毛錦榮，黃永德，陳玉華，張 昊，何 鵬

（1.輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌330063；2.先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工業(yè)大學(xué)），哈爾濱150001）

功率對(duì)純鈦薄片激光封孔成形及接頭性能的影響

毛錦榮1，黃永德1，陳玉華1，張 昊1，何 鵬2

（1.輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌330063；2.先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱工業(yè)大學(xué)），哈爾濱150001）

為實(shí)現(xiàn)直徑為0.1 mm微孔的良好封接，采用低功率脈沖激光對(duì)0.40 mm厚的工業(yè)純鈦（CP-Ti Grade 1）進(jìn)行了封焊，采用掃描電鏡、顯微硬度計(jì)及光學(xué)顯微鏡，研究了激光功率對(duì)焊縫表面成形、焊接接頭橫截面形貌和顯微硬度的影響規(guī)律，分析了接頭的微觀組織結(jié)構(gòu).結(jié)果表明：當(dāng)激光功率不低于19.2 W時(shí)，微孔可以實(shí)現(xiàn)完全封接，且熔核直徑隨著激光功率的增大而增大，但隨著激光功率增大，焊縫凹陷和燒蝕現(xiàn)象越加嚴(yán)重；當(dāng)激光功率增大時(shí)，焊縫表面顯微硬度呈上升趨勢(shì)，激光功率為19.2 W時(shí)，焊縫成形良好，且最大顯微硬度值可以達(dá)到290 HV；焊縫中心微觀組織為針狀α、鋸齒狀α以及板條狀α晶，焊縫上邊緣為鋸齒狀α晶，而焊縫下邊緣為細(xì)小的鋸齒狀α和針狀α晶.

工業(yè)純鈦；激光封孔；激光功率；焊縫成形；顯微硬度；微觀組織

隨著植入式醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)純鈦（CP-Ti Grade 1）成為制作心臟起搏器等可植入醫(yī)療器件的重要材料［1］.由于植入式醫(yī)療器的尺寸小，并且在人體內(nèi)工作，因此，需要對(duì)植入式器件進(jìn)行高可靠封裝，并且要求采用高可靠的封接工藝［2-3］.目前，對(duì)于植入式器件（心臟起搏器）電池外殼封焊工藝國(guó)內(nèi)已掌握，并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；而對(duì)于電解液注入后的微孔封焊，在國(guó)內(nèi)外仍是個(gè)難題［4-6］.目前的處理辦法是，電解液注入后錫封焊該微孔，最后再激光封焊蓋片，對(duì)錫封焊口進(jìn)行保護(hù).但這種保護(hù)性封焊可靠性不高，電解液泄露可能導(dǎo)致電池內(nèi)電解液量減少，影響電池壽命，且錫焊封孔會(huì)造成松香的污染.另外，二次封焊會(huì)增加電池的體積與質(zhì)量［7-12］.綜合以上問(wèn)題，心臟起搏器的主要制造廠商Medtronics公司已開始研究電解液注入后直接對(duì)微孔進(jìn)行激光封焊.研究資料表明，微孔的激光封焊技術(shù)目前還存在許多基礎(chǔ)性問(wèn)題，例如，為獲得高可靠性的封接接頭，需深入研究封孔工藝、封接過(guò)程、封接機(jī)理以及接頭性能等［13-14］.

本文采用低功率脈沖激光對(duì)微孔封接技術(shù)進(jìn)行初步探索，研究激光功率對(duì)CP-Ti封孔成形及接頭性能的影響規(guī)律，進(jìn)而為激光封孔技術(shù)提供理論依據(jù).

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用直徑38.20 mm、厚0.40 mm的工業(yè)純鈦（CP-Ti Grade 1）薄片，其化學(xué)成分見表1.

表1 試驗(yàn)用CP-Ti Grade 1的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Composition of CP-Ti Grade 1（mass fraction/%）

CP-Ti表面光滑，且每個(gè)材料中打有16個(gè)均勻分布的直徑100 μm的小孔，相鄰微孔間的距離為5 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示.焊前酸洗材料表面去除氧化膜，再用丙酮清洗材料去除雜質(zhì)，焊接過(guò)程采用氬氣進(jìn)行保護(hù).

圖1 帶有16個(gè)測(cè)試孔的純鈦薄片示意圖Fig.1 Schematic of Ti disc with 16 test holes

試驗(yàn)設(shè)備采用Sisma公司生產(chǎn)的SL80型平均功率為80 W的Nd：YAG激光焊接設(shè)備，在可控參數(shù)中，激光功率百分比P為平均輸出功率的百分比，可調(diào)范圍為0～30%；脈沖寬度T可調(diào)范圍為0.3～9.9 ms；脈沖頻率F可調(diào)范圍為0～15 Hz.

試驗(yàn)過(guò)程中采用單脈沖波形，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，固定脈沖寬度為6.0 ms、光斑直徑為0.3 mm，試驗(yàn)為單點(diǎn)封焊，不采用激光頻率.試驗(yàn)所用激光功率如表2所示.

表2 試驗(yàn)所用激光功率Table 2 Laser power of experiment

焊后以金屬填充微孔的飽和程度評(píng)定封孔質(zhì)量，采用掃描電鏡觀察焊后封孔接頭表面形貌，沿焊縫中心分開截取試樣并制備金相，采用2%mL HF+3%mL HNO3+95%mL H2O腐蝕焊縫及部分母材，采用WT-401MVD型顯微硬度計(jì)測(cè)量焊縫截面顯微硬度，采用Carl Zeiss Jena金相顯微鏡觀察焊縫橫截面形貌和微觀組織結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果與分析

2.1 激光功率對(duì)封孔表面成形的影響

圖2所示為不同激光功率時(shí)焊縫表面的宏觀形貌，從整體上看，焊縫表面成形的大小隨激光功率增大而增大，焊縫表面無(wú)氧化，且呈銀光色.

從圖2可以看出：在激光的作用下，熔化的金屬?gòu)闹行囊圆ɡ诵问较蛑車鷶U(kuò)展，金屬凝固后形成明顯的波浪紋；當(dāng)激光功率較小時(shí)，有效的激光能量作用于純鈦表面，微孔靠周圍熔化的金屬填充，形成熱導(dǎo)型封接，由于凝固收縮在焊縫表面中心形成較小的凹陷；隨著激光功率的增大，能量密度增大，金屬表面被聚焦光斑加熱到一定溫度并發(fā)生汽化，在蒸汽反沖力作用下，形成匙孔型封接.

圖3所示為對(duì)應(yīng)圖2焊縫的反面.從圖3可見，CP-Ti反面微孔隨著激光功率的增大而逐漸被封接且熔核逐漸增大，反面焊縫成形有明顯的熔合線，激光功率增大時(shí)，背面飛濺較嚴(yán)重.

由圖2和圖3可見：焊縫正面的波浪紋和反面的熔核直徑隨著激光功率的增大逐漸增大，當(dāng)激光功率為19.2 W時(shí)，背面微孔完全被封接，且熔合線基本與微孔周邊重合；在脈沖寬度不變的條件下，增加激光功率相應(yīng)的單位脈沖能量增加，使得激光峰值功率增加；而激光峰值功率密度與激光峰值功率成正比，增加激光功率最終導(dǎo)致焊縫表面峰值功率密度增大，表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高到沸點(diǎn)，使熔化的金屬在表面張力、自身重力以及氣化產(chǎn)生的金屬蒸汽壓力下將其向熔池四周及底部擠壓，從而封接微孔；當(dāng)能量過(guò)大時(shí)，底部母材也隨之熔化，出現(xiàn)較嚴(yán)重的金屬飛濺現(xiàn)象.

圖2 不同激光功率時(shí)焊縫正表面的整體形貌Fig.2 Overall appearance of weld front surface at different laser powers

圖3 不同激光功率時(shí)焊縫反面的整體形貌Fig.3 Overall appearance of weld rear surface at different laser powers

2.2 激光功率對(duì)焊縫截面形貌的影響

不同激光功率時(shí)的點(diǎn)焊焊縫橫截面形貌如圖4所示.P小于16.0 W時(shí)，未封接微孔；P為19.2 W時(shí)，微孔完全封接且達(dá)到飽和狀態(tài)；P為22.4 W時(shí)，焊縫成形較好，但上下表面出現(xiàn)較小的凹陷；P大于24.0 W時(shí)，焊縫有明顯凹陷，且熔池出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象.

圖4 不同激光功率時(shí)焊縫的橫截面形貌Fig.4 Cross section morphologies of weld at different laser powers

綜上可知，當(dāng)激光功率增大到一定值時(shí)，材料表面升溫加快，周圍熔化的母材金屬增多，激光光束對(duì)焊縫表面的沖擊力較小，可使微孔完全封接；當(dāng)激光功率繼續(xù)增大時(shí)，光束對(duì)熔池表面的沖擊力增大，熔池的表面張力以及凝固過(guò)程中的收縮力相互作用使得封接的微孔出現(xiàn)凹陷；當(dāng)激光功率過(guò)大時(shí)，焊縫單位時(shí)間獲得的能量增多，能量聚集的現(xiàn)象越嚴(yán)重，焊縫燒蝕現(xiàn)象越加明顯.

2.3 激光功率對(duì)焊縫硬度的影響

分別對(duì)激光功率為19.2、20.8和24.0 W的圓形焊縫上表面進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試位置為以焊縫中心為圓心、1/2R（R為圓形焊縫半徑）為半徑的周長(zhǎng)線，在周長(zhǎng)線上等距離選取10個(gè)點(diǎn)測(cè)試.測(cè)試結(jié)果如表3所示.

表3 不同激光功率時(shí)焊縫表面顯微硬度Table 3 Microhardness of weld surface at different laser

從表3可以看出，隨著激光功率的增大，焊縫表面顯微硬度逐漸增大.從圖2分析可知，隨著激光功率增大，激光對(duì)焊縫表面的沖擊力以及蒸氣反沖壓力增大，焊縫表面波浪紋擴(kuò)展速度加快，冷卻后形成的波浪紋更加致密，且凸起的波浪紋更加明顯.焊縫表面的反沖壓力以及波浪紋的快速擴(kuò)展起到動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化的作用，而純鈦沒有固溶和析出強(qiáng)化作用［15］.因此，激光功率越大，焊縫表面動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化越明顯，使得焊縫表面硬度提高.

測(cè)試P為19.2 W時(shí)的焊縫截面硬度，測(cè)試位置如圖5（a）所示，測(cè)試結(jié)果如圖5（b）所示.根據(jù)各區(qū)域顯微硬度及分布情況可知，焊縫和熱影響區(qū)顯微硬度明顯高于母材，且焊縫的顯微硬度最高，高于熱影響區(qū)的顯微硬度.圖中焊縫中部的顯微硬度明顯高于焊縫的頂部和底部，其最大硬度為290 HV，焊縫底部的顯微硬度最低.

圖5 焊縫顯微硬度測(cè)試位置及值的分布Fig.5 The test position of weld microhardness and the distribution of the value

在激光封接微孔的過(guò)程中，周圍熔化的母材在表面張力、光束沖擊力以及自身的重力等作用下填充微孔形成焊縫，焊縫及熱影響區(qū)的硬度與組織有直接關(guān)系，純鈦母材為均勻細(xì)小的α晶粒，而焊縫組織經(jīng)過(guò)高溫重熔后與母材有較大的不同，為各種不同形態(tài)的粗大α晶粒［16-18］.由于鈦的熱容量大、電阻系數(shù)大、而熱導(dǎo)率低，所以鈦的焊接熔池具有更高的溫度，焊縫中部區(qū)域在高溫下的停留時(shí)間長(zhǎng)，使晶粒產(chǎn)生復(fù)雜的變化［19］.由于熔化的金屬由上而下填充微孔，在金屬凝固過(guò)程中焊縫底部區(qū)域凝固結(jié)晶速度最快，組織變化傾向最小，所以，硬度值最低.

3.4 CP-Ti焊接接頭的顯微組織

圖6和圖7所示分別為0.40 mm厚度CP-Ti激光焊接頭的橫截面宏觀形貌、分區(qū)及各區(qū)域的顯微組織.

圖6 焊接接頭橫截面宏觀形貌及其分區(qū)Fig.6 Cross section morphology and partitions of welded joint

圖7 圖6中不同區(qū)域的顯微組織Fig.7 Microstructuresof different zones in Fig.6：（a）Zone A；（b）Zone B；（c）Zone C；（d）Zone D

圖7（a）為母材顯微組織，可以看出，母材為均勻細(xì)小的α等軸晶粒，而焊縫區(qū)為各種不同形態(tài)的粗大α晶粒.圖7（b）為焊縫上邊緣的組織，可明顯看出，組織過(guò)渡長(zhǎng)大，形成鋸齒狀α晶（標(biāo)記S）.由于實(shí)驗(yàn)材料為薄片，而激光封焊是能量局部集中加熱的過(guò)程，焊縫區(qū)高溫停留時(shí)間極短，純鈦導(dǎo)熱性差，所獲得的熱量較少，所以幾乎看不到熱影響區(qū).圖7（c）為焊縫中心區(qū)顯微組織，可以看出，焊縫中心由針狀α晶粒（標(biāo)記A）、鋸齒狀α（標(biāo)記S）和板條狀α晶粒（標(biāo)記P）組成.CP-Ti的α→β同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)為882℃，在激光封孔過(guò)程中，溫度梯度大，且快速冷卻條件使得焊縫中心發(fā)生β→α相變，高溫形成鑄態(tài)粗大的β相，由β向α轉(zhuǎn)變時(shí)形成板條狀α晶和針狀α晶粒［20］，也由此可見，大量晶界形成致密結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了中部區(qū)域的顯微硬度，所以上述焊縫中部的硬度值最高.焊縫下邊緣區(qū)域由于冷卻速度較快，可看出組織由不明顯的鋸齒狀α（標(biāo)記S）和細(xì)小的針狀α晶（標(biāo)記A）組成，如圖7（d）所示.

4 結(jié) 論

1）采用低功率脈沖激光可對(duì)0.40 mm厚度CP-Ti的微孔進(jìn)行良好封接，焊縫表面呈波紋狀.當(dāng)激光功率為19.2 W時(shí)，微孔可以實(shí)現(xiàn)完全封接，且焊縫成形良好.當(dāng)激光功率繼續(xù)增加時(shí)，熔核逐漸增大，但焊縫的凹陷和燒蝕現(xiàn)象越加嚴(yán)重.

2）隨著激光功率的增大，焊縫表面硬度呈上升趨勢(shì).焊縫及熱影響區(qū)顯微硬度明顯高于母材，且由于焊縫中心區(qū)域存在大量晶界形成致密結(jié)構(gòu)，使得焊縫橫截面中部顯微硬度值整體高于其頂部和底部，最大硬度值為290 HV.

3）CP-Ti激光微封焊接頭中焊縫中心為鋸齒狀α、針狀α以及板條狀α晶粒，焊縫上下邊緣基本不存在熱影響區(qū)，焊縫上邊緣為鋸齒狀α晶，而焊縫下邊緣為細(xì)小的鋸齒狀α和針狀α晶粒.

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（編輯 程利冬）

Effect of laser power on geometries and properties of laser hole sealing joints of CP-Ti

MAO Jinrong1，HUANG Yongde1，CHEN Yuhua1，ZHANG Hao1，HE Peng2
（1.National Defense Key Disciplines Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology（Nanchang Hangkong University），Nanchang 330063，China；2.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining（Harbin Institute of Technology），Harbin 150001，China）

Seal welding of 0.40 mm-thick commercially pure grade 1 titanium with 0.1 mm diameter holes was realized using low power impulse laser.The effects of laser power on the weld geometry，cross-section morphology，microhardness and microstructure of the welded joint were studied by using scanning electron microscopy，microhardness tester and optical microscopy.The results show that when the laser power is no less than 19.2 W，full seal welded joint can be achieved.Nugget size increases whereas welding depression and ablation become more serious with the increase of laser power.Meanwhile，the surface microhardness of the weld bead gradually increases with the increase of laser power.An excellent geometry of the welded joint can be achieved with the maximum microhardness values of 290 HV，when the laser power is 19.2 W.The microstructure of the welded joint consists of acicular α，serrated α and lath α in the weld center，serrated α on the top edge，and the thin serrated α and fine acicular α on the bottom edge of the welded joint.

commercially pure titanium；laser hole sealing；laser power；weld geometry；microhardness；microstructure

TG456.7

A

1005-0299（2016）05-0020-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20160504

2015-11-23.

先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題研究基金資助（AWJ-M13-09）；南昌航空大學(xué)創(chuàng)新基金（YC2015025）.

毛錦榮（1990—），男，碩士研究生；何 鵬（1972—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

何 鵬，E-mail：hepeng@hit.edu.cn.