蒙皮內(nèi)側(cè)雙光束施焊，避免了壁板整體性的破壞，提高了接頭的品質(zhì)［7-9］。然而，接頭的力學(xué)性能與組織特點(diǎn)是確保接頭能否安全可靠使用的決定性因素。一些學(xué)者對(duì)鈦合金接頭的焊接工藝做了研究，更多的集中在焊縫成形，而對(duì)薄壁件的相關(guān)報(bào)道較少［10-11］。因此，本研究以 TC4 鈦合金雙光束激光焊T形接頭為對(duì)象，分析了接頭的組織與力學(xué)性能，這對(duì)于T形接頭的雙光束激光焊接技術(shù)在輕量化構(gòu)件制造領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用具有重要意義。

1、 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用 TC4 鈦合金薄板，接頭形式為1.5 mm厚的加強(qiáng)筋與2 mm厚的底板通過(guò)雙光束激光焊接形成 T 形接頭。TC4 化學(xué)成分如表 1 所示，其組織形貌如圖1所示，母材原始組織為α相與β相組成的等軸晶，在組織內(nèi)部能明顯看到經(jīng)軋制后形成的具有明顯方向性的纖維層。為滿足后續(xù)力學(xué)性能試片的制作，底板尺寸為 300 mm×200 mm，且沿 200 mm 長(zhǎng)度的方向?yàn)槔w維方向，加強(qiáng)筋尺寸為20 mm×200 mm，同樣沿200 mm長(zhǎng)度的方向?yàn)槔w維方向。選擇直徑 1.0 mm 的同牌號(hào) TC4 焊絲。采用沿焊接方向的送絲在前、激光在后的空間分布，且激光入射方向軸線與底板之間的夾角為 25°~35°。

焊前24 h內(nèi)對(duì)待焊試片進(jìn)行酸洗以去除表面油污，并用防塵布進(jìn)行包裹防止灰塵污染，焊前 2 h 用有機(jī)溶劑擦拭接頭待焊區(qū)域 10 mm 內(nèi)區(qū)域。焊接時(shí)使用與激光入射方向同軸的管狀惰性氣體保護(hù)罩，在罩內(nèi)以 25 L/min 流量通入純度為 99.99% 的氬氣對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行適時(shí)保護(hù)。激光焊接參數(shù)為：激光功率3 000 W，焊接速度8 000 mm/min，離焦量2 mm，送絲速度6000 mm/min。

試驗(yàn)采用的焊接路徑控制設(shè)備為六軸機(jī)械手臂，在機(jī)械手臂末端固定有激光焊接頭，激光焊接頭與激光發(fā)生器之間通過(guò)柔性光纖連接，用于激光能量傳輸，且在激光頭上還集成有填絲用的送絲嘴，送絲嘴與送絲機(jī)之間通過(guò)送絲管連接，其中激光器為 IPG YLS-4000-ECO 型光纖激光器，焦距為300 mm，送絲機(jī)為Fronius Kd7000型送絲機(jī)。

焊接完成后，采用線切割方法制取拉伸測(cè)試與彎曲測(cè)試等力學(xué)性能試樣，拉伸和彎曲試樣尺寸如圖 2 所示。沿焊道制取底板尺寸為 15 mm×20 mm的金相試樣，在自動(dòng)磨拋機(jī)上依次采用400#、800#、1500#以及2000#的水砂紙進(jìn)行金相試樣磨拋，之后采用 10%HF+30%HNO3+60%H2O 的金相組織液腐蝕焊縫組織，時(shí)長(zhǎng)為30 s。

2 、試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 焊接接頭微觀組織成因與分析

雙光束激光焊TC4合金T形接頭宏觀形貌如圖3 所示。可以看出，焊接接頭成形良好，T 形接頭兩側(cè)的焊道在焊道底部形成了有效搭接，且接頭未出現(xiàn)未熔合、氣孔和咬邊等缺陷。接頭可分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及母材區(qū)三個(gè)區(qū)域。由于激光熱源能量密度集中度高、焊接速度較快，T形接頭兩側(cè)各自的焊縫均呈現(xiàn)出深而窄的接頭形貌，其焊縫區(qū)寬度約為1~1.5 mm，焊縫組織加強(qiáng)筋側(cè)熱影響區(qū)寬度約為250 μm，底板側(cè)的熱影響區(qū)厚度約為200 μm。

T形接頭焊縫區(qū)的高倍金相組織形貌如圖4所示。焊縫熔化區(qū)主要由粗大的等軸晶組成，且等軸晶內(nèi)部是以α相為基體以及在基體上呈網(wǎng)籃狀分布的少量針狀馬氏體α' 相，此外，還有少量的α+β相。這主要是由于焊縫區(qū)為接頭的熔化區(qū)，直接接收到熱源的熱輸入，焊接能量較高。同時(shí)針狀馬氏體 α'相的形成需要有較快的冷卻條件，在快速冷卻過(guò)程中高溫的 β 相來(lái)不及均勻化轉(zhuǎn)變?yōu)?α 相，而發(fā)生擴(kuò)散切變形成α' 相。然而熔化區(qū)高的熱輸入減緩了β相的轉(zhuǎn)變速度，降低了 α' 相的形核能力，形成 α 相。

而在β相轉(zhuǎn)變形成α相的同時(shí)，仍然會(huì)有部分高溫β相發(fā)生快速冷卻形成α' 相，而所形成的α' 相在高溫的作用下逐漸長(zhǎng)大。

接頭整體組織形貌、接頭上部焊縫交叉處與下部焊縫交叉處的熱影響區(qū)以及接頭母材區(qū)的組織形貌如圖5所示。從接頭整體組織形貌（見(jiàn)圖5a）可以看出，隨著距焊縫中心距離的增加，接頭組織的晶粒尺寸逐漸減小。相較于原始母材組織形貌（見(jiàn)圖 5d），圖 5a 中 B 區(qū)所對(duì)應(yīng)的接頭上部交叉區(qū)熱影響區(qū)組織發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變，這是由于該區(qū)組織受到焊接熱循環(huán)的作用，該區(qū)域溫度遠(yuǎn)高于鈦合金的組織轉(zhuǎn)變溫度（980~995 ℃）而發(fā)生 β 轉(zhuǎn)變，在熱源離開(kāi)后的熔池凝固過(guò)程中，該區(qū)域熱量相對(duì)于焊縫處熱量較小，冷卻速度較快，因此最終形成由少量的針狀α' 相和初生α相的組織特點(diǎn)。C區(qū)對(duì)應(yīng)的接頭下部交叉區(qū)熱影響區(qū)相較于上部交叉處的熱影響區(qū)，其組織晶粒尺寸明顯增加，且 α 相明顯增加，α' 相明顯減少，這主要是由于下部交叉處熱影響區(qū)受到兩次焊接熱循環(huán)的影響，且激光焊接的能量密度較高，向焊縫熔深方向所傳遞的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于向四周傳遞的熱量，因此相對(duì)于上部交叉部的熱影響區(qū)，在下部交叉部位的熱影響區(qū)所獲得的焊接熱量也較大，因此晶粒組織較大，且抑制了α' 相生成，結(jié)果形成大量的α相等軸組織。

2.2 力學(xué)性能分析

焊接接頭力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果如表 2 所示，接頭的測(cè)試斷裂位置如圖6所示。可以看出接頭拉伸試驗(yàn)均斷裂于母材區(qū)，對(duì)各力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果求平均值，抗拉強(qiáng)度均值為 1 001 MPa，與母材相當(dāng)，屈服強(qiáng)度均值為963 MPa，彎曲角度均值為33.1°。從測(cè)試結(jié)果可以看出，接頭的力學(xué)性能均可滿足其使用性能，接頭性能可靠。

2.3 典型件焊接

基于上述 1.5 mm⊥2 mm 的 TC4 鈦合金 T 形接頭雙光束焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果，采用相同工藝參數(shù)對(duì)1.5 mm⊥2 mm 組合的鈦合金典型驗(yàn)證構(gòu)件進(jìn)行焊接，焊前采用與試片同樣的去污去雜處理，典型構(gòu)件如圖 7 所示。之后對(duì)典型件接頭進(jìn)行 X 光檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示，可以看出接頭內(nèi)部質(zhì)量良好，沒(méi)有產(chǎn)生裂紋與氣孔等缺陷，滿足產(chǎn)品的使用要求。

3、 結(jié)論

（1）TC4 鈦合金 T 形接頭經(jīng)過(guò)雙光束焊接后接頭可以分為母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)三部分。

（2）接頭的微觀組織顯示，焊縫區(qū)域主要為以α相為基體以及在基體上面呈網(wǎng)籃狀分布的少量針狀馬氏體α' 相，在上部熱影響區(qū)交叉區(qū)為少量的針狀 α' 相以及初生 α 相，下部熱影響區(qū)交叉區(qū)為 α 相等軸組織。

（3）接頭力學(xué)性能顯示，抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)，平均彎曲角度為33.1°，典型件焊接頭內(nèi)部質(zhì)量沒(méi)有裂紋與氣孔缺陷。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 楊清福，曾才有，張宇鵬，等. 大厚度TC4鈦合金窄間隙焊接接頭組織性能研究［J］. 電焊機(jī)， 2023， 53（8）：8-15.

YANG Q F，ZENG Y C，ZHANG Y P，et al. Effect of Large-Thickness TC4 Titanium alloy Narrow Gap Weld Structure on Mechanical Properties of Joint［J］. Electric Welding Machine，2023，53（8）：8-15.

［2］ 鄒吉鵬，黃瑞生，武鵬博，等. TC4鈦合金低真空20kW激光焊接特性研究［J］. 電焊機(jī)， 2023， 53（8）：28-35.

ZOU J P，HUANG R S，WU P B，et al. Study on Low Vacuum 20kW Laser Welding Characteristics of TC4  Titanium Alloy［J］. Electric Welding Machine， 2023，53（8）：28-35.

［3］ 趙曉龍，王彬，鞏水利，等. 2.0 mm厚TC4鈦合金激光焊接接頭組織與力學(xué)性能研究［J］. 熱加工工藝，2017，46（9）：209-211.

ZHAO X L，WANG B，HE E G，et al. Effect of multiple heat treatments on the microstructure and properties of TC4 titanium alloy laser welding joint［J］. Applied La‐ser，2020，40（5）：831-835.

［4］ 陳素明，趙安安，姜毅，等 . TC4 鈦合金激光填絲工藝參數(shù)對(duì)焊縫宏觀成形的影響［J］. 中國(guó)激光， 2021， 48（14）：74-80.

［5］ 史吉鵬，劉艷梅，黃成杰，等 . 鈦合金薄壁 T 型件雙作用激光焊接填絲狀態(tài)對(duì)焊縫成形的影響［J］. 熱加工工藝，2021，50（11）：30-34.

SHI J P，LIU Y M，HUANG C J，et al. Effect of filler wire state on weld formation during double-laser weld‐ing of titanium alloy thin-wall T joint［J］. Hot Working Technology， 2021， 50（11）： 30-34.

［6］ 王紅陽(yáng)，張永操，祝美麗，等. 鈦合金T形結(jié)構(gòu)激光-電弧復(fù)合焊接成形工藝［J］. 電焊機(jī)，2016，46（3）：14-18.

WANG H Y，ZHANG Y C，ZHU M L，et al. Laser-arc hybrid welding of titanium alloy T-shaped joint appear‐ance［J］. Electric Welding Machine，2016，46（3）：14-18.

［7］ 馬旭頤，段愛(ài)琴，蘆偉，等 . Ti-6Al-4V 合金雙光束激光焊接 T 形接頭拉伸過(guò)程特征［J］. 焊接學(xué)報(bào)， 2019，40（2）：91-97.

MA X Y，DUAN A Q，LU W，et al. Characteristics of tensile process in double-sided laser beam welded T-joints of Ti-6Al-4V alloy［J］.Transactions of the China Welding Institution，2019，40（2）：91-97.

［8］ 王祥賀，史吉鵬，韓穎杰，等 . 鈦合金 T 形件雙激光焊接力學(xué)性能與組織研究［J］. 應(yīng)用激光，2023（1）：1-6.

WANG X H，SHI J P，HAN Y J，et al. Study on the me‐chanical properties and microstructure of double laser welding of titanium alloy T-joint［J］. Applied Laser，2023（1）：1-6.

［9］ 占小紅，趙艷秋，陳帥，等 . 輕合金 T 型結(jié)構(gòu)雙激光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 航空制造技術(shù)，2020，63（11）：20-31.

ZHAN X H，ZHAO Y Q，CHEN S，et al. Research prog‐ress on double laser-beam bilateral synchronous weld‐ing of T-joints for light alloy［J］. Aeronautical Manu‐facturing Technology，2020，63（11）：20-31.

［10］ 王學(xué)東，何恩光，陳俐，等 . 拘束條件對(duì)薄板 T 形接頭雙光束激光焊接變形的影響［J］. 焊接學(xué)報(bào)，2016，37（3）：101-105.

WANG X D，HE E G，CHEN L，et al. Influence con‐straint on welding deformation of T joint welded by dual-beam laser［J］. Transactions of the china welding institution，2016，37（3）：101-105.

［11］ 馬旭頤，段愛(ài)琴，蘆偉，等 . Ti-6Al-4V 合金雙光束激光焊接 T 形接頭拉伸過(guò)程特征［J］. 焊接學(xué)報(bào)， 2019，40（2）：91-97.

MA X Y，DUAN A Q，LU W，et al. Characteristics of tensile process in double-sided laser beam welded T-joint of Ti-6Al-4V alloy［J］. Transactions of the china welding institution，2019，40（2）：91-97.