表面处理对TC4钛合金激光焊接的影响

钛合金具有重量轻、韧性好、比强度高、耐腐蚀性强的特点，特别适用于航空航天材料，随着汽车、自行车轻量化的要求，钛合金的应用也越来越多。

钛合金具有较小的导热系数(15.24 W/(m.K))以及较低的膨胀系数(约9.41x10^-6〜10.03x10^-6 °C^-1),且对激光的吸收率较低，约为0.4%,以及较高的熔点(1670 °C )，这些属性意味着需要较高的热量输入，才能实现钛合金的焊接，而过高的热量输入可能会导致焊缝气化，产生焊接缺陷，进而降低焊缝的抗拉强度。 激光焊接时的能量密度高，可以用较小的热量输入得到较大的焊缝熔深，激光焊接已经在不锈钢焊接中得到较多的应用。对激光吸收率较低的金属，由于大部分激光能量被反射掉，需要较高的激光能量输入才能使材料形成焊接，这样浪费了能量，同时增加了热影响范围。对材料表面进行处理，可以增加材料对激光的吸收率，如对铝合金表面进行喷砂 或使用深色涂层,可以提高激光吸收，导致焊缝熔深显著增加；在铜表面涂覆石墨，提高材料对激光的吸收率，可以得到较好的焊接效果。截至目前,国内外均未见有对钛合金表面进行处理后进行激光焊接的报道出现。

文中对钛合金TC4表面进行处理，然后进行激光焊接，研究表面处理对激光焊接焊缝熔深、微观组织和力学性能的影响，为实际生产提供实验参考。

1、焊接实验

1.1材料

实验材料为钛合金，牌号为TC4,厚度为2 mm,将板材切割为100 minx 50 mm。采用夹具将材料夹紧，激光焊接过程中，采用99.99%的氮气对焊缝表面进行保护，TC4钛合金的化学成分如表1所示。

1.2设备

采用高功率连续光纤激光器作为焊接光源，激光器最大功率为2000 W,波长为1064 nm,光纤芯径为100 pn,激光器为武汉锐科激光公司提供，型号为RLF-C2000,激光束经过加工头聚焦后，在激光焦点处的光斑大小为0.4nmi。激光加工头固定不动，三维运动平台带动载具及材料运动，实验平台如图1a所示。焊缝接头的抗拉强度采用微机控制电子万能试验机进行测试，由珠海三思泰捷公司提供，型号为CMT4102,测试平台如图1b所示。

2、工艺实验结果及分析

2.1材料表面处理

在激光焊接前，对钛合金TC4表面进行处理，表面处理的方式有4种，分别为砂纸打磨、喷砂、涂覆石墨层以及激光扫描。用砂纸打磨处理时，采用600目的水砂纸对板材表面分别进行横向和纵向打磨，时间各为3 min,砂纸打磨后的材料表面平整，无明显划痕；喷砂处理是采用喷砂枪将260目的石英砂喷射到材料表面，喷砂后使材料表面平整，分别用丙酮、酒精清洗表面油污及杂质。涂覆石墨层的方法是：采用纯度为95%,粒度3000目的鳞片石墨粉，将其用刷子多次涂覆在钛合金TC4表面，直到材料表面的石墨粉分布均匀为止。激光扫描处理采用100W光纤激光器，平均功率为100 W,频率为10〜2000 kHz,波长为1070 nm,光纤芯径为14 gm,激光束经过加工头聚焦后，在激光焦点处的光斑大小为

0.028 mm,可以对材料表面进行激光扫描，在表面形成网格图形，增加材料对激光的吸收率。

2.2激光焊接焊缝强度测试

采用最大功率3000 W的光纤激光器对4种表面处理后的钛合金TC4板材进行激光焊接。经过测试，采用的焊接工艺参数为，激光功率2600 W,焊接速度为50mm/s,离焦量为+2 mm,采用氮气对焊缝表面进行保护，氮气流量为10L/mino将焊接样品采用线切割机切割成标准式样，采用拉力测试机测试样品焊缝的拉力值，拉力值除以焊缝面积（焊缝面积等于焊缝宽度乘以焊缝长度）得到焊缝的抗拉强度值。表面未处理的焊缝抗拉强度为587 MPa,为母材（抗拉强度为895 MPa）的50%左右。砂纸打磨处理后的焊缝抗拉强度为889 MPa,非常接近母材的抗拉强度。

喷砂处理和涂覆石墨层后的焊缝抗拉强度分别为683MPa和678 MPa,比表面未处理的大，但是低于钛合金母材。激光扫描处理后的焊缝抗拉强度为1106MPa,大于母材。

2.3激光焊接焊缝切片分析

对焊缝进行切片分析，焊缝切片如图2所示，其中图2a为未进行表面处理的焊缝切片，焊缝熔深较小，为1.50mm,这可能是因为钛合金对激光反射率较高，材料吸收率较低，导致熔深较低，这种情况下，焊缝抗拉强度较低。图2b为砂纸打磨处理后的焊缝切片，焊缝熔深增加到2.02 mm,相对于未进行表面处理的焊缝，熔深增加了 30%,这是因为砂纸打磨后，材料表面形成漫反射，提高了材料对激光的吸收率，进而增加了焊缝熔深，使焊缝抗拉强度增加到接近母材的抗拉强度。其中图2c为喷砂处理后的焊缝切片，图2d为涂覆石墨层后的焊缝切片，焊缝熔深相对于未进行表面处理的焊缝，熔深均有增加，但是焊缝内部存在微裂纹及气孔，导致焊缝抗拉强度较低，这可能是因为喷砂处理以及涂覆石墨将杂质引入到了焊缝中，在熔池冷却凝固过程中产生了裂纹倾向。图2e为激光扫描处理后的焊缝切片，焊缝熔深为1.99mm,达到材料本身的厚度，表明材料被焊透，且焊缝内部无裂纹及气孔，这是因为激光扫描后，在材料表面形成毛化现象，增加了材料对激光的吸收率，提高了焊缝的熔深，同时激光扫描过程中，未引入任何的杂质，不会产生裂纹及气孔，使焊缝的抗拉强度大于母材。

2.4焊缝微观结构分析

进一步对4种表面处理后的钛合金TC4激光焊缝微观结构进行分析，焊缝的熔合区500倍放大如图3所示，其中图3a对应为砂纸打磨处理后的激光焊缝熔合区的微观结构，图3b对应为喷砂处理，图3c对应为涂覆石墨层处理，图3d对应为激光扫面处理。 由图3可知，所有样品的熔合区显微组织均为马氏 体，对图像仔细观察可以发现，4种表面处理后激光 焊缝的马氏体微观结构之间存在一些差异，砂纸打磨 处理后的焊缝微观结构由针状a马氏体结构组成，存 在暗色针状颗粒，可能是TiC,喷砂处理以及涂覆石 墨层处理的焊缝微观结构由片状马氏体结构组成，晶 界处存在较暗的颗粒，可能是石墨夹杂物，这些颗粒 会导致焊缝脆化，降低焊缝的抗拉强度。激光扫描处 理后的焊缝微观结构由针状a马氏体结构组成，内部 针状结构非常致密，内部无杂质，使焊缝抗拉强度达 到了最高的1106 MPa,超过了母材的强度。

3、结论

研究了表面处理对钛合金TC4激光焊接的影响。 4种不同的处理方法如砂纸打磨、喷砂处理、涂覆石 墨层以及激光扫描均可提高焊缝抗拉强度及熔深。

焊缝熔合区域的显微组织分析结果表明，所有焊缝均由马氏体组成，但是不同的表面处理方式焊接后 的显微组织有细微的差异，激光扫描处理后的焊缝微 观结构中内部针状结构非常致密，内部无杂质，使焊 缝抗拉强度达到了最高的1106 MPa,超过了母材的强度。

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