激光束焊接TC4鈦合金的研究進展引言  圖2.1 （a）焊縫典型的橫截面示意圖。FU：表面填充，RU：根部填充，F(xiàn)U-ρ：表面填充半徑，F(xiàn)Z-W：熔融區(qū)寬度，HAZ-W：熱影響區(qū)寬度; （b）典型橫截面的宏觀圖（1.2kW，42mm / s的焊縫） 研究發(fā)現(xiàn)，所有獲得的焊縫存在底部填充，面和根增強物。焊接形態(tài)嚴格受其中產(chǎn)生它們的焊接機制的影響。特別地，在小孔方式中，隨焊接速度降低，底部和根部填充先增加，后減小。而底部填充半徑或多或少保持恒定。這主要是由于，匙孔長度和兩個側(cè)流會以不同的方式引起底部填充缺陷。匙孔的伸長增加了熔體到達匙孔端的路徑及兩個主熔融流在匙孔端部匯合前的冷卻時間。另一方面，在小孔周圍的熱傳導占優(yōu)勢的焊接方案中，在焊接面和根部表面處，底部填充半徑隨著焊接速度的增加而明顯降低，即其隨比熱輸入升高時增加。這種行為與由較高比熱輸入引起的FZ的加寬有關(guān)，即與較大量的熔融金屬及其較高溫度（較低的粘度和表面張力）有關(guān)。 Nikolai Kashaev等人對Ti-6Al-4V對接接頭和T接頭進行Nd：YAG單面激光焊接工藝進行了研究，使用合金兼容的填充焊絲來避免底部填充和咬邊。他們使用二次回歸建立了“非焊接皮”寬度與激光功率、入射角和入射高度的關(guān)系，通過合理的參數(shù)優(yōu)化，獲得了具有低孔隙率和適當幾何形狀的焊縫。優(yōu)化結(jié)果如圖2.2所示。  圖2.2 “非焊接皮”寬度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系 Ahn等人使用5kW光纖激光器對Ti-6Al-4V的薄片進行全熔透焊接，確定了焊接參數(shù)（包括激光功率，焊接速度和光束焦點位置）對焊接微觀結(jié)構(gòu)，焊縫輪廓和焊接質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，焊接頂部和底部寬度都隨著激光功率的增加和焊接速度的降低而增加。不完全焊透或窄根寬度是在低激光功率和高焊接速度下的主要問題，而咬邊是高激光功率的主要缺陷。不完全焊透是由熱輸入不足造成的，咬邊深度增加主要是由于過多的熱輸入增強了熔融材料從焊接接頭的側(cè)面到焊接中心的蒸發(fā)和排出，沿著焊縫的長度留下類似排水管的印痕。在非?？斓暮附铀俣认?，在底部表面觀察到飛濺。該缺陷隨著激光功率或焊接速度的增加而加強，但是并不影響焊接質(zhì)量。焊接形狀從較低激光功率的V形變?yōu)檩^高激光功率的沙漏形，這是由于傳輸?shù)讲牧蠠彷斎朐黾拥慕Y(jié)果。 2.2 熱影響區(qū)和熔池 Akbari M[17]等人進行了激光焊接鈦合金（Ti6Al4V）的數(shù)值和實驗研究，模擬了溫度分布，熱影響區(qū)（HAZ），熔池的深度和寬度。研究發(fā)現(xiàn)，在恒定的焊接速度下，不同焊接速度的溫度歷史有相似的趨勢。降低焊接速度，溫度圖的峰值增加，并且其最大值出現(xiàn)在較長時間（圖2.3）。  圖2.3 （a）v=3 mm/s, （b）v=6 mm/s, （c）v=9 mm/s , （d）A點對應的所有焊接速度 在每個焊接速度下，溫度分布在接近激光束中心處急劇減小，然后在離激光束中心的較遠區(qū)域中略微減小。 隨著焊接速度的增加，溫度下降，并預測在較小的溫度下，熔池有較小的寬度。熔池的寬度隨焊接速度的增加而降低，且模擬結(jié)果與實驗一致。熔池的深度隨著焊接速度的增加而降低。在功率恒定的情況下，焊接速度的增加導致加熱時間過短，不足以產(chǎn)生顯著的熔池深度。在高焊接速度下，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致。由于在較低速度下，光束在匙孔內(nèi)多次反射，吸收率增加，模擬略微不同于實驗。熱影響區(qū)隨著焊接速度的增加而減小。 Yuewei Ai等人用一種新穎的三維模型模擬了Ti6Al4V焊縫的形成過程并預測其在光纖激光匙孔焊接中的全尺寸，用數(shù)值模型定量計算整個焊道幾何形狀，包括寬度，加強和熔深。研究發(fā)現(xiàn)，模擬可以清楚地展示焊縫的形成和演變過程。模擬結(jié)果表明焊縫加強是由匙孔后面的反沖壓力、溫度梯度和浮力引起的流體流動形成的。計算的熔池寬度和深度以及預測的焊縫形狀都與實驗中的非常一致。實驗和模擬結(jié)果對比見圖2.4。  圖2.4實驗和模擬結(jié)果對比 3 工藝參數(shù)對焊縫組織的影響 Akman等人研究了焊接參數(shù)對Ti6Al4V微觀組織特征的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在熱影響區(qū)和焊接金屬中，晶粒尺寸隨著平均功率的增加而增大（圖3.1）。這是由于在較高平均功率下，熱輸入增加。  圖3.1 （a）474 W, 162.5 um；（b）543 W, 275 um；（c）555 W, 350 um Squillace等人研究了激光功率和焊接速度對Ti6Al4V組織的影響。研究表明，在冷卻過程中，熔融區(qū)的β樹枝晶沿熱流方向生長。對于最大和最小的熱輸入，沒有從初生β晶粒產(chǎn)生α，而是全部的α'。這主要是由于板材比較薄，即使對于較低的熱輸入條件，也導致較快冷卻速率，其冷卻速率均高于410℃/ s的臨界冷卻速率，因而允許形成全馬氏體。其組織如圖3.2所示。  圖3.2 FZ的組織：（a）0.8kW，17mm / s,（b）1 kW，50mm / s, （c）是b中的馬氏體結(jié)構(gòu) 熱影響區(qū)的微觀組織由針狀馬氏體α'和原始α的混合物組成。其對應于Ti-6Al-4V合金從低于β轉(zhuǎn)變溫度淬火的特征，其中獲得α到β的完全轉(zhuǎn)變（圖3.3）。最高冷卻速率發(fā)生在鄰近FZ的熱影響區(qū)，與FZ的距離不同，HAZ區(qū)達到不同的溫度，并且經(jīng)歷不同的冷卻速率。因此，在HAZ內(nèi)部，微觀組織從焊縫附近的富α'區(qū)域演變?yōu)榻咏畹蜏囟群屠鋮s速度的近BM區(qū)域的貧α'區(qū)。α'含量的梯度取決于引起該狹窄區(qū)域產(chǎn)生凝固梯度的溫度和冷卻速率梯度。 圖3.3 1kW，50mm / s下的HAZ顯微組織。（a） HAZ的放大;箭頭指向從FZ相鄰的富含α'區(qū)域到BM附近的貧α'區(qū)域。（b）HAZ / BM界面（HAZ位于右側(cè)）的微觀組織。（c）b的放大。 4 工藝參數(shù)對力學性能的影響 Squillace等人研究了焊接速度和激光功率對Ti–6Al–4V力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在激光功率恒定時，F(xiàn)Z區(qū)的平均硬度隨著焊接速度的增加而增加；隨著熱輸入的增加而降低。硬度梯度（FZ、BM與HAZ之間的硬度差寬度的比率）與熱輸入成反比。由于HAZ的微觀組織不均勻，數(shù)據(jù)非常散射。熱輸入越低，HAZ寬度數(shù)據(jù)越分散。 與基體相比，焊縫可以達到類似的拉伸性能（表4.1），但是FZ區(qū)中較硬的馬氏體嚴重影響了其塑性。 表4.1激光焊接Ti–6Al–4V的拉伸性能 Fan等人使用三種不同類型的激光器，即Nd：YAG，二極管和光纖激光器進行Ti–6Al–4V的焊接。研究表明Nd：YAG激光器加工后的焊接質(zhì)量高于用光纖激光器或二極管激光器產(chǎn)生的焊縫。三種焊接類型的硬度值非常相似。但是強度和塑性不同，這主要是受到不同類型孔的焊接缺陷的影響。三種焊接形式的力學性能如表4.2所示。 表4.2三種焊接形式的力學性能 5 激光焊接鈦合金存在的問題 結(jié)合鈦合金的焊接性能以及目前的研究現(xiàn)狀，可知氣孔是鈦合金焊接時一個主要問題。 氣孔的形成主要是由以下幾點引起的：（1）局部蒸發(fā)引起保護氣的侵入；（2）合金元素的燒損；（3）激光焊接合金時，在冷卻過程中由于氫在合金中的溶解度急劇下降會形成氫氣孔。 另外，激光焊接屬于近快速凝固過程，快冷快熱使得焊接鈦合金時，形成內(nèi)部的殘余應力。并且，鈦合金塑性比較好，因此在熔焊過程中易產(chǎn)生變形，特別是進行5mm以下的薄板焊接時。 5.1 氣孔 Panwisawas C[21]等人用一個包含熱傳遞、流體流動和界面相互作用的，針對匙孔焊接的物理模型來模擬激光焊Ti-6Al-4V期間匙孔和氣孔的形成。該研究認為，由于在合金中氫的含量比較低，因此，由氫誘導的氣孔非常小。這個CFD模型是用針對性的實驗和后續(xù)的決定氣孔缺陷存在，位置以及尺寸的氣孔缺陷的熔池區(qū)域的焊接分析來驗證的。研究發(fā)現(xiàn)，板厚會影響氣孔，板越厚，加工誘導的氣孔越多。這可能是因為當熱源經(jīng)過時，任何已經(jīng)形成的或者封閉的蒸汽或者氣體會更進一步穿過材料，從板面逸出。當激光功率一定時，氣孔的數(shù)量隨焊接速度的增大而減少（圖5.1）。這是因為功率一定時，熱源前進的速度越慢，熱量在材料局部消散的就越多，這將導致在熔融區(qū)域內(nèi)形成更復雜的流體流線系統(tǒng)，從而允許捕獲更多的氣孔。加工誘導的氣孔依賴于三種工藝參數(shù)，板厚，激光功率以及掃描速度。在厚板和高能量密度的條件下，孔出現(xiàn)的幾率更大。并且氣孔主要是球形的，沿焊接線分布，直徑為0.38 – 1.16 mm。 圖5.1能量密度對氣孔的影響 該模型可以預測焊接表面的變形和孔的出現(xiàn)位置（圖5.2）。 圖5.2模擬和實驗的對比 該研究認為，孔形成的一個可能的機制就是加工誘導產(chǎn)生的。由于兩種金屬表面的粗糙或不整潔或任何的有氧或者氫的化學反應，熱流體可以引起循環(huán)流動，并且在快速波動過程中通過捕獲匙孔界面的氣泡來平衡表面張力，因此就形成了氣孔。 Baohua Chang等人針對Ti-6Al-4V的全熔透激光焊接開發(fā)了計算流體力學模型。并用基于對熔池中的匙孔行為和流體流動特性的預測來分析孔的形成機理。模擬結(jié)果表明，當使用給定的激光束聚焦光學器件焊接3mm厚的鈦合金板時，在形成深熔透匙孔之前，匙孔深度振蕩，但是不能模擬預測之后的匙孔塌陷。對于較低功率，較低速度的焊接，匙孔后面的流體流動是湍流和不穩(wěn)定的，并且形成渦流。預測熔融金屬從熔池的中心面流走，并且在熔池中，匙孔的后面留下間隙或空隙。對于較高功率，較高速度的焊接，流體流動并不湍急，不形成這種渦流。模擬預測的工件表面處的流體流速如圖5.3。 圖5.3工件表面處預測的流體流速（3.0kW，2.5m / min） 該研究認為，匙孔激光焊接時，氣孔可能是匙孔后面流體湍流的結(jié)果，相關(guān)的雷諾數(shù)越大，氣孔形成的可能性就越高。對于這種流體流動控制的氣孔，降低匙孔附近流體流動的雷諾數(shù)，可以有效地減少或避免氣孔。 Jianglin L. Huang等人研究了熔焊過程中，鈦及其合金中孔的形成機理。提出了氫擴散控制的氣孔生長模型，以量化氫對鈦焊縫中氣孔的影響。研究表明，穩(wěn)定的小孔，窄的熔化前沿和較好的光束對準可以最大程度減小鈦合金焊接過程中的氣孔。 5.2 殘余應力和變形 Ahn等人研究了2.0mm厚的鈦合金Ti-6Al-4V薄板，在光纖激光焊接期間，由于依賴時間和局部加熱引起的殘余應力和變形。殘余應力的分布如圖5.4所示。在遠離焊縫的部分中，縱向應力在具有弱壓縮應力場的拉伸焊接區(qū)域及附近為最大。橫向和法向應力在FZ處于最大值，并且具有拉伸性質(zhì)，在焊縫附近具有壓縮，遠離焊縫的地方，幾乎沒有應力。由于焊縫中心線對稱，所有三個主應力都是對稱的。 圖5.4殘余應力分布：（a）在所有三個主要方向上，在焊縫附近的整個寬度上，（b）橫向（11），縱向（22）和具有及不具有相變的法線方向 關(guān)于變形的模擬結(jié)果如圖5.5所示。平面失真關(guān)于焊縫中心線對稱，在焊接開始和結(jié)束位置處接近零，在樣品長度中間的外邊緣上最大。模擬角位移略大于來自CMM測量的實驗結(jié)果，而模擬的翹曲位移在靠近板的邊緣處較小，并且朝向中心較大。 圖5.5模擬（a）翹曲，（b） 有和沒有相變的平面失真角度的大小 吉沐園等人采用專用焊接夾具對焊件進行夾緊定位，從而對激光焊接變形進行控制，研究表明，通過使用夾具對整個工件進行剛性約束和反變形約束,變形量明顯減小，與用殘余塑變理論計算出的值基本吻合，工件滿足焊接要求。通過對實例的分析，表明對于簡單構(gòu)件的激光焊接，殘余塑變理論可以用來預測變形，反變形法是控制焊接變形的有效方法。 湖南大學的劉西霞]等人提出了一種采用被液氮冷卻后的氬氣對焊接時激光熱源的后部進行跟隨激冷，以實現(xiàn)焊接過程中變形主動控制的隨焊氣體動態(tài)冷卻方法，簡稱 SGCW。結(jié)果表明：SGCW 試件的翹曲變形與殘余等效應力均比常規(guī)激光焊試件小，變形控制效果最好。 6 總結(jié)與展望 激光焊接Ti-6Al-4V過程中，氣孔出現(xiàn)位置隨機，但是通過以下途徑可以盡量減少氣孔： a、用高純度（99.9%）的氬氣進行焊接；b、焊前清洗；c、合適焊接規(guī)范（可以通過模擬來降低試驗成本）。 需要系統(tǒng)研究焊縫中氣孔的產(chǎn)生機理及氣孔類型，為有效地減小甚至消除氣孔提供理論依據(jù)。 在熔焊過程中，薄板的變形不可避免，但是在條件允許的情況下，可以通過合理的設(shè)計板厚或者控制熱輸入來減小甚至消除變形。 由于激光焊接具有能量密度大，焊接速度快，定位精準，焊接熱影響區(qū)小，變形小，深寬比大，無夾雜等缺陷，目前已經(jīng)廣泛應用于鈦合金的焊接中。在焊接過程中，激光功率、焊接速度、焦點位置、激光功率密度等工藝參數(shù)會影響熱影響區(qū)、熔池的寬度和深度，有時會產(chǎn)生咬邊等缺陷，進而影響焊縫形貌。不同的工藝參數(shù)會形成不同的焊縫組織，盡而顯著影響力學性能。另外，激光焊接屬于近快速凝固過程，快冷快熱使得焊接鈦合金時，形成內(nèi)部的殘余應力。并且，鈦合金塑性比較好，因此在熔焊過程中易產(chǎn)生變形，特別是進行5mm以下的薄板焊接時。盡管激光焊接過程中也會產(chǎn)生氣孔和變形等缺陷，但是通過模擬計算，設(shè)置合理的工藝參數(shù)，可以減小甚至消除氣孔和變形。因此，激光焊接鈦合金在工業(yè)上具有較好的應用前景。
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