雙層TC4鈦合金板材搭接激光穿透焊接工藝研究

1、鈦合金及其應用

為了提高飛行器性能，降低自身重量，航空航天及車輛制造等領域越來越多地使用新材料、新結構。鈦合金材料因其具有小密度、高比強度、高比模量、高可靠性等特點，同時有良好的耐腐蝕性能、耐熱性能、中溫強度和低溫韌性，且比不銹鋼質輕，被廣泛應用于各個領域產品的制造中，成為各先進飛機制造的首要金屬 選材。其中，TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金是一種α+β型雙相鈦合金，經熱處理后具有良好的綜合力學性能，強度較高，塑性良好，屈服強度超過900MPa，在鈦合金行業中的使用量占到60%左右。例如，在某機型中，鈦合金用量占結構總質量的41%，TC4鈦合金占其中的86%。鈦合金的焊接結構，由于TC4鈦合金的可焊性較好，其焊接組件多用于承力結構、發動機結構及高溫環境工作的復雜結構。

2、激光焊接技術

激光焊接工藝利用高能量密度的激光束作為熱源，具有熱輸入量較小、能量密度較高、焊接變形小等優點。由于激光焊接加熱和冷卻均以極快的速度完成，焊縫凝固形成的晶粒會更加細小。

搭接接頭的激光穿透焊接技術是一種新穎而獨特的激光焊接工藝，它利用激光束對雙層搭接板材進行熔融穿透，實現雙層材料之間的冶金連接。與傳統的對接結構焊接成形工藝相比，該技術能夠實現雙層材料的單面焊接雙面成形，且能有效保障蒙皮的表面完整性，因而可應用于對表面氣動外形完整性、結構完整性要求較高的領域；同時該項技術具有生產效率高、焊縫成形效果好、連接結構減重明顯等優點。

目前已有的相關研究主要集中在不銹鋼或鋁合金板的搭接激光焊接方面。楊茹娟[1]針對6016鋁合金板 搭接接頭擺動激光焊接時易出現裂紋的問題，進行了非線性瞬態熱傳導過程分析，建立了薄板鋁合金搭接 接頭擺動激光焊接熔池傳熱與流動行為的數值分析模型，并定量分析了從激光接近時，開始熔化的小熔池到 蒸發反作用力足夠大時，熔池產生小孔以及小孔的形貌與位置變化的過程；白陳明等[2]針對換熱器板片電阻點焊引起的飛濺問題，提出了奧氏體不銹鋼的非熔透型激光疊焊方法，試驗發現低焊接速度和高激光功率均導致焊縫表面不平整和飛濺等現象，低保護氣體流量導致焊縫上表面發生氧化，而保護氣體流量過大導

致結合面寬度變窄并降低焊縫的力學性能，超聲輔助可以顯著降低焊縫氣孔率；張帆等[3]研究了搭接間隙對光纖激光焊接鍍鋅鋼板焊縫成形和接頭機械性能的影響，分析了預留間隙法解決鍍鋅鋼板搭接激光焊中高壓鋅蒸氣對焊縫的不良影響的機理，研究結果表明，對于1.35mm板厚的HC260LAD+Z100MB鍍鋅鋼板搭接激光焊，間隙大于0.1mm時可以很好地抑制鋅蒸氣造成的焊接缺陷，間隙約為0.15mm時焊縫熔深達到最大值，而4kW激光功率對間隙的容忍度較大。

對于雙層鈦合金板的搭接激光焊接技術，尚未有深入探索，關于鈦合金雙層結構對焊接參數與缺陷控制的問題還缺少研究。文章針對雙層TC4鈦合金薄板激光焊接接頭，研究了不同焊接參數對焊縫宏觀成形、焊接變形及焊縫質量的影響，從而對相關結構的激光焊接實際生產有一定的指導意義。

3、試驗材料及方法

3.1試驗材料

試樣的材料采用厚度為1.0mm、2.0mm的TC4鈦合金薄板，重疊為1.0+2.0的搭接接頭，如圖1所示。

3.2焊接方案

文章采用激光穿透焊接工藝，使用激光束將重疊的兩層板材同時穿透。試驗采用的焊接參數，如表1所示。

3.3模擬仿真

從激光焊接的實際機理出發，基于激光熱源模型建立的思想，讓熱源的熱流密度主要集中于匙孔周圍，得到了與實際熔池形貌相似度較高的激光熱源模型。采用高斯圓柱體熱源和面熱源疊加的熱源模型，組合熱源模型體現了能量在厚度方向上的衰減規律，既能表征熔池形態，又能體現小孔穿透效應[4]。

文章選擇彈塑性有限元模型，選用的試驗件幾何模型如圖2所示，采用的焊接方向如圖3所示。對于彈塑 性有限元法的非線性求解過程，選擇非線性求解能力較強的有限元模擬軟件MSC.Marc。

4、試驗結果分析

4.1仿真結果

4.1.1焊接溫度場

熱循環曲線，如圖4所示.由圖4可知當焊接熱源移動至采樣點所在橫截面處，各點溫度幾乎同時開始上升。但不同位置節點升溫速度不同，距焊縫中心距離由遠到近，升溫速度逐漸增大，其中，焊縫中心的升溫速度遠高于焊縫邊緣，而距焊縫中心較遠處的金屬升溫十分緩慢。

在整個熱循環曲線中，焊縫中心的溫度峰值最高，達到了2948.21℃，而焊縫邊緣的溫度明顯較其更低，最 高溫度僅為804.65℃，這是由于激光加熱作用高度集中。而在隨后的冷卻階段，焊縫區域的溫度又迅速降低。

4.1.2焊接變形仿真

焊接變形會直接影響焊件的形狀與尺寸精度，更為嚴重時還會影響其裝配或服役效果。利用數值模擬的方法預測構件焊后變形，可優化焊接方向和焊接順序，從而達到減小變形的目的。焊接方向分別采用從一端到另一端、從兩端到中間、從中間到兩端三種。其中，從中間向兩端焊接時，其最大變形小于其他兩種焊接方向。從中間向兩端焊接時，試驗件焊接變形情況，焊后整體最大變形為1.53mm，X方向（沿焊縫方向）的最大變形為0.10mm，Y方向的最大變形僅為0.09mm。由此可得焊接變形主要是Z向變形，且中部部位的變形最大。

4.2焊接接頭宏觀形貌

由于雙層板的焊接需要較大的功率，導致焊縫正面的寬度較寬。經測量，焊縫正面平均寬度約6mm，背面平均寬度約2mm。同時，由于焊接熱輸入較大，焊縫正面兩側的咬邊也較為明顯。

焊縫正面的起點均有較明顯的凸起，而終點均有明顯的凹陷。這是由于激光焊接過程中，試件表面在激光 束直接照射下受熱迅速升溫，體積發生膨脹。由于激光束的能量密度比較集中，周圍材料溫度梯度較大，對直接照射區形成壓應力；當激光束繼續移動作用，試件表面溫度持續升高、壓應力增大，而材料的屈服極限隨升溫而降低，當其降低到一定程度，屈服極限小于周邊壓應力，將造成熔池上表面附近材料發生屈服變形，在壓應力作用下向焊縫處聚集，當激光束移動離開后，此處冷卻，并產生堆積。而對于雙層板材的穿透焊接，其焊接起始點的小孔尚未穩定形成，熔池的流動處于過渡狀態，其材料堆積就更明顯。而對于焊縫終點，其是激光束關閉的位置，其熱輸入較焊縫起點和中間相比更小，且熔池未能充分流動，材料不足以填充熔池，因此產生凹陷。

4.3焊接接頭微觀形貌

對焊縫、熱影響區及母材進行金相檢測，觀察其顯微組織特征，得到的金相組織，如圖5所示。

TC4鈦合金退火狀態的母材，顯微組織形貌是典型的等軸α+β兩相合金，組織中晶粒細小，以α相為基體，β相分布在α相邊界處，組織的晶粒均呈等軸或拉長狀，如圖5（a）所示。

焊縫熔合區中心部位組織出現了較大的轉變，在等軸的α+β基體組織內部析出了針狀的α′組織，如圖5（b）所示。焊接過程使得鈦合金局部熔化形成熔池，由于吹氣保護焊縫，同時也加快了冷卻速度。在結晶溫度以上快速冷卻，并且在相轉變溫度（996±14℃）以上快速冷卻時β0→α′，α′為鈦過飽和的針狀馬氏體。晶粒粗大的原始β相界清晰可見。不同焊接工藝參數下，焊縫的組織相同，只是晶粒組織的大小有別，這是因為在不同的焊接參數下，能量輸入的高低差異，使得原始β相出現了不同程度的長大。

4.4焊接缺陷控制

由于雙層板材之間存在固態與氣態的相界面，對激光束的能量密度造成衰減，因此較低的能量密度較難將雙層板材同時焊透。而較高的熱輸入又會造成匙孔的孔徑變大，易使保護氣體從焊縫背面被裹入焊縫形成氣孔。因此，對焊接參數的調整需要實現對焊接缺陷的控制。

激光焊接焊縫的氣孔主要是凝固的熔池將保護氣、金屬蒸汽或者空氣裹入焊縫內部而形成，因此針對此問題，主要通過調整保護氣及焊接參數，使熔池能夠達到理想的深寬比、溫度分布和流動狀態。

經過正交試驗，發現實現焊透的最小熱輸入為離焦量6mm，焊接速度1700mm/min及激光功率2400W，而滿足一級焊縫質量標準且焊縫成形穩定的最優焊接參數范圍，如表2所示。

4.5力學性能檢測

對搭接接頭焊接試件進行剪切力測試，其剪切強度較穩定，且均不低于母材的抗拉強度。數據如圖6所示。

結論

結合以上試驗結果，發現對于雙層TC4鈦合金薄板的搭接激光穿透焊接，需要比普通對接接頭更大的熱輸入，即更高的激光功率。而面對高功率引起的焊接缺陷，主要通過焊接速度及離焦量進行調整。焊縫正面 兩側的咬邊較為明顯，焊縫正面的起點均有較明顯的凸起，而終點均有明顯的凹陷，均為高熱輸入引起，可 通過設置引入、引出板進行處理。面對熱輸入造成的焊接變形，可通過調整焊接方向進行控制。而搭接激光穿透焊縫的剪切力，不低于母材的拉伸強度。

參考文獻

[1]楊茹娟.薄板鋁合金搭接接頭擺動激光焊接熱場和流場的數值分析[D].濟南：山東大學，2020.

[2]白陳明.奧氏體不銹鋼非熔透激光疊焊工藝研究[D].長春：長春理工大學，2019.

[3]張帆，李芳，王詩恩，等.鍍鋅鋼板搭接光纖激光焊接中搭接間隙的研究[J].中國激光，2014，41（10）：113-118.

[4]鄭文健.鋁合金T型接頭雙束激光雙側同步焊接的數值模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.