TA1超薄板激光焊接组织与性能的研究

引言

钛及钛合金因具有比强度和热强度高，良好的塑性、韧性、高低温性能以及优异耐腐蚀性和生物相容性等优点［1］，在航空航天制造、石油化工、船舶、海洋开发、电工电力和生物医学等领域得到广泛应用［2-4］。工业纯钛薄板在焊接过程中容易产生变形，此外极易与空气中各种成分发生反应，产生脆性相大大降低焊接接头的塑性和韧性，严重降低焊接接头质量［5-7］。目前主要使用钨极氩弧焊、等离子弧焊、激光焊和电子束焊等焊接方法来对工业纯钛进行焊接研究，相对于其他焊接方法，激光焊接具有能量集中、焊缝成形好、焊后变形小、生产效率高等显著优势，完全满足现代焊接构件高精度和高效率要求，其焊接接头质量高，在钛及其合金领域发展迅速［7-8］。目前激光焊接工艺参数对钛及其合金焊缝成形及组织性能研究较多，但对其系统研究及其焊缝耐蚀性研究相对较少。

本文针对 0.5 mm TA1 钛合金超薄板激光焊接关键参数（焊接速度、激光功率）进行深入研究，探讨了不同焊接参数对焊缝微观组织演变规律的影响，并阐明了其对焊缝力学性能和耐蚀性的作用机制。研究结果为工业纯钛 TA1 在工业生产中提高生产效率提供理论支撑，同时为其激光焊接生产与工艺参数的制定及推广应用提供理论及技术支撑。

1 、试验材料及方法

试验材料为退火状态下30 mm×50 mm×0.5 mm的工业纯钛TA1板材，化学成分见表1，力学性能见表2。母材显微组织主要为单一等轴α相，晶粒大小一致，均匀分布，如图1所示。

使用 YLS-4000 光纤激光器进行激光焊接试验，该激光器最大输出功率为 4 kW，最小输出功率为 400 W，光纤芯径为 200μm，工作波长 1070 nm。

激光焊接过程中，焦距设定为 400 mm，准直器长度为160 mm。焊接方式采用对接焊，为防止焊接区域氧化，采用纯度为99.9%的氩气作为保护气体，正面保护气体流量 15~20 L/min，尾部保护气体流量为10~15 L/min，并在背部使用衬垫进行保护。在保持焊接速度恒定的情况下，通过调整焊接功率，选择综合性更好的焊接功率。进一步在此焊接功率下，通过改变焊接速度，对焊缝性能进行了详细研究，相关数据如表3所示。

2 、结果与分析

图 2 为采用 XTL-165 系列体视显微镜观察到的不同功率下所获 TA1 焊缝宏观形貌。当焊接速度及其他工艺参数保持不变时，激光功率对焊缝熔宽有显著影响。由图可知，随着激光功率的增加，缝宽度逐渐增加，这是单位面积内熔化的TA1量不断增加所致。

图 3 为对应图 2 焊缝的显微组织。由图可知，随着焊接功率增加，晶粒尺寸越来越大。这是因为焊接功率增加，热输入加大，材料在高温下的停留时间延长，为α相晶粒的生长提供了更多的时间，最终形成较大的晶粒［9-10］。当焊接功率为 400 W 时（见图 3a），晶粒细小且界限分明，便于分析和观察母材、热影响区及焊缝区的位置和形貌。然而，TA1钛合金纯度高且杂质含量少，且易在机械抛光过程中产生形变和孪晶，这些孪晶是晶体中的一种特殊缺陷结构，会干扰正常的显微组织观察。在HAZ的中间部分，组织较为粗大，这是由于激光焊能量集中、热输入大以及 TA1 钛合金散热速度慢，从而促进了晶粒的进一步生长。此外，距离焊缝越近的区域，晶粒尺寸越大，而热影响区范围相对较小，约为1 mm，这一现象体现了激光焊接能量集中、热影响区小的优点。右图为焊缝区域放大图，焊缝区存在明显的块状α相、锯齿状α相及少量的针状α相。这是因为材料散热差、冷却速度不一致导致高温 β 相在快速冷却过程中转变成锯齿状α相和针状α相。

图4为对应激光功率的TA1焊接接头拉伸测试应力-应变曲线。由图可知，随着焊接功率的增加，接头的抗拉强度呈现下降趋势，分别为293.5 MPa、278.5 MPa 和 249.5 MPa。焊接功率为 400 W 时，接头断裂于母材，这是因为母材区域显微组织大多为等轴 α 相，这些等轴 α 相在拉伸过程中易发生位错运动且 α 相数量较多，使得母材区域具有较好的塑性。在受到拉伸力时，母材区域会发生塑性变形形成颈缩，最终导致母材区域发生断裂；由于激光焊接能量高而集中，且冷却速度较快，导致焊缝和热影响区存在大量锯齿状 α 相及少量针状 α 相，对焊缝及热影响区的晶粒起到强化作用，其次焊缝为平行于轧制的焊接，导致其抗拉强度低于焊缝［11］。焊接功率为 500 W 时，接头断裂于热影响区。这是因为在较高的焊接功率下，热影响区长时间处于过热状态，导致晶粒长大变粗。一般来说，晶粒越细，晶界之间的交错越紧密，连接也更牢固［11］，这有利于提高焊接接头的强度和塑性。同时，细晶粒也有助于将塑性变形均匀分布在晶粒之间，减少内应力，从而增强焊接接头的性能。然而，在500 W功率下，热影响区中的针状 α 相和锯齿状 α 相数量减少，导致该区域的强度显著降低，拉伸时在热影响区发生断裂。当焊接功率为 600 W 时，焊接接头断裂仍然在热影响区，这是因为过大的热输入导致晶粒粗化。综上，功率为400 W的焊接试样拉伸强度最高，随着激光功率的增加，热输入的增加导致焊接接头粗晶脆化，大大降低接头的拉伸强度。

基于三电极电化学测试系统，通过电化学腐蚀方法，研究不同焊接功率下TA1焊接接头的耐腐蚀性能变化，如图 5 所示。试验模拟了 TA1 钛合金在海水中的腐蚀行为，其中阳极发生化学反应导致Ti失去电子变为Ti4+，阴极H+得到电子析出氢气［12-13］。

通过比较接头的腐蚀电流密度和阻抗大小来评判各功率下焊接接头抗腐蚀能力。

腐蚀电流密度的大小反映了腐蚀速率的快慢，电流密度越小，材料的耐腐蚀性越好。由图5可知，400 W 的接头腐蚀电流密度最小，600 W 的腐蚀电流密度最大。而阻抗与此相反，400 W 的 TA1 焊接接头更耐腐蚀。这是因为焊接功率小，热输入小，晶粒会越细小，晶内缺陷数量减少，参与腐蚀活性点的数量也随之减少；其次，热输入越小，温度越低，母材熔化量少，组织越均匀，焊接接头内部形成原电池概率下降，试样耐腐蚀性能越好。同时，在以上参数中可以发现，当焊接功率超过500 W，抗腐蚀性能会急剧下降。为了保证生产效率，最终确定了500 W的焊接功率来进行焊接速度参数的确定。

图 6 为 500 W 激光功率下、不同焊接速度所获焊缝宏观形貌。由图6可知，随着焊接速度的提高，焊缝宽度逐渐减小，焊缝边界趋于平直，焊缝表面组织逐渐细化。焊接速度越小，晶粒生长方向与熔池运动方向的夹角越小，晶粒主轴弯曲程度越大；焊接速度越快，夹角越大，晶粒主轴几乎垂直于焊缝中心。这是由于晶粒沿温度梯度较大方向生长，在垂直于熔池边界方向温度梯度最大［14-15］。当冷却速度最快方向与晶粒最易生长方向一致时，最有利于晶粒生长，晶粒可以生长到熔池中心，形成粗大的柱状晶体，焊缝中心形成等轴晶。一般情况下，由于等温曲线呈现弯曲状态，曲线上每一点法线方向不断变化，晶粒的生长方向也随之变化，从而形成弯曲的柱状晶体。

图 7 为 500 W 激光功率、不同焊接速度下 TA1合金焊缝微观组织。由图7a可知，焊缝由粗大的柱状和块状α晶粒、锯齿状α晶粒及少量针状α晶粒组成。热影响区与母材有明显的交界，该区域中晶粒形状不规则，多为锯齿状晶。从图中可知，焊缝中心存在一个弧坑，这是由于激光焊接的高功率密度和大热输入导致熔池中的金属蒸气大量逸出，推动熔池表面金属向两侧移动，冷却凝固时两侧金属未能及时回流，从而在焊缝中心形成凹陷。由图7b可知，焊缝中心由粗大α晶粒和锯齿状α晶粒组成，有少量针状 α 晶粒分布，焊缝与热影响区之间无明显交界。热影响区与母材之间的界限清晰，HAZ内部分是较为粗大α晶粒和大量锯齿状α晶粒。在图7c所示焊缝中，块状α晶粒尺寸明显减小，锯齿状和针状 α 晶粒分布较多，HAZ 组织相对细小。α 晶粒尺寸及形态受焊接参数的影响，在不同焊接速度下，焊接的热输入不同，焊缝组织中块状 α 晶粒和锯齿状α晶粒的大小会发生改变。激光焊接过程是一个快速加热和快速冷却凝固结晶过程，柱状晶在此条件下沿着熔合线向焊缝中心快速发展，组织结晶方向与最大温度梯度方向相一致。对比图7中焊缝晶粒的尺寸可知，随着焊接速度的增大，晶粒尺寸逐渐减小，这是因为焊接速度的增加导致焊缝热输入显著降低，没有足够能量支撑晶粒长大。同时，图7a焊缝上部缺口也表明在焊接功率不变的情况下，当焊接速度较小时，由于热输入过大，容易在焊缝处产生焊接缺陷。

图 8 是 500 W 激光功率、不同焊接速度下 TA1接头拉伸试样的室温拉伸曲线。由图可知，当焊接速度为 70 mm/min、90 mm/min、110 mm/min 时抗拉强度分别为 240.3 MPa、255.8 MPa、285.5 MPa。断裂位置分别位于HAZ、HAZ、母材。这表明，在焊缝完全熔透且无缺陷的情况下，随着焊接速度的增加，接头的抗拉强度逐渐增大。且110 mm/min焊接速度下试样的延伸率更高，这是因为较低的焊接速度导致较大的热输入，使焊缝在高温停留时间较长，熔池过热，促进了 β 钛晶粒的快速生长，并在冷却过程中形成粗大的 α 晶粒，这些粗大晶粒导致材料的脆化，从而降低其力学性能，使得在拉伸过程中更容易发生断裂。随着焊接速度的增大，线能量减小，晶粒逐渐细化，由于细晶强化，细化的晶粒在受到拉力作用时，塑性变形分散到更多的晶粒内进行。并且晶粒越细小，晶界面积越大，晶界曲折程度越高，位错滑移至晶界前被晶界阻挡，使得塑性变形无法传播到相邻晶粒中，裂纹扩展困难［16-17］。

图 9 为 500 W 激光功率、不同焊接速度下 TA1焊接接头阳极极化曲线。由图可知，各曲线均无明显钝化区间。随着焊接速度增加，腐蚀电位逐渐增大，表明接头的耐腐蚀性能逐渐增强，焊接速度为110 mm/min 时接头的耐腐蚀性能最好。尽管焊接速度为 90 mm/min 接头腐蚀速率最小，110 mm/min的腐蚀速率最大，但从整体来看腐蚀速率区别不大。这是由于钛材本身具有良好的耐蚀性，且激光焊接能量集中，对母材影响较小，所以焊后接头依然保持较好的耐腐蚀性能［18］。

3 、结论

（1）结合生产效率和焊接接头性能，本研究确定了本次的优化工艺参数：激光功率为500 W，焊接速度为110 mm/min。

（2）TA1 焊接接头抗拉强度随着焊接功率的增大不断下降，激光功率为 400 W 时抗拉强度为293.5 MPa，此时焊缝区组织为粗大α晶粒、锯齿状α晶粒和少量针状α晶粒，热影响区组织构成为粗大α晶粒和不规则锯齿状α晶粒，并且由于焊接功率小，热输入小，晶粒会越细小，晶内的缺陷数量会减少，参与腐蚀活性点的数量也随之减少，故 400 W 下TA1激光焊焊接接头更耐腐蚀。

（3）TA1焊接接头在焊接速度为70 mm/min时，焊接接头焊缝中心显微组织为粗大α晶粒和少量针状 α 晶粒，当焊接速度为 110 mm/min 时，抗拉强度为 285.5 MPa，焊缝中心显微组织为针状 α 晶粒；接头热影响区的显微组织均为粗大α晶粒和不规则锯齿状α晶粒；随焊接速度增大，焊接接头晶粒尺寸减小，抗拉强度增大，耐腐蚀性能最佳。

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