船用TA5鈦合金板激光焊接接頭成形質(zhì)量與微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控研究——基于高功率激光焊接工藝，剖析焊縫區(qū)-熱影響區(qū)-母材區(qū)組織過渡特性及硬度/拉伸性能響應(yīng)規(guī)律

1、序言

鈦及鈦合金具有密度小?無磁性?比強度和比剛度高?耐海水和海洋大氣腐蝕能力強，在航空航天?船舶制造和化工冶金等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，被譽為 “海洋金屬” 和 “太空金屬”[1-6]。TA5 是一種在純鈦基礎(chǔ)上增加了 4% Al 元素和 0.005% B 元素形成的一種中等強度的 α 型鈦合金，由于含有單一的 α 相，故不能進行熱處理強化。船用鈦及鈦合金的焊接，對我國整個海洋工程裝備?甚至整個工業(yè)技術(shù)的發(fā)展都有著關(guān)鍵性作用 [7]。

目前，關(guān)于 TA5 鈦合金激光焊接工藝的研究較少，大多集中在比較熟悉的 TIG?MIG 焊等。對于傳統(tǒng)的熔化焊接技術(shù)，由于設(shè)備成本低?焊接過程平穩(wěn)等特點，在現(xiàn)代焊接工業(yè)制造領(lǐng)域仍占據(jù)著一定的主導(dǎo)地位，但其生產(chǎn)效率低?焊接熱輸入大?變形大?晶粒粗大?熔透能力差等缺陷，對于厚板焊接時需要加工設(shè)計坡口，并考慮采用何種坡口形式?坡口角度等問題，然后采用多層多道焊，這可能會造成工件變形并產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。大連交通大學(xué)劉守義等 [8] 分別對 4mm 和 6mm 的 TA5 鈦合金進行 MIG 焊接組織性能研究，研究發(fā)現(xiàn)，在焊接接頭的焊縫區(qū)硬度最低，熱影響區(qū)組織主要為粗大的針狀 α 相，焊縫區(qū)組織出現(xiàn)了大量的針狀馬氏體相，并且焊接接頭具有良好的冷彎和拉伸力學(xué)性能。華中科技大學(xué)涂世豪 [9] 對 3mm 厚的 TC4 鈦合金進行平板脈沖激光堆焊試驗，研究結(jié)果表明，脈沖頻率?峰值功率?焊接速度和占空比對焊接接頭的成形和質(zhì)量都有顯著影響。

相比于傳統(tǒng)的熔化焊 (TIG?FSW 等) 方法，激光焊有其獨特的優(yōu)勢，例如能量密度高?焊接速度快?深寬比大?自動化程度高等，已經(jīng)在船舶加工制造領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但國內(nèi)外對于厚板鈦合金無間隙不開坡口單面焊雙面成形的焊接研究較少，因此開展本文研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

2、試驗

2.1 試驗材料

本次試驗所用材料為軋制態(tài) TA5 鈦合金，名義成分為 Ti-4Al-0.005B，材質(zhì)符合 GB/T 3621-2007 要求，是一種中等強度的近 α 型鈦合金。試板規(guī)格分別為 10mm×200mm×300mm。根據(jù)圖 1 可知，TA5 鈦合金母材的微觀組織由等軸 α 相和少量 β 相組成，β 相均勻分布在 α 相晶界附近，呈點狀和線性分布，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表 1?表 2。

表 1 TA5 合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分數(shù))(%)

表 2 TA5 合金室溫力學(xué)性能

2.2 焊接工藝

試驗采用高功率德國 IPG 激光器 YLS-20000 對 10mm 厚的 TA5 鈦合金進行激光自熔焊對接試驗，最大輸出激光功率可以達到 20000W，運動系統(tǒng)主要為德國 KUKA 六軸聯(lián)動機器人 KR60HA，定位精度在 0.05mm，能夠?qū)崿F(xiàn)高精密復(fù)雜軌跡的焊接，特別適合激光自熔焊接。經(jīng)過大量的工藝試驗和分析，優(yōu)化后的激光 - MIG 復(fù)合焊接采用如圖 2 所示的坡口，坡口間隙為 0~0.2mm，激光功率為 12000W，焊接速度為 0.020m/s，離焦量為 + 10mm，為了防止焊接過程被空氣中的 N?H 和 O 氧化，在正反兩面用 99.99% 的純氬氣進行保護。

2.3 檢測方法

焊接完成后，采用 X 射線檢測對內(nèi)部質(zhì)量進行評定，射線檢測能夠在不破壞接頭的情況下，檢測到接頭內(nèi)部是否存在氣孔?未熔合及裂紋等缺陷，根據(jù) NB/T 47013.2-2015《承壓設(shè)備無損檢測 - 射線檢測》AB 級射線檢測技術(shù)進行評定。當(dāng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求后，采用數(shù)控線切割方式沿垂直于焊縫方向上截取大小為 6mm×10mm×30mm 的試樣，隨后利用不同精度的砂紙進行打磨?拋光和腐蝕。為了能夠精準(zhǔn)觀察到焊接接頭組織，首先采用金相顯微鏡 OLYMPUS GX71 進行低倍觀察，隨后采用掃描電子顯微鏡 Quanta 650 FEG 進行高倍觀察組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù) GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第 1 部分：試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進行維氏硬度測試，在全自動維氏硬度機 KB30SR-FA 上對焊接接頭進行顯微硬度測試，在焊縫熔寬方向上部?中部和下部三個方向打點測試，兩測試間隔為 0.3mm，加載載荷為 5kg，持續(xù)時間 15s；根據(jù) GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》在萬能材料試驗機上進行，焊接接頭加工成如圖 3 所示的拉伸試樣。

3、結(jié)果與分析

3.1 接頭宏觀形貌

TA5 鈦合金激光焊接接頭的宏觀形貌如圖 4a?b 所示，該工藝條件下獲得的焊接接頭呈銀白色金屬光澤，表面成形均勻，無表面裂紋?夾渣以及駝峰等明顯缺陷，但焊縫表面存在輕微咬邊，這是由于激光焊本身的工藝特點決定的；對焊接接頭進行 X 射線檢測，焊接接頭內(nèi)部無氣孔?夾雜?側(cè)壁未熔合以及內(nèi)部裂紋等缺陷，能夠滿足 NB/T 47013.2-2015《承壓設(shè)備無損檢測第 2 部分：射線檢測》I 級合格要求，如圖 4c 所示。

3.2 接頭橫截面宏觀形貌

從圖 5 可看出，TA5 鈦合金橫截面形貌呈現(xiàn)典型的 “沙漏形”，焊縫頂部的柱狀晶尺寸明顯大于焊縫中部和底部的尺寸，這與在焊接過程中受激光熱源的影響有直接關(guān)系，焊縫頂部受熱源的影響較大，達到了 β 相完全轉(zhuǎn)變溫度，α 相全部轉(zhuǎn)變?yōu)?β 相，隨后迅速長大為粗大的 β 柱狀晶，同時焊縫是從底部方向凝固到頂部，因此會呈現(xiàn)上?下部熔合區(qū)較寬而中間部分熔合區(qū)較窄的熔池形貌。根據(jù)焊接接頭受熔池?zé)醾鲗?dǎo)作用的不同，焊接接頭可以進一步細分為焊縫區(qū)?熱影響區(qū)和母材區(qū)。

3.3 焊接接頭的微觀組織

TA5 鈦合金激光焊接頭微觀組織特征如圖 6 所示，焊縫中心區(qū)組織主要為粗大的 β 相柱狀晶，柱狀晶的晶界完整清晰，晶界內(nèi)部為交織成網(wǎng)籃狀形貌的細小的 α 針狀馬氏體和板條馬氏體，這主要是由于鈦的熱導(dǎo)率低，對過熱十分敏感，使得晶粒沿著溫度梯度的方向生成粗大的 β 柱狀晶，針狀馬氏體在 β 柱狀晶的內(nèi)部和邊界同時形核和長大，在激光焊接過程中，焊接加熱溫度超過了 β 相轉(zhuǎn)變溫度，此時 α 相會全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的高溫 β 相，隨后在快速冷卻的過程中焊縫區(qū)金屬經(jīng)歷熔池結(jié)晶和 β→α 相轉(zhuǎn)變過程，由于 β 相中的合金元素來不及擴散轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶獾?α 相，而是通過原子的近程遷移發(fā)生切邊相變，生成大量細小的針狀馬氏體 α' 相。α' 相在 β 柱狀晶的內(nèi)部和邊界同時形核和長大，通過高倍 SEM 電鏡發(fā)現(xiàn)，α 馬氏體大多呈現(xiàn)鋸齒狀和針狀。熱影響區(qū)包括近焊縫區(qū) (粗晶區(qū)) 和近母材區(qū) (細晶區(qū)) 兩個區(qū)域，粗晶區(qū)主要由 α 相和 α' 相組成，其中 α' 相呈短針狀交叉分布；細晶區(qū)主要由 α 相?α' 相和 β 相組成，熱影響區(qū)的組織呈現(xiàn)逐漸演變的過程，接頭熱影響區(qū)在激光焊接時各個位置受到的焊接熱循環(huán)和熱傳導(dǎo)作用不同，因此顯微組織存在很大差異。靠近焊縫處的熱影響區(qū)，由于受熔池的熱傳導(dǎo)作用較強，溫度迅速升高，母材中的 α 相全部轉(zhuǎn)變?yōu)?β 相，在隨后的快速冷卻過程中，β 相會部分轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铖R氏體，其余轉(zhuǎn)變?yōu)?α 相。近母材區(qū)受熔池的熱傳導(dǎo)作用較弱，此處獲得的熱量相對較少，在加熱過程中母材中的 α 相未能夠全部轉(zhuǎn)變?yōu)?β 相，冷卻過程中 β 相會有部分殘余，其余轉(zhuǎn)變?yōu)樯倭康尼槧铖R氏體。

3.4 焊接接頭的力學(xué)性能

(1) 拉伸試驗結(jié)果分析 由圖 7 可以看出，TA5 鈦合金激光焊接接頭拉伸斷裂位置主要發(fā)生在遠離焊縫的母材處，通過試驗發(fā)現(xiàn)焊接接頭的抗拉強度平均值為 783MPa，高于母材的抗拉強度 773MPa，因此斷裂發(fā)生在母材處，在拉伸過程中母材會率先發(fā)生局部的塑性變形，產(chǎn)生頸縮，而焊縫金屬的組織主要為過飽和的針狀馬氏體 α'，抗拉強度較高，產(chǎn)生的應(yīng)變較小，從而形成了缺口效應(yīng)，使得母材處先產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終優(yōu)先斷裂。同時根據(jù)表 3 可以看出，焊接接頭的伸長率相對母材有所降低，在提高焊接接頭的強度的同時，韌性在一定程度上會有所降低。

表 3 TA5 鈦合金激光焊接頭橫向圓拉結(jié)果

(2) 拉伸試樣斷口形貌分析 斷裂是固體受到外界的應(yīng)力或應(yīng)變作用后的反應(yīng)，斷裂的過程包括裂紋形核和裂紋擴展。而斷口總是發(fā)生在金屬組織中最薄弱的地方，拉伸試樣的斷口反映了被測試材料在外力作用下 (拉應(yīng)力)，材料內(nèi)部從裂紋源形成裂紋，經(jīng)過裂紋的生長和擴展直至形成斷口的過程。在研究斷裂時，對斷口的觀察?分析和研究是對材料性能深入掌握的關(guān)鍵。可以通過斷口形貌分析去研究斷裂的基本問題：如斷裂起因?斷裂方式?斷裂機制?斷裂過程等。

鈦合金焊接接頭在拉伸過程中會出現(xiàn)明顯的不均勻的塑性變形，發(fā)生韌性斷裂，主要體現(xiàn)在斷口形貌為無光澤的杯錐狀，并且出現(xiàn)了頸縮，斷口截面主要是韌窩。韌性斷裂的斷口一般分為 3 個區(qū)域：中心纖維區(qū)?放射區(qū)和剪切唇 [6]。當(dāng)拉伸載荷超過鈦合金本身的屈服極限時，首先產(chǎn)生均勻的塑性變形，在單向拉應(yīng)力的作用下，在接頭的局部就會形成裂紋；當(dāng)載荷達到抗拉強度時，試樣就會出現(xiàn)頸縮，此時試樣會受到切應(yīng)力的作用，改變了應(yīng)力狀態(tài)，一般沿著 45° 方向斷開，成為杯錐狀斷口，此時韌窩形貌由等軸狀改變?yōu)闄E圓形或者拉長形。

(3) 顯微硬度 從圖 9 可以看出，激光焊的顯微硬度分布整體上呈現(xiàn) “馬鞍形”，母材的硬度相對較低，主要分布在 300HV 附近；熔合區(qū)附近的硬度相對較高，大小主要在 330HV 附近，由于激光焊接過程的冷卻速度較快，相當(dāng)于淬火，使得焊縫處形成了由針狀馬氏體 α' 相組成的網(wǎng)籃組織，α' 相交錯排列，其具有較高的位錯密度和孿晶針狀組織形成了大量的晶界，晶粒變得細小，根據(jù) Hall-Patch 公式可知，晶粒越細小，單位面積上的晶界越多，而晶界可以使得位錯在界面處產(chǎn)生位錯塞積，從而阻礙位錯運動，而位錯運動的阻礙從宏觀上來看表現(xiàn)為材料的強度和硬度的提高。同時，硬度大小的變化與顯微組織過渡狀態(tài)和組織不均勻有關(guān)，激光焊焊縫和熱影響區(qū)都出現(xiàn)了較多高硬度的針片狀馬氏體相 α'，形成了相互交錯的網(wǎng)籃組織，根據(jù) TEM 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)籃組織的內(nèi)部存在大量的位錯，并且位錯密度較高，并且 α' 馬氏體的顯微硬度最高，根據(jù)研究表明，顯微硬度值 α'>α>β 相 [10]，靠近熔合線附近的 α' 馬氏體較多，因此出現(xiàn)了硬度最高值。熱影響區(qū)的顯微組織主要由針狀馬氏體 α' 相向 α 相和等軸 α 相逐漸演變，因此，熱影響區(qū)的顯微硬度有逐漸下降的趨勢。而母材的顯微組織由等軸 α 相和 β 相組成，不含針狀馬氏體相，所以其硬度最低。

4、結(jié)束語

本文采用激光自熔焊接方法實現(xiàn)了 10mm 厚 TA5 鈦合金的焊接，對焊接接頭的顯微組織特征和力學(xué)性能進行了研究，得到如下結(jié)論：

TA5 鈦合金激光自熔焊獲得的接頭成形良好，無明顯的焊接質(zhì)量缺陷，滿足 NB/T 47013.2-2015《承壓設(shè)備無損檢測第 2 部分：射線檢測》I 級合格要求；焊縫中心區(qū)由粗大的 β 柱狀晶和晶內(nèi)細小的針狀馬氏體 α' 相組成，靠近焊縫側(cè)的熱影響區(qū)組織為片狀?鋸齒狀 α 相與針狀馬氏體 α' 相；隨著遠離焊縫中心，熱影響區(qū)組織呈逐漸演變的特點，靠近母材側(cè)熱影響區(qū)組織為片狀 α 相?少量針狀馬氏體 α' 相和殘余 β 相，并最終趨于母材組織 α 相與 β 相。

焊接接頭的平均抗拉強度為 783MPa，高于母材的平均抗拉強度，拉伸斷裂發(fā)生在遠離焊縫的母材處，斷口形貌呈現(xiàn)塑形斷裂，平均斷后伸長率為 14.4%，相較于母材保持不變；激光焊在提高接頭強度的同時，塑性保持不變。

焊接接頭硬度最高值出現(xiàn)在熔合線，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)次之，母材區(qū)顯微硬度最低，這與針狀馬氏體 α' 相的形態(tài)分布與大小有關(guān)。

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（注，原文標(biāo)題：TA5鈦合金激光焊接頭組織與力學(xué)性能分析）