黃瑞生，李想，鄒吉鵬，武鵬博，滕彬，蘇金花，孫元奇

(中國機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱,150028)

0 序言

目前相對(duì)成熟的真空環(huán)境焊接方式為電子束焊與高功率激光焊，其中，真空電子束焊應(yīng)用最為廣泛，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)鈦合金電子束焊的工藝特性、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等進(jìn)行了大量研究[6-8].相比之下，自1985 年日本大阪大學(xué)[9-10]首次提出真空激光焊方法后，只在近十幾年時(shí)間內(nèi)國內(nèi)外對(duì)該技術(shù)的研究開始增多[11-14]，這跟近些年工業(yè)激光器的飛速發(fā)展息息相關(guān).

Youhei 等人[15]、Reisgen 等人[16]試驗(yàn)證明，真空激光焊所需的“真空環(huán)境壓力”更加寬泛，焊接缺陷率大幅降低，焊縫幾何形狀及其輪廓可以得到極大的改善；Jiang 等人[17]發(fā)現(xiàn)這種亞氣氛很容易獲得良好的激光焊接質(zhì)量，并且其加工窗口比在常壓下要大得多.目前，國內(nèi)外關(guān)于環(huán)境壓力對(duì)激光焊熔深和焊縫質(zhì)量的影響研究報(bào)道較多，對(duì)真空激光焊接頭形貌特征研究相對(duì)較少.因此，文中將以Ti6Al4V 合金為研究材料，分析低真空環(huán)境(5 Pa)下激光功率及離焦量對(duì)焊縫形貌的影響規(guī)律，對(duì)典型接頭形貌的穩(wěn)定性及形成區(qū)間進(jìn)行分析，獲得優(yōu)化的焊接工藝窗口，為真空激光焊技術(shù)在鈦合金厚板焊接領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為退火態(tài)的Ti6Al4V 合金，化學(xué)成分見表1，將尺寸為300 mm × 150 mm × 80 mm 的鈦合金待焊試板采用酸洗方法(酸洗液HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶6 浸泡5 min，然后用NaOH 溶液進(jìn)行堿中和)去除焊接面氧化層后清水沖洗并烘干，以確保試件表面清潔，處理好的試板放置在真空艙內(nèi)并加持固定.

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the base metal Ti6Al4V

低真空激光焊示意圖如圖1 所示，使用的激光設(shè)備是IPG YLS-30000，最大持續(xù)輸出功率為30 kW，激光束通過光纖傳輸?shù)郊す鈽岊^，激光槍頭位于真空艙室內(nèi)部并通過運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行槍頭運(yùn)動(dòng)控制.在實(shí)際焊接過程中，為保證激光槍頭不受反射光的損傷，激光頭沿著焊接方向傾斜10°，激光束以10°入射角作用于焊接位置，焊接方向沿著試板軋制方向.玻璃真空箱采用一組旋片式機(jī)械泵進(jìn)行抽氣，可以提供最低5 Pa 的工作環(huán)境壓力，為了討論低真空環(huán)境下焊接參數(shù)對(duì)焊縫形貌的影響規(guī)律，試驗(yàn)采用的工藝參數(shù)如下：環(huán)境壓力為5 Pa，焊接速度為0.8 m/min，激光輸出功率為5～ 30 kW，離焦 量為-50～ 0 mm，試驗(yàn)均為未熔透平板焊接.

圖1 低真空激光焊接布置示意圖Fig.1 Layout of low vacuum laser welding

將焊接完成后的樣件使用電火花數(shù)控線切割機(jī)床進(jìn)行金相試樣取樣，并按照標(biāo)準(zhǔn)程序制備金相試樣.在研磨、粗拋、精拋后用酒精洗凈后進(jìn)行浸蝕，浸蝕液配比為HF∶HNO3∶H2O=1∶4∶45，時(shí)間控制在20 s 左右，最后將殘酸用酒精沖洗掉，并用吹風(fēng)機(jī)吹干，采用OLYMPUS GX71 光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行觀察.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 低真空激光焊接頭形貌

在低真空激光焊中，激光功率與離焦量對(duì)焊縫形貌有十分顯著的影響，因此，為了分析工藝參數(shù)對(duì)鈦合金低真空激光焊特性的影響，開展了系列試驗(yàn).為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每個(gè)參數(shù)下截取同一焊縫的多處橫截面進(jìn)行焊接接頭形貌分析，截取同一焊縫縱截面進(jìn)行焊接接頭熔深波動(dòng)分析.不同激光功率和離焦量下，焊縫的表面和橫截面典型形貌特征如圖2 和圖3 所示.不同激光功率和離焦量下對(duì)應(yīng)焊縫的熔深、熔寬、熔深波動(dòng)數(shù)值，如圖4 和圖5所示.

圖2 離焦量-50 mm 條件下，不同激光輸出功率的焊縫表面和截面形貌Fig.2 Weld surface appearances and cross sections with different laser power at -50 mm defocus distance

圖3 環(huán)境壓力5 Pa，焊接速度0.8 m/min，激光輸出功率10 kW 條件下不同離焦量的焊縫表面和截面形貌Fig.3 Weld surface appearances and cross sections with different defocus distance at laser power 10 kW

圖4 熔深和熔寬隨激光功率的變化Fig.4 Variation of melting depth and width with power

圖5 熔深和熔寬隨離焦量的變化Fig.5 Variation of melting depth and width with defocus distance

如圖2 所示，激光功率為15 kW 時(shí)焊縫表面開始出現(xiàn)小顆粒飛濺，此后隨著激光功率的增加，飛濺尺寸增大、數(shù)量增多.焊縫表面顏色由金屬本色逐漸變?yōu)榻瘘S色，部分后凝固區(qū)域由于熱積累效應(yīng)表面呈現(xiàn)出了藍(lán)色.文中在激光輸出功率為5～30 kW 寬范圍內(nèi)均得到了比較光滑的焊縫表面成形，是可以接受的焊接質(zhì)量，未發(fā)生常壓氣氛下萬瓦級(jí)激光焊出現(xiàn)的大量飛濺和表面塌陷等焊縫難以成形的問題[18].由于低真空條件下，焊縫表面成形對(duì)激光功率的變化與常壓萬瓦級(jí)激光焊接相比并不十分敏感，因此其工藝適應(yīng)性較為良好，這是低真空激光焊技術(shù)的優(yōu)勢之一.低真空激光焊焊縫熔深隨輸出功率的增加而近似線性增加，在激光功率為30 kW 時(shí)獲得最大焊接熔深可達(dá)67.6 mm，如圖2 所示，未發(fā)生在常壓氣氛下由于等離子體蒸氣羽輝對(duì)入射激光強(qiáng)烈的損耗效應(yīng)而導(dǎo)致的焊接熔深難以隨功率增加而持續(xù)增長的問題[19].

如圖3 所示，低真空焊接條件下離焦量在-50～0 mm 寬范圍變化時(shí)，同樣得到了光滑均勻的焊縫表面成形.隨著離焦量的增加，焊縫熔寬略有增加，焊縫熔深呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在離焦量為-20 mm 時(shí)焊接熔深達(dá)到最大值27.9 mm.

再半月，第三次開庭。許沁并未提供寄到國外的郵局存根，亦無其他有效證據(jù)。法官調(diào)解未決，楊律師請(qǐng)求法官判決。法官依法判決許沁或歸還鉆戒，或補(bǔ)足貨款。

通過統(tǒng)計(jì)大量不同焊接參數(shù)得到的焊縫橫截面形貌發(fā)現(xiàn)，接頭幾何形狀特征可分為2 種：一種為底部形貌光滑過渡的U 形，另一種為底部形貌尖銳過渡的V 形.

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種V 形焊縫底部形貌極易導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)“釘尖缺陷”，對(duì)于未熔透焊接來說，“釘尖缺陷”會(huì)成為裂紋的萌生和擴(kuò)展源，在焊縫根部造成應(yīng)力集中，降低接頭的疲勞性能.高福洋等人[20]認(rèn)為，焊縫根部匙孔內(nèi)壁無法維持穩(wěn)定，液態(tài)金屬凸出向匙孔坍塌，金屬蒸氣不能完全逸出，在快速冷卻條件下，液態(tài)金屬凝固后形成釘尖缺陷.此外，通過測量焊縫縱截面熔深連續(xù)變化，發(fā)現(xiàn)V 形形貌熔深波動(dòng)值遠(yuǎn)大于U 形焊縫.在圖4 中，V 形形貌焊縫熔深波動(dòng)值在±2.6 mm 之間，U 形形貌焊縫熔深波動(dòng)值在±0.8 mm 之間.在圖5 中，V 形形貌焊縫熔深波動(dòng)值在±1.8 mm之間，U 形形貌焊縫熔深波動(dòng)值在±0.41 mm 之間.“釘尖缺陷”的形成以及熔深數(shù)值的較大波動(dòng)說明此種工藝條件焊接過程中匙孔的波動(dòng)較為劇烈，處于非穩(wěn)定狀態(tài).

2.2 接頭形貌特征穩(wěn)定性分析

2.1 節(jié)中發(fā)現(xiàn)的2 種接頭幾何形狀的形成與匙孔狀態(tài)直接相關(guān).低真空激光焊過程中，在高能量密度激光束作用下，材料表面受熱迅速熔化、蒸發(fā)氣化.強(qiáng)烈的金屬蒸氣壓力作用于焊接熔池并形成匙孔，匙孔的形成及維持準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)是金屬蒸氣壓力、環(huán)境壓力、表面張力和流體靜壓力共同作用的結(jié)果[21].匙孔的張開及維持主要是靠激光能量的不斷輸入產(chǎn)生的材料蒸發(fā)氣化反沖壓力Pv來實(shí)現(xiàn)，匙孔內(nèi)壁及熔融金屬的表面張力引起的壓力Pσ，由于重力引起的流體靜壓力Ph，以及環(huán)境壓力P0(本試驗(yàn)為5 Pa)，都試圖關(guān)閉匙孔，是匙孔存在并維持穩(wěn)定的主要阻力.

為了深入探討在低真空激光焊條件下2 種接頭幾何形態(tài)下的匙孔穩(wěn)定性，分析了理想條件下U 形和V 形2 種情況的匙孔內(nèi)部壓力平衡關(guān)系.在理想平衡狀態(tài)，匙孔底部壓力平衡如圖6 所示，平衡方程為

圖6 理想狀態(tài)匙孔底部壓力平衡Fig.6 Schematic of the keyhole state in ideal state of equilibrium.(a) type U shape;(b) type V shape

文中對(duì)2 種幾何形貌的平衡方程分別進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，對(duì)于U 形形貌：環(huán)境壓力P0為5 Pa，表面張力引起的壓力Pσ=σ/r為匙孔壁面處的表面張力與匙孔平均半徑之比，當(dāng)鎖孔壁表面張力為2 N/m[22]，孔壁底部平均半徑根據(jù)實(shí)際焊接結(jié)果取2 mm 時(shí)，Pσ約為1 kPa；當(dāng)鈦合金熔池密度ρ為4.5 × 103kg/m3，重力加速度g為9.8 m/s2，匙孔深度h根據(jù)實(shí)際焊接結(jié)果取30 mm 時(shí)，流體靜壓Ph=ρgh≈ 1.3 kPa.基于式(1)，Pv1約為2.3 kPa.

對(duì)于V 形形貌：環(huán)境壓力P0為5 Pa，當(dāng)鎖孔壁表面張力σ為2 N/m，根據(jù)實(shí)際焊接結(jié)果孔壁底部平均半徑r為0.2 mm 時(shí)，Pσ=σ/r約為10 kPa，由于匙孔平均半徑的降低造成此項(xiàng)數(shù)值可以達(dá)到U 形形貌時(shí)數(shù)值的10 倍以上；當(dāng)鈦合金熔池密度ρ為4.5 × 103kg/m3，重力加速度g為9.8 m/s2，匙孔深度h取30 mm 時(shí)，流體靜壓Ph約為1.3 kPa.基于式(1)，Pv2約為11.3 kPa.

綜上可知，由于匙孔形態(tài)的不同，U 形形貌維持穩(wěn)定所需要的蒸氣壓力Pv1遠(yuǎn)小于V 形形貌所需要的蒸氣壓力Pv2，也就是說V 形形貌匙孔較難維持準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，更易產(chǎn)生閉合.這也是為什么當(dāng)焊縫截面幾何形貌為V 形時(shí)，極易導(dǎo)致焊縫底部出現(xiàn)“釘尖缺陷”，甚至?xí)诘撞砍霈F(xiàn)尺寸較大氣孔，以及熔深波動(dòng)較大的原因，因此，對(duì)于非熔透焊接，應(yīng)當(dāng)予以避免V 形焊縫形貌的形成.雖然上述計(jì)算沒有考慮到環(huán)境壓力的改變對(duì)材料物理性質(zhì)的改變以及忽略了匙孔壁振蕩和塌陷等動(dòng)態(tài)變化過程，但它可以反映2 種接頭幾何形狀穩(wěn)定性的物理機(jī)制.

2.3 V 形焊縫形貌形成區(qū)間

以上對(duì)2 種焊縫截面形貌的匙孔穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析，得出V 形幾何形貌更難以維持穩(wěn)定，是一種非穩(wěn)態(tài)焊縫形貌特征的結(jié)論.文中將繼續(xù)探究易形成V 形焊縫形貌的焊接工藝區(qū)間，為Ti6Al4V 合金低真空激光非熔透焊提供工藝指導(dǎo).

為了將工藝區(qū)間與形成焊縫的有效激光能量傳輸相關(guān)聯(lián)，這里討論線能量對(duì)激光作用結(jié)果的影響程度.線能量(LE)與激光輸出功率(P)和焊接速度(v)相關(guān)

進(jìn)一步地，將焊縫熔凝區(qū)面積(FZ)與線能量(LE)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，引入一個(gè)新的參數(shù)，稱為線能量利用系數(shù)(LEUF，單位為mm3/J)，物理意義為單位激光能量形成的有效熔凝區(qū)體積.

試驗(yàn)激光功率為5～ 30 kW、離焦量為-50～0 mm 條件下的焊接結(jié)果進(jìn)行LEUF 計(jì)算，結(jié)果如圖7 所示.圖中B 區(qū)域?yàn)閂 形幾何形貌形成區(qū)，A 區(qū)和C 區(qū)為U 形幾何形貌形成區(qū).

圖7 線能量利用系數(shù)(LEUF)計(jì)算結(jié)果Fig.7 Results of line energy utilization factor

由LEUF 計(jì)算結(jié)果可以看到，當(dāng)LEUF 小于0.13，即單位激光能量形成的有效熔凝區(qū)體積處在較低水平時(shí)，如圖7 中A 區(qū)域所示，焊縫易為熔深較淺的U 形形貌.這可能是因?yàn)榇藭r(shí)光束離焦距離普遍偏大，而激光輸出功率偏小，這就造成了激光能量被材料表面過度分散使得材料對(duì)激光能量的吸收率大幅降低，難以形成較深的匙孔；當(dāng)LEUF 大于0.14，即單位激光能量形成的有效熔凝區(qū)體積處在較高水平時(shí)，如圖7 C 區(qū)域所示，焊縫易為熔深較深的U 形形貌.這可能是因?yàn)榇藭r(shí)能量密度集中，深熔匙孔對(duì)激光能量的菲涅爾吸收強(qiáng)度較高，匙孔更易維持準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)；但當(dāng)LEUF 處于0.13～ 0.14 之間時(shí)，如圖7 中 B 區(qū)域所示，匙孔易為V 形形貌.這可能是因?yàn)榇藭r(shí)雖然會(huì)形成深熔匙孔，但維持匙孔張開的材料蒸發(fā)氣化壓力不足以使匙孔底部維持準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，容易發(fā)生塌陷閉合，造成了熔深的不穩(wěn)定波動(dòng)，甚至形成焊接缺陷.

通過以上分析，Ti6Al4V 合金低真空環(huán)境非熔透激光焊時(shí)，焊接工藝的選擇應(yīng)規(guī)避圖7 中的B 區(qū)域范圍參數(shù).受目前結(jié)果的啟發(fā)，接下來的工作將引入焊接速度的變化及全熔透焊接情況來分析Ti6Al4V 合金低真空激光焊接頭形貌特征.

3 結(jié)論

(1)低真空環(huán)境激光焊焊縫表面成形良好，焊縫熔深可以隨輸出功率的增加而近似線性增加，文中最大焊接熔深可達(dá)67.6 mm，焊縫截面存在U 形和V 形2 種不同的幾何形貌，其中V 形形貌易在焊縫底部形成缺陷，熔深波動(dòng)值大于U 形焊縫.

(2) U 形形貌維持穩(wěn)定所需要的蒸氣壓力遠(yuǎn)小于V 形形貌所需要的蒸氣壓力，V 形形貌匙孔較難維持準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，更易產(chǎn)生閉合，這是V 形形貌底部易形成缺陷、熔深波動(dòng)較大的原因.

(3)當(dāng)焊接工藝區(qū)間的線能量利用系數(shù)(LEUF)小于0.13 或大于0.14 時(shí)易形成U 形焊縫形貌，當(dāng)LEUF 處于0.13～ 0.14 之間時(shí)焊縫易為V 形形貌.