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(1.華南師范大學(xué) 廣東省微納光電子功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510006；2.深圳市聯(lián)贏激光股份有限公司，廣東 深圳510000)

0 前言

在汽車、航空等領(lǐng)域，鈦合金是應(yīng)用非常廣泛的金屬。為了實(shí)現(xiàn)輕量化，鈦合金和鋁合金的連接受到越來越多的關(guān)注和重視。與攪拌摩擦焊、電阻點(diǎn)焊、擴(kuò)散焊和超聲波焊等焊接方法相比，激光焊具有可控性好、熱輸入量小等特性，特別是光纖激光器，還具有較好的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，可以對熱輸入量進(jìn)行合理的控制和分配。

由于鈦合金和鋁合金的物理與化學(xué)性能差異較大導(dǎo)致其焊接極其困難。首先，鈦合金在不同溫度下與空氣中的氫氣、氮?dú)夂脱鯕獾劝l(fā)生反應(yīng)形成脆性化合物，嚴(yán)重的降低了接頭的抗拉強(qiáng)度，所以合理的氣體保護(hù)方式是鈦/鋁異種合金焊接的關(guān)鍵之一。其次，鈦/鋁異種合金易生成一層較厚的脆性金屬間化合物，嚴(yán)重的影響了焊縫的力學(xué)性能，因此減少金屬間化合物的生成是鈦/鋁異種合金焊接的關(guān)鍵。Majmndar B等人[1]以CO2激光器作為激光源，在鈦/鋁界面加入鈮薄片進(jìn)行對接焊試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)添加鈮薄片可以有效的阻止鈦/鋁的相互擴(kuò)散，從而達(dá)到減少金屬間化合物生成的目的，但是接頭強(qiáng)度仍不高，而且復(fù)雜的工藝和昂貴的成本很難得以實(shí)用。Chen等人[2]利用散焦CO2激光束作為激光源，Al-12Si作為焊絲對鋁和鈦進(jìn)行對接焊試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)界面化合物的種類和厚度都對焊縫性能有極大的影響。國內(nèi)外研究學(xué)者大多都以加入不同中間層和焊絲去減少脆性化合物的產(chǎn)生，但是從熱量的輸入和分配著手去減少脆性化合物從而改善接頭力學(xué)性能的研究還較少。文中不添加任何中間材料進(jìn)行對接焊試驗(yàn)，對熱輸入量進(jìn)行合理的控制和分配，從而減少了金屬間化合物的厚度，得到了力學(xué)性能良好的焊接接頭，為異種材料焊接的研究提供了參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用設(shè)備型號為UW-S1000-TU光纖激光器，最大功率為1 kW、光纖直徑為50 μm、出射頭準(zhǔn)直焦距和聚焦焦距分別為200 mm和150 mm。焊接前需除去鈦板和鋁板的毛刺和氧化膜，用自行設(shè)計(jì)的四管式排氣管(圖1)在焊縫上部和下部進(jìn)行氬氣保護(hù)，焊接試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。試驗(yàn)材料選用尺寸均為50 mm×30 mm×1 mm的TC4鈦板和LD2鋁板，其化學(xué)成分如表1所示。文中選擇激光離焦量2 mm，激光光束垂直材料表面入射，分別研究焊接速度和激光偏置距離(偏鈦側(cè)為正、鋁側(cè)為負(fù))對接頭性能的影響。焊后垂直于焊縫切割，并進(jìn)行打磨、拋光、腐蝕，采用金相顯微鏡、SEM、EDS、XRD等方法對焊縫微觀組織和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，使用MT6104型拉伸試驗(yàn)機(jī)對焊后接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測試，每組工藝參數(shù)測試4個(gè)試樣取平均值，作為該接頭的抗拉強(qiáng)度。

圖1 四管式排氣管

圖2 焊接試驗(yàn)示意圖

表1 TC4和LD2的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接速度對焊縫形貌的影響

圖3是偏置距離為0.24 mm，激光功率為820 W的不同焊接速度下的焊縫形貌?？梢钥闯?，當(dāng)焊接速度為20 mm/s時(shí)，焊縫表面凹凸不平，而且焊縫明顯變寬，鈦側(cè)金屬大量熔化且出現(xiàn)下塌現(xiàn)象，這是因?yàn)闊彷斎肓窟^大導(dǎo)致金屬出現(xiàn)了嚴(yán)重的燒損。隨著焊接速度的增加，鈦合金和鋁合金之間的界限明顯變窄，當(dāng)焊接速度為80 mm/s時(shí)，它們之間已經(jīng)沒有明顯的界限，結(jié)合非常緊密，鈦、鋁異種合金之間產(chǎn)生了良好的冶金反應(yīng)。當(dāng)焊接速度為120 mm/s 時(shí)，鋁合金和鈦合金之間有很明顯的界限，這是因?yàn)楹附铀俣冗^快，激光停留時(shí)間過短，熱輸入量過低導(dǎo)致部分焊縫未熔合，界面沒有產(chǎn)生良好的冶金反應(yīng)。

圖3 不同焊接速度下的焊縫形貌

焊縫形貌在不同的功率和焊接速度下呈現(xiàn)出X形和Y形等形貌。從圖4a可以看到，焊縫形狀為X形，焊接速度很小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)材料吸收的激光能量增加，而冷卻速度相對較慢，對熔池上表面的熱傳導(dǎo)作用加劇，通過熱傳導(dǎo)的方式增大熔寬的時(shí)間也隨之增加，勢必導(dǎo)致熔寬增加[3-4]。另一方面小孔內(nèi)部和工件表面的等離子體密度及其對激光能量的吸收率提高，導(dǎo)致溫度升高，這會(huì)削弱匙孔壁直接對激光能量吸收，焊縫下部在較高的能量和熔池的攪拌作用下使熔寬變寬，呈現(xiàn)出兩頭寬中間窄的形貌[5]。同時(shí)可以看出，焊縫上端熔寬比焊縫下端熔寬窄，這是因?yàn)楹缚p上端保護(hù)氣體流量比焊縫下端保護(hù)氣體流量大，焊縫上端等離子體和金屬蒸氣受到氬氣的抑制，削弱了對熔池焊縫上端的熱輻射，而焊縫下端蒸氣和等離子體受氬氣的熱沉作用，因此焊縫下端受到持續(xù)加熱作用，使焊縫下端更寬。當(dāng)焊接速度很大或功率很小時(shí)，其焊縫成形如圖4b所示，可以看出焊縫呈Y形，這是由于焊接速度過快或者激光功率太小時(shí)，焊縫上端和焊縫下端迅速冷卻，受到的熱作用時(shí)間短，因此焊縫熔寬變窄，特別是下端影響更加明顯，Y形焊縫焊縫下端易出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。

圖4 焊縫形貌

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1焊接速度對接頭力學(xué)性能的影響

圖5為偏置距離0.24 mm、激光功率820 W條件下不同焊接速度的抗拉強(qiáng)度變化曲線?？梢钥闯隹估瓘?qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；當(dāng)焊接速度為20 mm/s時(shí)，由于焊接速度較慢，熔池高溫停留的時(shí)間較長，熔池冷卻速度相對緩慢，熱影響區(qū)寬度增加，焊接接頭的晶粒變粗，有可能在界面形成了Al2Ti，Al3Ti，AlTi等多種金屬間化合物[6]。當(dāng)焊接速度增大到80 mm/s時(shí)，獲得了良好的焊接接頭；但是當(dāng)焊接速度增大到120 mm/s左右時(shí)，其抗拉強(qiáng)度明顯下降，這是因?yàn)楹附铀俣冗^快，焊縫底部冷卻也較快，出現(xiàn)了未熔合現(xiàn)象。

圖5 抗拉強(qiáng)度隨焊接速度的變化曲線

焊接速度的快慢影響焊縫的冷卻速度，焊接速度越快焊縫冷卻速度越快，反之則越慢，然而冷卻速度對焊縫上部、中部和下部的焊縫形貌、熔合比、內(nèi)應(yīng)力以及金屬間化合物的厚度都有重要的影響。圖6為偏置距離0.24 mm、激光功率820 W條件下不同焊接速度下斷后伸長率的變化曲線。當(dāng)焊接速度小于40 mm/s時(shí)，斷后伸長率雖然緩慢增加，但是其值很低，這跟高功率相似，主要是加熱時(shí)間長導(dǎo)致鈦金屬大量熔化，鈦、鋁兩種液態(tài)金屬相互擴(kuò)散，因此生成了大量的金屬間化合物，而且焊縫產(chǎn)生大量的氣孔等缺陷，因此斷裂為脆性斷裂，斷后伸長率不高，當(dāng)焊接速度在60～90 mm/s時(shí)，斷裂伸長率曲線平穩(wěn)，而且斷裂方式為韌性斷裂；當(dāng)焊接速度增大到120 mm/s時(shí)，斷后伸長率嚴(yán)重下降，這是因?yàn)楹缚p出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)合力極低。

圖6 焊接速度對斷后伸長率的影響

2.2.2激光偏置距離對接頭力學(xué)性能的影響

圖7為焊接熱輸入10.25 J/mm、焊接速度恒定的情況下抗拉強(qiáng)度隨著激光偏置距離的變化曲線。隨著向鈦、鋁側(cè)偏置距離的增加，抗拉強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)偏置鈦合金一側(cè)很近時(shí)，由于鋁合金熔點(diǎn)較低以及鋁合金存在氧化鋁等雜質(zhì)，使鋁合金產(chǎn)生大量的氣孔等缺陷，嚴(yán)重地影響了接頭的力學(xué)性能，而當(dāng)偏置距離太大時(shí)，會(huì)因熱源中心到界面的距離太遠(yuǎn)而無法產(chǎn)生很好的冶金反應(yīng)，甚至有的連接僅是機(jī)械咬合。

圖7 抗拉強(qiáng)度隨偏置距離的變化曲線

從圖7可以看出，偏置鈦側(cè)比偏置鋁側(cè)更能獲得優(yōu)異的接頭，這是因?yàn)楫?dāng)激光偏向鋁側(cè)時(shí)，鈦合金通過熱傳導(dǎo)而熔化，要使高熔點(diǎn)(1 677 ℃)的鈦合金熔化，鋁側(cè)必須處于高溫狀態(tài)(高于鋁的熔點(diǎn)660 ℃)，這會(huì)使鋁側(cè)金屬發(fā)生汽化不利于焊接。焊后，由于鋁具有較高導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)使焊縫以較快的速度冷卻，從而產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。而當(dāng)激光束偏向鈦側(cè)時(shí)，激光能量直接作用在鈦合金上，鋁合金通過熱傳導(dǎo)而熔化，鋁側(cè)溫度并不會(huì)過高，且鈦的熱導(dǎo)系數(shù)較低，可以減緩焊后冷卻速度，有利于焊縫中氣體的溢出，減少氣孔的產(chǎn)生，從而改善焊接接頭質(zhì)量。

2.3 焊接速度對金屬間化合物厚度的影響

鈦合金和鋁合金物化性能差異極大，當(dāng)激光束偏置距離較小或激光功率較大時(shí)，由于鈦合金、鋁合金均發(fā)生熔化，因此鈦合金和鋁合金焊縫界面易生成一層較厚的金屬間化合物。金屬間化合物的厚度的計(jì)算公式，即

(1)

式中：K0為反應(yīng)常數(shù)；Q為擴(kuò)散激活能；T為溫度；t為反應(yīng)時(shí)間；R為理想氣體常數(shù)[4]。

由式(1)可以看出，金屬間化合物的厚度主要受溫度和反應(yīng)時(shí)間的影響。激光功率越大，熱輸入越大，焊接溫度越高，因此金屬間化合物的厚度也越大。激光焊接速度越快，焊接時(shí)間越短，熱循環(huán)迅速，金屬間化合物的厚度較小。因此可以通過適當(dāng)?shù)慕档图す夤β屎驮龃蠛附铀俣葋頊p少金屬間化合物的生成。

圖8為焊接速度 80 mm/s、偏置距離0.24 mm的焊縫中間區(qū)域電子顯微照片。區(qū)域1是在界面上連續(xù)的反應(yīng)層，平均厚度只有2 μm，區(qū)域2和區(qū)域3是偏向鈦側(cè)的厚度在30 μm左右的區(qū)域，對區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3和區(qū)域4進(jìn)行能譜(EDS)分析,能譜分析結(jié)果如表2所示。區(qū)域1中Al元素和Ti元素比率接近1∶1，此區(qū)域?yàn)榻饘匍g化合物層；區(qū)域2和區(qū)域3 Al元素都發(fā)生了少量的偏析，但是未生成金屬間化合物。4區(qū)域?yàn)門i元素含量極少，沒有生成金屬間化合物。

圖8 焊縫中部顯微結(jié)構(gòu)圖及能譜分析結(jié)果

表2 EDS能譜分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)

2.4 接頭的斷裂行為分析

經(jīng)對不同焊接速度下的接頭進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，接頭斷口形貌圖及EDS圖如圖9～11所示。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)接頭的斷裂位置有鋁側(cè)、焊縫區(qū)和界面處三種。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，斷于鋁側(cè)的接頭金屬間化合物厚度在2 μm左右；斷于焊縫區(qū)的接頭大多都是因?yàn)闊彷斎脒^大，此種接頭的金屬間化合物厚度大于16 μm；斷裂在界面處的接頭大多都是因?yàn)闊彷斎氩粔蛟斐晌赐耆酆稀?/p>

斷裂位置在鋁側(cè)的抗拉強(qiáng)度可達(dá)242 MPa，其斷口形貌和EDS如圖9所示，此種斷后伸長率在5.42%左右，如圖9a所示，斷口有大量撕裂棱，是韌性斷裂，圖9b為撕裂棱頂端能譜(EDS)分析，可以看到該處Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到94.21%，沒有生成金屬間化合物、氧化物等影響焊縫性能的脆性物質(zhì)，可推斷該斷裂位置為鋁側(cè)。圖10為焊接速度20 mm/s處的斷口形貌和EDS圖，這種斷裂主要是熱輸入量過高造成的脆性斷裂，其斷后伸長率在3.34%左右，斷裂區(qū)域在焊縫處的平均抗拉強(qiáng)度僅有174 MPa，其斷口能譜分析如圖10b所示，此區(qū)域有70.65%的鋁元素和27.3%的鈦元素，可推斷此處斷裂位置是焊縫區(qū)。圖11是焊接速度為120 mm/s處的斷口形貌和EDS圖，可以從圖11a中可以看出斷口比較平滑，這是因?yàn)楹附铀俣冗^快，熱輸入量過低造成了未熔合現(xiàn)象，從能譜圖11b也可以發(fā)現(xiàn)此處成分接近鈦母材的成分，此種接頭的斷后伸長率在2.28%左右、抗拉強(qiáng)度最低。

圖9 焊接速度為80 mm/s時(shí)接頭斷口形貌及EDS圖

圖10 焊接速度為20 mm/s時(shí)接頭斷口形貌及EDS圖

圖11 焊接速度為120 mm/s時(shí)接頭斷口形貌及EDS圖

總結(jié)上述分析結(jié)果，接頭斷裂于鋁側(cè)的接頭大多可以獲得較高的抗拉強(qiáng)度，而斷裂于焊縫區(qū)位置的接頭因?yàn)闊彷斎肓窟^多生成了較厚的金屬間化合物，其抗拉強(qiáng)度明顯降低。也就是說，界面反應(yīng)層的結(jié)構(gòu)和厚度是影響接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵，界面處形成的金屬間化合物越厚，接頭的韌性和塑性越差，同時(shí)界面反應(yīng)層也是導(dǎo)致焊縫萌生裂紋與擴(kuò)展的薄弱區(qū)域。

3 結(jié)論

(1)光纖激光器可以對鈦/鋁異種合金進(jìn)行有效的焊接。激光光束置于鈦側(cè)利用熱傳導(dǎo)使鋁熔化形成的焊接接頭比直接作用于鋁側(cè)形成的焊接接頭質(zhì)量要好。

(2)優(yōu)化焊接速度來控制熱輸入量，以及利用激光偏置距離來合理分配能量。研究表明，當(dāng)焊接速度為80 mm/s、鈦側(cè)偏置距離0.24 mm時(shí)，獲得良好的焊接接頭，斷后伸長率為5.42%，其抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)242 MPa。

(3)在材料激光焊接參數(shù)允許的范圍內(nèi)，可以通過適當(dāng)降低激光焊接功率、增大焊接速度來減少焊縫處金屬間化合物的厚度。

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