張穎云，陳素明，李 波

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安710089）

0 引 言

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕性好等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用在航空航天、能源、海洋工程等領(lǐng)域[1-2]。目前，鈦合金的焊接方式有釬焊、固相焊和熔化焊[3]。由于釬焊焊縫的疲勞性能較差，固相焊在實(shí)際工況中限制條件較多，因此在目前的工業(yè)生產(chǎn)中鈦合金主要焊接方式是熔化焊。在目前航空工業(yè)生產(chǎn)中，鈦合金主要利用傳統(tǒng)的熔化焊方式進(jìn)行焊接，以用于環(huán)控管路、燃油通道等異型導(dǎo)管的制造，生產(chǎn)效率低，焊接變形大，給后期安裝帶來諸多不便[4-5]。激光焊相對(duì)于傳統(tǒng)的熔焊焊接方式，具有能量密度高、焊接速度快、熱輸入小、焊后變形小等優(yōu)點(diǎn)[6-9]，適合鈦合金薄板的焊接。

國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金的激光焊接開展了大量的研究工作。英國(guó)焊接研究所 （TWI）應(yīng)用 4 kW YAG 激光器實(shí)現(xiàn)6 mm 的Ti-6Al-4V 鈦合金的一次焊透，有些鈦合金激光器進(jìn)行的鈦合金焊接，焊接速度快，接頭質(zhì)量好，殘余應(yīng)力小[10]。梁春雷等[11]對(duì)TC4 鈦合金薄板的焊接接頭進(jìn)行了疲勞性能研究，明確了焊接接頭的拉伸和疲勞斷裂行為，為激光焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造和安全評(píng)估提供了依據(jù)。由于激光器技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器成為第三代激光器的代表，擴(kuò)展了激光焊的發(fā)展空間，許飛等[12-13]進(jìn)行了TC4 鈦板光纖激光焊和YAG 激光焊的焊接接頭性能差異分析，獲得了焊接熱輸入對(duì)光纖激光焊接接頭宏觀形貌與拉伸性能的影響規(guī)律。目前，關(guān)于光纖激光焊接鈦合金方面的報(bào)道較少，而關(guān)于焊接參數(shù)與焊縫的宏觀形貌及力學(xué)性能的關(guān)系方面的研究更少。

本研究分別從單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析入手，探究了厚度1.2 mm 薄板鈦合金光纖激光焊接參數(shù)對(duì)焊縫宏觀形貌和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料為TC4 鈦合金板材，厚度1.2 mm，狀態(tài)為退火態(tài) （M），其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 TC4 鈦合金板材化學(xué)成分 %

表2 TC4 鈦合金板材力學(xué)性能

采用單因素試驗(yàn)方法在不同的焊接功率、焊接速度、離焦量及對(duì)接間隙下對(duì)1.2 mm 鈦合金試板進(jìn)行光纖激光焊接試驗(yàn)，研究焊接參數(shù)對(duì)焊縫宏觀形貌的影響。單因素試驗(yàn)參數(shù)見表3。采用正交試驗(yàn)極差分析和方差分析方法探究激光焊接參數(shù)對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響，正交試驗(yàn)參數(shù)見表 4。焊后，采用 LEICA M125 型體式顯微鏡對(duì)焊縫的上下表面進(jìn)行觀察，采用AG-250KNG 型電子拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其力學(xué)性能。

表3 單因素試驗(yàn)參數(shù)

表4 正交試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 激光功率對(duì)焊縫形貌的影響

表5 顯示了不同激光功率作用下的焊縫成形數(shù)據(jù)，圖1 顯示了正面熔寬和背面熔寬隨激光功率升高的變化趨勢(shì)。從圖1、表5 可以看出，正面熔寬依次增大，但是在1.1～1.2 kW 范圍內(nèi)，尺寸變化不大，說明在該焊接功率條件下焊接熱輸入正好滿足薄板焊透，且處于穩(wěn)定狀態(tài)，焊縫正面、背面形貌如圖2 所示。

表5 不同激光功率下焊縫成形數(shù)值

圖1 焊縫正面熔寬、背面熔寬及背寬比隨激光功率的變化趨勢(shì)

焊縫的背寬比隨功率增大先增加，然后趨于穩(wěn)定，再稍有增加。焊縫尺寸的均勻度隨功率增大稍有變化，從表5 數(shù)據(jù)可知，激光功率在1.0～1.1 kW 的情況下，焊縫的寬度尺寸變化在同一水平，正面均勻度優(yōu)于背面，此區(qū)間焊縫邊緣形貌呈均勻的 “波紋狀”，而在1.2 kW 功率下，焊縫外形更平滑連續(xù)，當(dāng)功率為1.3 kW 時(shí)，背面均勻度優(yōu)于正面。從焊縫的宏觀形貌看，焊縫呈銀亮色，焊縫寬度均勻，未見燒穿和焊縫堆積等缺陷。

圖2 1.1 kW 和1.2 kW 功率條件下焊縫正、背面形貌

2.1.2 離焦量對(duì)焊縫形貌的影響

不同離焦量下的焊縫形貌特征數(shù)據(jù)見表6。正面熔寬和背面熔寬隨離焦量的變化趨勢(shì)如圖3所示。從圖3 可知，正面熔寬和背面熔寬隨離焦量的增大而減小，但是在1～2 mm 范圍內(nèi)，焊縫尺寸變化不大，當(dāng)離焦量達(dá)到4 mm 時(shí)，出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，說明薄板激光焊選用正離焦方式時(shí)，離焦量應(yīng)控制在一定范圍，當(dāng)超出了最大范圍就會(huì)出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，也說明離焦量對(duì)激光焊接的質(zhì)量影響較大。這是因?yàn)楦淖冸x焦量會(huì)影響試件表面光斑尺寸，并改變了到達(dá)試件表面及小孔內(nèi)的能量密度[14]，隨著焦點(diǎn)位置上移，光束聚焦位置遠(yuǎn)離工件表面，激光能量密度逐步降低，這樣主要的激光能量集中在工件的上表面，試件下表面能量密度不夠，無法實(shí)現(xiàn)穿透焊，從而導(dǎo)致未焊透[15]。從表6 中的均勻度數(shù)據(jù)也可看出，離焦量為1 mm 時(shí)，正面均勻度相對(duì)于背面較差； 離焦量為2 mm 時(shí)，正面和背面的均勻度相當(dāng)； 隨著離焦量再增大，背面出現(xiàn)了鏈狀的斷續(xù)焊縫形貌，甚至未焊透，焊縫形貌如圖4所示。因此可以得出，離焦量在 2 mm 時(shí)焊接過程最穩(wěn)定。

表6 不同離焦量下焊縫成形數(shù)值

圖3 焊縫正面熔寬、背面熔寬及寬背比隨離焦量的變化趨勢(shì)

圖4 離焦量為3 mm 時(shí)焊縫的正、背面形貌

2.1.3 焊接速度對(duì)焊縫形貌的影響

焊縫正面熔寬、背面熔寬及背寬比隨焊接速度的變化趨勢(shì)如圖5 所示。從圖5 可以看出，焊縫尺寸隨焊接速度波動(dòng)變化，當(dāng)焊接速度提高至1.5 m/min 時(shí)，焊縫尺寸有減小趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谝欢ǖ募す夤β氏绿岣吆附铀俣?，熱輸入能量密度值下降，焊縫寬度減小。當(dāng)速度降低時(shí)，可增大熔深，但是速度過低，熔深不增反而增加熔寬，這主要是因?yàn)椋孩偌す馍钊酆附訒r(shí)，維持小孔存在的主要?jiǎng)恿κ墙饘僬羝姆礇_壓力，在焊接速度低至一定程度時(shí)，熱輸入增加，熔化金屬越來越多，當(dāng)金屬汽化所產(chǎn)生的反沖壓力不足以維持小孔的存在時(shí)，小孔不僅不加深，甚至?xí)罎ⅲ附舆^程蛻變成為傳熱型焊接，因而熔深不會(huì)增大； ②隨著金屬汽化的增加，小孔區(qū)溫度上升，等離子體的濃度增加，對(duì)激光吸收增加[16]。

圖5 焊縫正面熔寬、背面熔寬及背寬比隨焊接速度的變化趨勢(shì)

不同焊接速度下焊縫成形數(shù)值見表7。從表7可見，隨著焊接速度的增大，焊縫正面和背面的均勻度變化不大，說明焊接速度對(duì)焊縫形狀無明顯影響。而焊縫邊緣起伏均勻性隨焊接速度增大而更趨于均勻。從焊縫的宏觀形貌看，焊縫呈銀亮色，焊縫寬度均勻，未見燒穿和焊縫堆積等缺陷。

表7 不同焊接速度下焊縫成形數(shù)值

2.1.4 焊縫間隙對(duì)焊縫形貌的影響

不同焊縫間隙下焊縫形貌特征數(shù)據(jù)見表8。正面熔寬、背面熔寬和背寬比隨焊縫間隙的變化趨勢(shì)如圖6 所示。從圖6 可知，焊縫間隙對(duì)焊縫外形的影響不大，從焊縫的宏觀形貌看，焊縫呈銀亮色，焊縫寬度均勻，未見燒穿和焊縫堆積等缺陷。焊接過程會(huì)形成熔池，當(dāng)焊接間隙大于0.3 mm 時(shí)，焊接熔池經(jīng)熔化和凝固補(bǔ)充不足造成焊接焊縫不連續(xù)、不均勻，甚至出現(xiàn)塌陷，因此當(dāng)對(duì)接間隙較大時(shí)自熔焊已不適應(yīng)，應(yīng)采用填絲焊工藝進(jìn)行焊接。

表8 不同焊接間隙下焊縫成形數(shù)值

圖6 焊縫正面熔寬、背面熔寬和背寬比隨焊縫間隙的變化趨勢(shì)

2.2 正交試驗(yàn)分析

2.2.1 極差分析

表9 顯示了正交試驗(yàn)得到的拉伸結(jié)果，表10為極差分析結(jié)果，因素 A （離焦量）、B （激光功率）、C （焊接速度）的主次關(guān)系可由極差大小決定。從表10 極差值可以看出，對(duì)于抗拉強(qiáng)度指標(biāo)，ΔkB＞ΔkA＞ΔkC，因此影響抗拉強(qiáng)度的主要因素是激光功率，離焦量和焊接速度影響水平相當(dāng)； 對(duì)于延伸率指標(biāo)，ΔkA＞ΔkC＞ΔkB，因此離焦量和焊接速度對(duì)延伸率的影響水平相當(dāng)，而激光功率的影響較小。

表9 抗拉強(qiáng)度和延伸率正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 方差分析

方差分析不僅可以討論試驗(yàn)誤差，還可以進(jìn)一步明確各獨(dú)立因素及其交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。方差分析的基本原則，即設(shè)用正交表Ln（pm）安排試驗(yàn)，總試驗(yàn)次數(shù) N=n，表的縱列數(shù)為m，因素的水平數(shù)為p，則每一水平的試驗(yàn)次數(shù)為n/p。

表10 抗拉強(qiáng)度和延伸率極差分析結(jié)果

對(duì)抗拉強(qiáng)度的結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到的結(jié)果見表11。從表11 可以看到，3 個(gè)因素對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響均不顯著。這可能是由于鈦合金較好的焊接性所導(dǎo)致的。由于鈦合金接頭均表現(xiàn)出較高的力學(xué)性能，導(dǎo)致了試樣在不同參數(shù)下接頭的力學(xué)性能相差不大。

表11 抗拉強(qiáng)度方差分析結(jié)果

3 結(jié) 論

本研究采用光纖激光焊接方法對(duì)1.2 mm 厚TC4 鈦合金薄板進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)過程分析了焊接參數(shù)對(duì)焊縫宏觀形貌和力學(xué)性能的影響，得到了如下結(jié)論：

（1）單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫熔寬隨著激光功率的升高大體呈上升趨勢(shì)，焊縫背寬比隨著激光功率的升高先增大然后趨于穩(wěn)定； 焊縫熔寬隨著離焦量的增大逐漸減小，當(dāng)離焦量達(dá)到4 mm 時(shí)，出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象； 焊縫尺寸隨著焊接速度波動(dòng)變化，當(dāng)焊速大于1.5 m/min 時(shí)，焊縫尺寸呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

（2）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，影響抗拉強(qiáng)度的主要因素是激光功率，離焦量和焊接速度影響相當(dāng)； 而對(duì)于延伸率，離焦量和焊接速度對(duì)延伸率的影響水平相當(dāng)，而激光功率的影響較小。