侯繼軍，董俊慧，康志凱

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué), 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

TC4鈦合金是目前工程中廣泛應(yīng)用的一種典型的雙相鈦合金，具有比強(qiáng)度高、抗蝕性好以及綜合力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。由于鈦合金的熔點(diǎn)高、熱導(dǎo)率小，焊接時(shí)容易出現(xiàn)焊接頭組織粗大、熱影響區(qū)過(guò)寬等問(wèn)題，因而以激光束為代表的高能束流熱源焊接技術(shù)在鈦合金焊接中得到廣泛應(yīng)用。

采用激光焊接某些反射率較大的材料時(shí)，由于材料對(duì)激光吸收率低，熱量散失嚴(yán)重，造成能源浪費(fèi)。激光深熔焊過(guò)程強(qiáng)烈的金屬氣化使得熔池金屬沿小孔壁逆光束軸線方向遷移，熔池表面產(chǎn)生駝峰，熔池金屬因激光焊冷速快不能立即回填，再加上激光焊一般不加填充材料，使得焊縫容易出現(xiàn)咬邊缺陷。液態(tài)鈦合金的粘度和表面張力大，回填能力更差，所以鈦合金激光焊更容易出現(xiàn)咬邊缺陷[2]。

針對(duì)以上問(wèn)題，研究人員受活性TIG焊(A-TIG)的啟發(fā)，將活性劑引入激光焊接并開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。目前，活性激光焊所用活性劑大多以A-TIG焊所用活性劑為主，多為氟化物、氧化物或成分未知的商用活性劑[3-7]。激光與電弧是不同的熱源，對(duì)于激光焊來(lái)講，選擇一種良好的吸波材料作為活性劑是進(jìn)行活性激光焊的關(guān)鍵。碳納米管作為一種良好的吸波材料，從可見(jiàn)光到紅外波段，都有良好的吸波特性[8]。而且有文獻(xiàn)報(bào)道[9]，將碳納米管加入鎂、鋁、鉛、鐵、鎳等金屬合金中都可以明顯地細(xì)化這些合金材料的基體組織。基于以上考慮，選用碳納米管作為T(mén)C4鈦合金激光焊接活性劑，分析碳納米管對(duì)焊縫成形和組織的影響，以期能夠選出有效的鈦合金激光焊接活性劑。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用母材為寶鈦集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的TC4鈦合金板材，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分(w/%)

從TC4鈦合金板材上截取尺寸為50 mm×25 mm×5 mm的試樣，采用機(jī)械和化學(xué)方法清理焊件待焊表面，清理完畢后用無(wú)水乙醇擦拭，干燥后待用。

選用羥基功能化多壁碳納米管粉末(MWCNTs)為活性劑，以蒸餾水為溶劑，碳納米管水分散劑(TNWDIS)為分散劑，配制碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%的懸浮液。為使碳納米管分散良好，將碳納米管溶液置于超聲波振蕩器中進(jìn)行分散。將配制好的溶液用扁平毛刷刷于焊件表面，放置在空氣中，待干燥后施焊。

采用GS-TFL-6000型橫流CO2激光器進(jìn)行焊接，焊接功率為2 200 W，焊接速度為300 mm/min，離焦量為-2 mm，焦斑直徑為0.9 mm。在施焊及冷卻過(guò)程中利用氬氣保護(hù)焊縫，氬氣流量為10 L/min。在焊接過(guò)程中利用BaumerHXC13高速攝像機(jī)采集焊件上方的光致等離子體圖像。

焊后將中部焊縫截面打磨拋光，用95 mL H2O+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1.0 mL HF混合而成的腐蝕液腐蝕焊縫。借助ZEISS Stemi 2000-C顯微鏡觀察焊縫形狀，測(cè)量熔深和熔寬。采用ZEISS Axio Imager光學(xué)顯微鏡觀察焊縫顯微組織。采用HVS-30Z/LCD顯微硬度計(jì)測(cè)量接頭硬度。采用QUANTA FEG65場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察涂覆層碳納米管的分散狀態(tài)，用OXFORD X-Max50能譜儀測(cè)定焊縫元素含量。利用Philips APD-10型X射線衍射儀測(cè)定焊縫組織的物相組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂覆效果比較

將碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～4%溶液涂覆在TC4鈦合金樣品表面，如圖1所示。由圖1可以看出，碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的溶液涂覆效果較好，涂覆層均勻致密。為進(jìn)一步觀察涂覆層中碳納米管的分散狀態(tài)，利用掃描電鏡觀察碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的涂覆層微觀形貌，如圖2所示。由圖2可以看出，涂覆層中碳納米管的分散狀態(tài)良好，沒(méi)有產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象。所以實(shí)驗(yàn)選擇對(duì)涂覆碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%溶液焊件施焊，并對(duì)其焊縫進(jìn)行研究。

圖1 TC4鈦合金表面不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米管涂覆層的宏觀形貌

圖2 碳納米管涂覆層的微觀形貌

2.2 焊縫成形

在給定的焊接參數(shù)下對(duì)未涂覆碳納米管和涂覆碳納米管的TC4鈦合金試板分別施焊，焊縫外觀形貌如圖3所示。

圖3 未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫外觀形貌

從TC4鈦合金激光焊縫表面顏色判斷，在試驗(yàn)條件下，涂覆碳納米管后造成焊縫氧化，但并不嚴(yán)重。另外，與未涂覆碳納米管的焊縫相比，涂覆碳納米管使得焊縫中心成形不太飽滿，焊縫魚(yú)鱗紋比較尖銳。為了進(jìn)一步分析碳納米管對(duì)TC4鈦合金激光焊縫成形的影響，在顯微鏡下觀察了焊縫截面形狀并測(cè)量了焊縫熔深和熔寬，如圖4所示。由圖4可以看出，無(wú)論涂覆還是未涂覆碳納米管，TC4鈦合金CO2激光焊縫截面都呈“釘形”，這是因?yàn)榧す馐哪芰窟_(dá)到了TC4鈦合金的氣化閾值，焊接過(guò)程中形成“匙孔”，產(chǎn)生所謂的小孔效應(yīng)。激光束入射到匙孔內(nèi)，經(jīng)孔壁多次反射到熔池上部，使得熔池上部吸收的熱量比下部多，所以形成上寬下窄的“釘形”焊縫截面形狀。通過(guò)測(cè)量及計(jì)算可得：未涂覆碳納米管的焊縫熔深(H)為2.951 2 mm、熔寬(B)為5.150 4 mm、深寬比(H/B)為0.573 0；涂覆碳納米管的焊縫熔深(H)為3.127 6 mm、熔寬(B)為4.974 1 mm、深寬比(H/B)為0.628 8。在TC4鈦合金表面涂覆碳納米管可使焊縫熔深增加約6%，熔寬降低約4%，深寬比增加約10%。從提高焊接效率和降低熱影響區(qū)寬度角度來(lái)講，涂覆碳納米管有利于TC4鈦合金焊縫成形。

圖4 未涂覆與涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫截面形狀

激光焊過(guò)程中，影響工件激光吸收率的因素主要有：①激光波長(zhǎng)；②工件表面狀態(tài)，如表面粗糙度和表面涂層；③工件自身性質(zhì)，如金屬的電阻率；④光致等離子體。通過(guò)歸納分析以上因素可知，本次試驗(yàn)中造成涂覆碳納米管焊縫成形變化的可能原因主要是工件表面狀態(tài)變化和光致等離子體變化造成的。

激光深熔焊時(shí)，激光功率密度達(dá)到了工件金屬的氣化閾值，產(chǎn)生金屬蒸氣，金屬蒸氣中一些自由電子通過(guò)吸收激光能量碰撞金屬蒸氣和周?chē)鷼怏w原子使其電離，電子密度呈雪崩式增長(zhǎng)而形成光致等離子體[10]。激光焊的許多參數(shù)都會(huì)影響熔池的幾何形狀，并最終影響焊縫的成形，焊縫形貌是由這些參數(shù)決定的不同物理現(xiàn)象相互作用的結(jié)果，其中光致等離子體是眾多影響因素之一。

光致等離子體能夠吸收激光能量，所以對(duì)于焊件來(lái)講，光致等離子體會(huì)降低焊件對(duì)激光的吸收，即產(chǎn)生所謂的“屏蔽效應(yīng)”。光致等離子體的吸收作用與激光入射方向等離子體的高度有關(guān)，其關(guān)系如式(1)所示[11]。

I=I0e-αh

(1)

式中：I為穿過(guò)光致等離子體發(fā)生衰減后的激光功率密度；I0為入射激光功率密度；α為等離子體吸收系數(shù)；h為等離子體高度。由式(1)可知，等離子體高度尺寸越大，對(duì)激光的吸收作用越強(qiáng)。利用高速攝像系統(tǒng)采集了涂覆與未涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊件激光焊過(guò)程中焊件上方的光致等離子體形態(tài)圖，選擇具有典型形態(tài)特征，且采集時(shí)刻相同(分別是1、2、3、4、5 s)的圖像進(jìn)行分析，如圖5所示。整體觀察圖5未發(fā)現(xiàn)涂覆碳納米管后光致等離子體在激光入射方向(垂直方向)的高度產(chǎn)生明顯的變化，說(shuō)明碳納米管對(duì)于光致等離子體對(duì)激光的吸收作用影響有限。

圖5 未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金激光焊接過(guò)程中的光致等離子體形態(tài)

光致等離子體屬于光疏介質(zhì)(折射率小于1)，激光穿過(guò)光致等離子體時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射，即所謂的“負(fù)透鏡效應(yīng)”[11]。散射作用受光致等離子體面積影響，面積越大，散射作用越強(qiáng)。通過(guò)觀察圖5可以看出，涂覆碳納米管后光致等離子體的面積沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明涂覆碳納米管對(duì)光致等離子體的激光散射作用影響不大，因而涂覆碳納米管后焊縫成形的變化與光致等離子體的關(guān)系不大，主要?dú)w因于焊件表面狀態(tài)的變化。

涂覆碳納米管焊件的表面粗糙度較未涂覆焊件更大。除此之外，碳納米管不僅具備納米材料因小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特性而具有的吸波特性，而且其特有的高電、磁損耗正切角及獨(dú)特的AB效應(yīng)等，還令其具有比其他的納米材料更優(yōu)越的電磁吸波性能[12]。綜上分析可知，涂覆碳納米管后TC4鈦合金CO2激光焊焊縫成形的變化是由于碳納米管增加了對(duì)CO2激光的吸收率的原因。

2.3 焊縫組織

圖6為未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫顯微組織。由圖6可以看出，涂覆碳納米管后，焊縫顯微組織未發(fā)生明顯變化，都是β晶內(nèi)分布交錯(cuò)的馬氏體α′相構(gòu)成的網(wǎng)籃狀組織。α′相是高溫β相中的合金元素來(lái)不及擴(kuò)散，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c母相成分相同而晶體結(jié)構(gòu)不同的固溶體[13]。

圖6 未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫顯微組織

由圖6還可以看出，涂覆碳納米管的焊縫晶粒較未涂覆焊縫細(xì)小，晶內(nèi)的馬氏體α′相短小。這是因?yàn)樘技{米管提高了激光吸收率的緣故。焊縫的冷卻速率與焊縫溫度的關(guān)系見(jiàn)式(2)[14]。

(2)

式中：R為冷卻速率；T為焊縫溫度；x為母材到焊縫的距離；v為焊接速度；K為玻爾茲曼常數(shù)；ρ為材料密度；Cp為比熱容；t為板厚；q為散熱速率；T0為母材溫度。

由式(2)可知，焊縫冷卻速率R與焊縫溫度和母材溫度差值的3次方成正比，說(shuō)明溫度變化對(duì)熔池金屬的結(jié)晶速度影響顯著。在其他參數(shù)不變情況下，涂覆碳納米管焊件的激光吸收率更高，使得焊縫溫度升高，在冷卻過(guò)程中焊縫冷卻速度增加，結(jié)晶組織來(lái)不及長(zhǎng)大，形成的β晶粒比未涂覆碳納米管的小，而且晶內(nèi)的α′相也較未涂覆碳納米管的短小一些。

2.4 焊縫硬度及物相組成

圖7為未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫顯微硬度曲線。由圖7可以看出，不論涂覆還是未涂覆碳納米管，焊縫的硬度都處于較高水平。這是因?yàn)楹缚p組織主要由馬氏體α′相構(gòu)成，母材TC4鈦合金顯微組織由α+β相構(gòu)成，所以焊縫硬度處于較高。由圖7還可以發(fā)現(xiàn)，涂覆碳納米管對(duì)焊縫硬度影響不大，這是因?yàn)轳R氏體α′相屬于代位固溶體，對(duì)合金的強(qiáng)化作用較小[15]。

圖7 涂覆和未涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊接頭硬度分布

為了進(jìn)一步分析碳納米管在TC4鈦合金激光焊接過(guò)程中的作用，利用能譜對(duì)未涂覆與涂覆碳納米管的焊縫進(jìn)行了成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，未涂覆與涂覆碳納米管的焊縫成分一致，且涂覆碳納米管的焊縫中未檢測(cè)到碳元素。

圖8 未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫的EDS分析結(jié)果

圖9為未涂覆和涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫的XRD圖譜。由圖9可以看出，涂覆與未涂覆碳納米管的焊縫顯微組織均由α′相組成，沒(méi)有檢測(cè)到其他新相存在，說(shuō)明碳納米管對(duì)焊縫顯微組織的物相組成沒(méi)有明顯的影響。XRD圖譜中未見(jiàn)碳的衍射峰，說(shuō)明合金表面涂覆的碳納米管未熔入焊縫中。這是因?yàn)榧す饽芰枯^強(qiáng)，焊接時(shí)熔池處于劇烈的振蕩狀態(tài)且有金屬蒸氣從熔池噴出，再加上碳納米管密度較低，所以碳納米管很難進(jìn)入熔池。

圖9 涂覆和未涂覆碳納米管的TC4鈦合金焊縫的X射線衍射圖譜

3 結(jié) 論

(1)TC4鈦合金表面涂覆碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的活性劑溶液，形成的涂覆層均勻致密，涂覆效果較好。在選定焊接參數(shù)條件下，該涂覆層可使焊縫熔深增加約6%，熔寬降低約4%，深寬比增加約10%。

(2)由于碳納米管提高了激光吸收率，使得焊縫溫度升高、冷卻速度增加，所以涂覆碳納米管的焊縫組織的β晶粒較未涂覆碳納米管的細(xì)小，β晶粒內(nèi)的α′相也比未涂覆碳納米管的短小。碳納米管對(duì)焊縫硬度和顯微組織相構(gòu)成無(wú)明顯影響。