Ti75合金激光焊接接头的组织及力学性能

曹守启¹,何鑫¹,刘婉荣¹,冯杰才²

(1.上海海洋大学 工程学院,上海 201306;2.上海锐戎激光焊接技术有限公司, 上海 201306)



摘要:

采用10 kW的连续光纤激光器对3 mm厚的Ti75合金板进行激光焊接,通过调整不同的激光功率来获得全熔透的焊接接头。同时,观察了不同热输入下焊接接头的宏观形貌、微观组织,测试了焊接接头的力学性能和显微硬度,对接头不同部位的组织特征及成形原因进行了分析。结果表明,随着焊接过程中激光功率的增加,焊缝的宽度逐渐变大,在不同热输入下,发现焊接的接头部位均呈现出3个明显的部分,分别为焊缝(WS)、熔合线(FL)以及热影响区(HAZ),焊接接头发生了动态再结晶；焊接接头的抗拉强度可达到母材水平, 硬度值高于母材。

关键词:  钛合金  激光焊接  显微组织  拉伸性能  显微硬度

DOI：10.11951/j.issn.1005-0299.20200106

分类号:TG 456.7

文献标识码:A

基金项目:上海市产学研合作“先进激光智能制造装备关键技术研究与示范线建设”项目(沪临地管委经【2017】56号).



Microstructure and mechanical properties of laser welded Ti75 alloy joint

CAO Shouqi¹, HE Xin¹, LIU Wanrong¹, FENG Jiecai²

(1.School of Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2.Shanghai Ruirong Laser Welding Technology Co. LTD., Shanghai 201306, China)

Abstract:

Laser welding of Ti75 alloy plate of 3 mm thick is performed using 10 kW continuous fiber laser. The full penetration welding joint is obtained by adjusting the laser power. The morphologies, and microstructure of the joint obtained under different heat input was examined. The tensile properties and microhardness of the welded joint were tested. The microstructure characteristics and formation mechanism of different locations in the joint were analyzed. The results indicate that, as the laser power increase, the weld width gradually increases. The joint consist of three parts, i.e., welding seam (WS), fusion line (FL) and heat affected zone (HAZ) under different heat input. the joint cross section under different heat input. Dynamic recrystallization occurred in the welding joint. The tensile strength of the welded joint can reach the level of the base material. The hardness of the joint is higher than that of the base material.

Key words:  titanium alloy  laser welding  microstructure  tensile properties  microhardness


曹守启, 何鑫, 刘婉荣, 冯杰才. Ti75合金激光焊接接头的组织及力学性能[J]. 材料科学与工艺, 2021, 29(1): 53-58. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20200106.
CAO Shouqi, HE Xin, LIU Wanrong, FENG Jiecai. Microstructure and mechanical properties of laser welded Ti75 alloy joint[J]. Materials Science and Technology, 2021, 29(1): 53-58. DOI: 10.11951/j.issn.1005-0299.20200106.
基金项目 上海市产学研合作“先进激光智能制造装备关键技术研究与示范线建设”项目(沪临地管委经【2017】56号) 通信作者 何鑫(1995—)，E-mail: 978757782@qq.com 作者简介 曹守启(1973—)，男，教授，博士生导师 文章历史 收稿日期: 2020-04-12 网络出版日期: 2020-05-15


Contents            Abstract            Full text            Figures/Tables            PDF


Ti75合金激光焊接接头的组织及力学性能
曹守启¹, 何鑫¹, 刘婉荣¹, 冯杰才²     
1. 上海海洋大学 工程学院，上海 201306;
2. 上海锐戎激光焊接技术有限公司, 上海 201306

收稿日期: 2020-04-12; 网络出版日期: 2020-05-15
基金项目: 上海市产学研合作“先进激光智能制造装备关键技术研究与示范线建设”项目(沪临地管委经【2017】56号)
作者简介: 曹守启(1973—)，男，教授，博士生导师.
通信作者: 何鑫(1995—)，E-mail: 978757782@qq.com.


摘要: 采用10 kW的连续光纤激光器对3 mm厚的Ti75合金板进行激光焊接，通过调整不同的激光功率来获得全熔透的焊接接头。同时，观察了不同热输入下焊接接头的宏观形貌、微观组织，测试了焊接接头的力学性能和显微硬度，对接头不同部位的组织特征及成形原因进行了分析。结果表明，随着焊接过程中激光功率的增加，焊缝的宽度逐渐变大，在不同热输入下，发现焊接的接头部位均呈现出3个明显的部分，分别为焊缝(WS)、熔合线(FL)以及热影响区(HAZ)，焊接接头发生了动态再结晶；焊接接头的抗拉强度可达到母材水平, 硬度值高于母材。
关键词: 钛合金    激光焊接    显微组织    拉伸性能    显微硬度    
Microstructure and mechanical properties of laser welded Ti75 alloy joint
CAO Shouqi¹, HE Xin¹, LIU Wanrong¹, FENG Jiecai²     
1. School of Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
2. Shanghai Ruirong Laser Welding Technology Co. LTD., Shanghai 201306, China



Abstract: Laser welding of Ti75 alloy plate of 3 mm thick is performed using 10 kW continuous fiber laser. The full penetration welding joint is obtained by adjusting the laser power. The morphologies, and microstructure of the joint obtained under different heat input was examined. The tensile properties and microhardness of the welded joint were tested. The microstructure characteristics and formation mechanism of different locations in the joint were analyzed. The results indicate that, as the laser power increase, the weld width gradually increases. The joint consist of three parts, i.e., welding seam (WS), fusion line (FL) and heat affected zone (HAZ) under different heat input. the joint cross section under different heat input. Dynamic recrystallization occurred in the welding joint. The tensile strength of the welded joint can reach the level of the base material. The hardness of the joint is higher than that of the base material.
Keywords: titanium alloy    laser welding    microstructure    tensile properties    microhardness    
海洋在国家经济发展全局中的地位和作用日益突出，意味着对船舶材料的工艺与性能要求不断提高。钛合金具有强度高、耐热性高和耐蚀性强等特点，广泛应用于船舶制造领域^[1-3]，焊接是其主要的连接工艺。然而，钛合金对焊接工艺要求较高，焊接接头易出现应力集中、组织不均匀等现象，成为影响焊接接头质量的重要因素^[4-6]。相对于其他焊接方式，激光焊接具有能量集中、速度稳定、焊后接头美观等优点，可在海洋工程装备中推广使用^[7]。

Ti75合金是一种具有中等强度、耐腐蚀、高韧性等特点的新型材料，可在船舶建造过程中大范围使用，在提升船舶各方面性能上拥有较好的前景^[8]。现有的激光焊接接头组织研究都是针对其他钛合金材料，针对Ti75合金激光焊接接头组织及力学性能研究的不多。王维新等^[9]对GTi70与TC4异种钛合金材料激光焊缝组织与性能进行了分析，结果表明，脉冲激光焊缝热影响区较窄，母材损伤小，焊缝强度与塑性优于连续激光焊缝。李文杰等^[10]对Ti75合金的焊接工艺进行系统的研究，通过焊接参数调试及优化，获得了接头综合力学性能良好，强度和韧性超过母材水平的焊接接头。奚泉等^[11]对Ti75合金TIG焊接头力学性能进行研究，结果表明，Ti75合金焊接接头的抗拉强度与母材相近, 接头表现出良好的塑性。Wang等^[12]针对TC4钛合金焊接接头，对其组织、力学性能和键合机理进行了研究和探讨。Kumar等^[13]研究了脉冲激光焊接中钛合金热输入对组织和力学性能的影响。探究Ti75合金激光焊接热输入量对焊接接头组织及力学性能的变化规律，对提高钛合金加工工艺具有一定指导意义。

本文采用10 kW的连续光纤激光器对3 mm厚的Ti75合金板进行了激光焊接，研究了激光焊接接头的组织变化情况及其力学性能，为该合金的激光焊接工艺提供一定的参考标准。

1 实验设备及方法实验材料为Ti75合金，尺寸为200.0 mm×100.0 mm×3.0 mm，表 1为材料的化学成分组成，表 2为材料的力学性能。

表1(Table 1)
表 1 实验材料的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of experimental materials ?(wt.%)

AlZrMoFeHOTi

2.92.11.90.040.0070.09余量



表 1 实验材料的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of experimental materials ?


表2(Table 2)
表 2 实验材料的力学性能Table 2 Mechanical properties of experimental materials屈服强度R_eL/MPa抗拉强度R_m/MPa断后延伸率A/%

64074013



表 2 实验材料的力学性能Table 2 Mechanical properties of experimental materials


依据《GBT 19867.4-2008激光焊接工艺规程》，针对3 mm厚的Ti75合金板，采用10 kW的连续光纤激光器进行了激光对接焊。焊接前先把待焊接部位用打磨机和砂纸打磨平整，再用酒精擦拭待焊接部位，待其挥发后进行试验。试验采用KUKA机器人激光焊接系统，如图 1所示。其中KUKA机器人由光纤激光器、机械臂、冷却装置等系统组成。激光器为IPG公司生产，焊接激光头聚焦焦距为382 mm。

图 Figure1(Fig.Figure1)
图 1 KUKA机器人激光焊接系统Fig.1 KUKA robotic laser welding system


实验中保持焊接速度不变，通过调整激光功率得到不同的热输入量，在此基础上进行焊接实验，实验中所使用的激光焊接工艺参数如表 3所示。控制激光器的功率分别为2.7、3.0、3.1和3.3 kW, 分别标号为1#, 2#, 3#, 4#。由式(1)可得，保持焊接速度为2.4 mm/s不变，可得到激光功率在2.7 kW到3.3 kW所对应的热输入为67.5、75.0、77.5和82.5 J/mm。由于试件在焊接过程中与空气接触容易发生氧化反应，所以整个焊接过程中试件的正反面皆采用惰性气体进行保护，选用气体为99.9%氩气，控制氩气的流量在20 min/L左右。

$E = \frac{P}{v}$ (1)

表3(Table 3)
表 3 Ti75合金的焊接参数Table 3 Welding parameters of Ti75 alloy标号激光功率P/kW离焦量D/mm焊接速度v/(mm·s^-1)热输入量E/(J·mm^-1)保护气体/(min·L^-1)

1#2.712.467.599.9%Ar

2#3.012.475.099.9%Ar

3#3.112.477.599.9%Ar

4#3.312.482.599.9%Ar



表 3 Ti75合金的焊接参数Table 3 Welding parameters of Ti75 alloy


式中：E为热输入量；P为激光功率；v为焊接速度。

实验结束后，对焊接接头试样进行机械抛光，再采用体积分数为4.0%的硝酸乙醇溶液进行化学腐蚀，之后进行接头组织观察；按图 2所示，将焊接后的Ti75合金板加工成标准拉伸试样，进行拉伸性能测试；选取焊接接头较好的试件，在试件接头上表面1/3处进行显微硬度测试。

图 Figure2(Fig.Figure2)
图 2 拉伸试样的尺寸(单位：mm)Fig.2 Size of tensile specimen


2 实验结果和分析2.1 接头的外观形状在4种不同大小的激光输入能量下，得到焊接接头外观形状如图 3所示，从图 3可以看出，在热输入量从67.5提高到82.5 J/mm时，所有试件的焊接接头完全被熔透，且接头大部分呈现银白色，小部分出现淡黄色，说明焊缝氧化程度低。焊接接头连续未出现明显的缺陷，成型美观。

图 Figure3(Fig.Figure3)
图 3 不同热输入下接头外观形貌Fig.3 Outer appearance of Ti75 alloy joints with different heat inputs


将焊缝沿着横截面切开，由图 4可以看出，在不同激光功率下，焊接接头形状分为3个不同的部分，焊缝区(WS)、熔合线区(FL)和热影响区(HAZ)。WS是钛合金试件在热输入下变成液体又凝结成固体的部位，HAZ是指在焊接热循环作用下，焊缝两侧的材料还未熔化成液体，但由于热量作用发生明显的组织和性能变化的部位。

图 Figure4(Fig.Figure4)
图 4 不同热输入下接头形貌Fig.4 Joint morphologies with different heat inputs: (a) 67.5 J/mm; (b) 75.0 J/mm; (c) 77.5 J/mm; (d) 82.5 J/mm


在焊接的过程中，钛合金表面的少量材料受热输入的作用发生气化脱离，这些材料的瞬间气化会产生一个作用力作用在试件上，同时，钛合金试件由于热输入作用也会发生液化，产生熔融的液体。随着热输入逐渐增大，钛合金试件发生气化的现象逐步明显，产生的作用力也会逐渐增大，当这些作用力大于钛合金液体向其周围施加的力时，会挤压钛合金液体向周围运动，从而接头表面产生了一些凹陷^[14]。当激光束产生的能量达到一定值时，这些能量能够击穿材料形成气孔，受热量影响产生的金属气体会随之向上和向下迸发，从而在这两个地方造成变形。随着激光能量进一步增加，达到77.5和82.5 J/mm时，此时由于过多的能量摄入，大部分激光能量可以透过整块钛合金板，直至焊接样品的底部，造成焊接部位出现的下塌现象更加明显。

随着热输入的逐渐增大，焊缝的熔宽也逐渐增大，测得4种热输入条件下的熔宽分别是1.90、2.32、2.51和2.85 mm。

2.2 焊缝接头的显微组织1) 母材组织。图 5为Ti75合金的原始显微组织，其主要由两种不同形态的α相组成：等轴α相和片状α相。等轴α相和片状α相这两种形态在显微组织中被称为双态组织，在两种α相之间填充了原始β相。即母材显微组织由等轴α相、片状α相以及少量β相组成，纵向条纹形成一种特色的织构组织。

图 Figure5(Fig.Figure5)
图 5 Ti75合金原始组织Fig.5 Microstructure of as-received Ti75 alloy


2) 焊合区。不同热输入下焊合区的显微组织如图 6所示，焊合区的组织与母材相比发生了较大的变化，该区域形成了针状等轴α相和β相，并且产生了大量的马氏体组织。发生这一转变是由于激光焊接的过程中，在激光束高强度的功率密度下，原始母材粗大的β晶粒受热发生熔化变形，产生了动态再结晶，从而析出α相，形成了等轴晶粒组织。

图 Figure6(Fig.Figure6)
图 6 Ti75合金焊接接头的显微组织Fig.6 Microstructure of Ti75 alloy welded joint under different heat inputs: (a) 67.5 J/mm; (b) 75.0 J/mm; (c) 77.5 J/mm; (d) 82.5 J/mm


Ti75合金激光焊接后焊缝中存在大量的马氏体组织，且随着热输入量的增大数量逐渐增多。该组织是由β相转变而来。图 6中显示的是焊缝典型组织：马氏体和马氏体条。图中片或针片之间残留的黑色组织为残余β相，大量的粗条状马氏体、马氏体条互相交错，并在交错点处停止生长，表现出交错角形态。观察焊缝中的马氏体，其都在晶界处停止生长，快速冷却过程中形成的马氏体与缓慢冷却过程中形成的α相具有相同的结构，二者的主要区别是马氏体在原晶体中停止生长^[15]。

2.3 性能测试及分析2.3.1 拉伸性能焊接接头的力学性能和断裂类型如表 4所示。在热输入量为67.5、75.0和77.5 J/mm时，拉伸试件的断裂位置均未发生在焊接接头的部位，即焊接接头的抗拉强度高于其他部位；当热输入量上升到82.5 J/mm时，此时的断裂位置发生在焊缝。分析其原因认为，随着激光功率的增加，焊接接头的熔宽逐渐变大，接头缺陷逐渐增加，对接头力学性能造成的影响变大，在拉伸过程中会造成焊缝区域发生断裂。

表4(Table 4)
表 4 不同热输入下焊接接头的力学性能Table 4 Mechanical properties of welded joints with different heat input热输入量E/(J·mm^-1)屈服强度R_eL/MPa抗拉强度R_m/MPa断后延伸率A/%断裂位置

67.5641.0711.013.7母材

75.0648.0736.012.8母材

77.5645.0734.013.3母材

82.5617.0679.07.2焊缝



表 4 不同热输入下焊接接头的力学性能Table 4 Mechanical properties of welded joints with different heat input


因此，在合理的热输入下得到的Ti75合金焊接接头，断裂位置发生在母材, 接头的力学性能能达到母材标准，满足性能要求。

2.3.2 显微硬度选取热输入量为75.0 J/mm时的焊接接头进行硬度测试，每隔0.1 mm测试一个数据，得到的横向接头硬度分布如图 7所示。接头硬度在母材最低，热影响区的硬度最高，焊合区的硬度比热影响区的略低。Ti75合金母材的硬度平均值为265HV，熔合线附近的硬度值在315HV左右，焊合区的硬度值则在340HV到380HV之间上下波动，没有出现明显的软化现象。

图 Figure7(Fig.Figure7)
图 7 75.0 J/mm热输入量的接头硬度测试结果Fig.7 Hardness test results of Ti75 alloy joint undern a heat input of 75.0 J/mm


分析原因可知，激光焊接的过程从母材到焊缝的组织是连续变化的，材料在热输入下发生了剧烈变形，材料的马氏体含量增加，导致了硬度上升, 由于焊合区发生了动态再结晶，强化效果变小。所以硬度值从母材到热影响区呈现上升，到焊缝又呈现一定的下降趋势。

3 结论1) 在激光功率3 kW、焊接速度2.4 mm/s，离焦量1 mm的工艺参数下，Ti75合金焊接效果较好，且焊接接头性能较高。

2) 随着焊接热输入量的增大，焊接接头的熔宽逐渐增加，焊接接头明显分为焊缝(WS)、熔合线(FL)和热影响区(HAZ)。母材为等轴α相和少量β相，纵向织构组织；焊合区发生了动态再结晶，呈现针状等轴α相和原始β相。

3) 激光焊接接头在合理的热输入下，拉伸断裂位置位于母材，其抗拉强度为740 MPa左右，满足性能要求。焊接接头的硬度值也高于母材。


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