激光(guang)-MIG焊(han)接(jie)工艺(yi)参(can)数对(dui)低(di)成本钛(tai)合金(jin)焊缝成(cheng)形(xing)的(de)影(ying)响(xiang)

前言

近(jin)年(nian)来(lai)，钛合金(jin)在国防(fang)军(jun)工行业(ye)中(zhong)应用(yong)越来(lai)越广泛(fan)[1−3]。钛合金是(shi)有(you)效减轻武器装(zhuang)备重量的(de)理想(xiang)防护(hu)材(cai)料，可以满足武器装备(bei)的(de)轻量(liang)化、高(gao)机(ji)动(dong)性的(de)特(te)殊(shu)需求(qiu)。然而相(xiang)对于(yu)普通(tong)材(cai)料而(er)言(yan)，较高(gao)的(de)使(shi)用(yong)成本成为了制(zhi)约(yue)钛合(he)金(jin)应(ying)用的(de)一个因素(su)[4−7]。因(yin)此(ci)，国(guo)内相关(guan)企(qi)业针(zhen)对(dui)性开发DMJDPTKTY低成(cheng)本TC4钛(tai)合金板材，牌(pai)号为TC4LCA，在(zai)满足力(li)学(xue)性(xing)能指(zhi)标(biao)基(ji)础上，降低(di)材料(liao)成本(ben)，满足(zu)其(qi)大(da)规模(mo)推广应(ying)用需求。目(mu)前(qian)，针(zhen)对低(di)成本钛合(he)金的(de)研(yan)究(jiu)主(zhu)要集中(zhong)于(yu)板材(cai)力(li)学性能(neng)研(yan)究(jiu)以(yi)及(ji)板(ban)材(cai)TIG焊(han)接(jie)等(deng)传(chuan)统(tong)焊(han)接方法(fa)研(yan)究(jiu)等(deng)方(fang)面(mian)。针(zhen)对高效(xiao)焊接(jie)工(gong)艺方法及(ji)焊(han)接(jie)接(jie)头(tou)组(zu)织(zhi)性能的(de)研究还(hai)有(you)待深入(ru)[8−11]。激光(guang)−MIG复合焊接是(shi)一种高(gao)速(su)、高效(xiao)的(de)焊(han)接(jie)技术(shu)，对中(zhong)厚(hou)板(ban)来(lai)说(shuo)可(ke)以显著降(jiang)低(di)热输(shu)入(ru)、减(jian)少焊(han)接变(bian)形带(dai)来的不(bu)利影响。目前(qian)，国内有(you)部(bu)分(fen)中厚板(ban)TC4钛(tai)合金(jin)激光(guang)−MIG复(fu)合(he)焊接的研究(jiu)[12]，但是(shi)对(dui)成(cheng)分变(bian)化(hua)的(de)TC4LCA低(di)成本(ben)钛合金板(ban)材(cai)的激(ji)光(guang)复合(he)焊接研究(jiu)较少(shao)。以下在(zai)分(fen)析板材(cai)成分及(ji)力(li)学性(xing)能基础(chu)上，重点研究(jiu)和分析激光(guang)−MIG复(fu)合焊接工(gong)艺(yi)参数(shu)、接(jie)头成形规律(lv)及力学(xue)性(xing)能(neng)，为低成本钛(tai)合金(jin)的焊接工艺制(zhi)定、焊缝力学性能(neng)评价及(ji)进一步(bu)推(tui)广提供(gong)理(li)论(lun)依(yi)据和科学(xue)参考(kao)。

1、试(shi)验材(cai)料(liao)及方法

试(shi)验材(cai)料为低成(cheng)本(ben)钛(tai)合(he)金(jin)。试(shi)板(ban)规格为500mm×150mm×10mm。进行(xing)板材(cai)对(dui)接焊(han)。焊丝(si)选(xuan)用(yong)低成(cheng)本钛(tai)合金焊(han)丝，直(zhi)径(jing)1.2mm；保(bao)护(hu)气(qi)体(ti)采用(yong)99.999%高纯(chun)氩(ya)气(qi)。母材(cai)成分见(jian)表1。焊(han)丝化学成(cheng)分见(jian)表2。

焊(han)接时采用激(ji)光−MIG复(fu)合焊工(gong)艺，机(ji)器(qi)人系(xi)统为(wei)KUKAKR16机器人系统，激(ji)光器为(wei)IPG公司出(chu)产的10kW光(guang)纤(xian)激光器(qi)，激光(guang)器参数见(jian)表(biao)3，对(dui)低(di)成(cheng)本(ben)钛合金(jin)板进行(xing)激光(guang)复(fu)合(he)焊接(jie)。

焊(han)接(jie)坡口示(shi)意(yi)图(tu)如图(tu)1所(suo)示(shi)，接头(tou)形式(shi)为(wei)对(dui)接，钝边(bian)为4mm，坡(po)口(kou)角(jiao)度为(wei)60°。分别(bie)进(jin)行(xing)不(bu)同(tong)参(can)数的(de)打(da)底(di)焊接(jie)与盖(gai)面(mian)焊接，观(guan)察(cha)不(bu)同(tong)参数下(xia)的焊缝形貌，并进行性能(neng)测(ce)试(shi)。焊前采用(yong)激光清(qing)理方法(fa)将坡(po)口及两(liang)侧50mm范(fan)围(wei)内清理干净。使(shi)用高纯(chun)氩作(zuo)为(wei)保护气(qi)体(ti)，保护气(qi)体流量为18L/min。完(wan)成(cheng)单层单(dan)道打底(di)焊接和盖(gai)面焊(han)接。焊后(hou)在试板(ban)上截取(qu)试(shi)块(kuai)制备(bei)金(jin)相(xiang)试(shi)样。金(jin)相(xiang)采用HF+HNO₃混合(he)溶液(ye)进(jin)行腐(fu)蚀，并进(jin)行(xing)显微(wei)组织(zhi)观察(cha)，随(sui)后(hou)进(jin)行(xing)接头拉伸(shen)试验(yan)。

2、试(shi)验(yan)结(jie)果及(ji)分析

2.1　打底(di)焊(han)接(jie)参数

2.1.1　光(guang)丝(si)间(jian)距

光(guang)丝间(jian)距(ju)直接(jie)决定(ding)了(le)激光(guang)热源与(yu)电(dian)弧(hu)热(re)源之间的(de)耦合作用(yong)情况(kuang)，是(shi)激(ji)光(guang)−电(dian)弧(hu)复(fu)合(he)焊(han)的(de)一(yi)个重要(yao)参数(shu)，对打(da)底(di)焊(han)过(guo)程的(de)稳定性(xing)和焊缝成形(xing)都有(you)很(hen)大(da)影(ying)响(xiang)。分别设置光丝间距为0mm，2mm，4mm进(jin)行焊(han)接。图(tu)2为(wei)不同(tong)光丝(si)间(jian)距(ju)的(de)焊(han)缝(feng)成形(xing)。光(guang)丝(si)间(jian)距为0mm时，焊(han)缝成(cheng)形较(jiao)差，工件(jian)背面(mian)无(wu)法(fa)焊(han)透。光(guang)丝间距(ju)增(zeng)大到2mm，4mm时，飞(fei)溅减小(xiao)，焊(han)缝(feng)成形逐(zhu)渐稳(wen)定(ding)，无(wu)未焊透缺陷(xian)。

2.1.2　激光功率(lv)

打(da)底(di)焊(han)的(de)主要作(zuo)用(yong)是焊(han)透钝边，在激光(guang)−电(dian)弧复合焊接(jie)过程中(zhong)，熔(rong)深大部分(fen)由激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)决(jue)定(ding)。图3为(wei)焊(han)接速度1.0m/min下，激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)分(fen)别(bie)为(wei)2.6kW，3.0kW，3.4kW时(shi)的(de)焊(han)缝(feng)截面。可(ke)观察到(dao)，焊(han)缝(feng)熔(rong)深随(sui)着(zhe)激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)显著(zhu)提高，激光功率(lv)过大在3.4kW时(shi)会(hui)导(dao)致熔池(chi)塌陷，焊(han)缝(feng)背面余(yu)高(gao)增(zeng)加，正面形貌(mao)没(mei)有较(jiao)大变(bian)化，但同样(yang)向下塌(ta)陷(xian)。

2.1.3　电弧(hu)电流(liu)

图4为打底(di)焊(han)电弧电流(liu)分别为120A，150A，180A时(shi)的(de)焊缝(feng)成(cheng)形(xing)对(dui)比(bi)。当(dang)电(dian)弧电(dian)流(liu)为120A时，复(fu)合(he)焊(han)能量刚好(hao)可使(shi)熔池(chi)深度(du)达到背面，但处于熔透的临(lin)界状(zhuang)态(tai)，并(bing)不(bu)稳(wen)定(ding)。当(dang)电(dian)弧电流(liu)为150A时，由(you)于复合(he)能(neng)量(liang)增(zeng)强(qiang)，焊缝(feng)熔深增(zeng)加，且焊缝形(xing)态(tai)为(wei)典型(xing)的激光−电(dian)弧(hu)复合(he)焊形(xing)貌(mao)，截面呈“高(gao)脚杯”状。当电弧电(dian)流为180A时(shi)，电(dian)弧能(neng)量的过大，焊(han)丝(si)填(tian)充量(liang)增加(jia)，表现(xian)为熔(rong)深(shen)有所(suo)下降(jiang)，熔(rong)池高(gao)度增(zeng)加，坡(po)口两侧凹(ao)陷被(bei)熔融(rong)金(jin)属(shu)回(hui)填(tian)，表(biao)面变得平滑(hua)。

2.1.4　焊(han)接(jie)速(su)度

焊接(jie)速度的(de)大(da)小(xiao)直(zhi)接反映了一(yi)种焊接(jie)方(fang)法生(sheng)产(chan)效(xiao)率的(de)高(gao)低(di)，且焊接速度与(yu)热输(shu)入呈反(fan)比(bi)，是决(jue)定焊(han)缝(feng)形貌(mao)的(de)主要(yao)因(yin)素(su)之(zhi)一。分(fen)别进(jin)行(xing)焊(han)接(jie)速度为0.8m/min，1.0m/min，1.2m/min的(de)焊(han)接(jie)试验。由(you)图(tu)5可(ke)知(zhi)，焊接(jie)速度为(wei)0.8m/min时(shi)，由(you)于热(re)输入(ru)较(jiao)大(da)，焊缝的熔(rong)宽(kuan)较大(da)，焊(han)缝(feng)塌陷明显(xian)，背面(mian)余(yu)高较(jiao)大(da)；随(sui)着(zhe)焊(han)接(jie)速度(du)的(de)增(zeng)大(da)，背(bei)面焊(han)缝余高逐(zhu)渐减(jian)小(xiao)，表(biao)面(mian)坡(po)口两(liang)侧(ce)的母(mu)材(cai)熔(rong)化量减(jian)少，可见(jian)焊缝(feng)两侧(ce)由(you)电弧(hu)加(jia)热导(dao)致的缺(que)口(kou)逐(zhu)渐减(jian)小(xiao)直至消失，表面(mian)变(bian)得更平(ping)滑；焊(han)缝宽度(du)随着(zhe)焊接(jie)速(su)度(du)的(de)増(zeng)大而(er)逐(zhu)渐(jian)减(jian)小(xiao)。焊接(jie)速(su)度过大(da)，达(da)到1.2m/min时(shi)，焊缝最窄，且(qie)焊缝背(bei)面余高(gao)和(he)熔宽(kuan)均(jun)逐渐(jian)减小(xiao)甚(shen)至(zhi)出现(xian)熔合(he)不(bu)良的现(xian)象(xiang)。

2.2　盖(gai)面(mian)焊(han)接(jie)参数(shu)

2.2.1　电(dian)弧能量(liang)输(shu)入

在盖(gai)面(mian)焊中，由(you)于激光功(gong)率较(jiao)小，仅(jin)为(wei)0.5～1.0kW，因(yin)此，主(zhu)要影(ying)响因(yin)素为电(dian)弧(hu)参数，包(bao)括(kuo)电(dian)弧(hu)电(dian)流(liu)、焊(han)接速度、盖(gai)面(mian)层数等(deng)。图(tu)6为(wei)采(cai)用大电(dian)流（250A）填(tian)充(chong)后(hou)的(de)焊缝(feng)，由(you)于电(dian)弧体积(ji)较(jiao)大(da)，大电流(liu)填充(chong)并没有(you)将坡(po)口(kou)填(tian)充完(wan)成，反(fan)而(er)由(you)于(yu)过大(da)的电弧热(re)输(shu)入(ru)和影响(xiang)范围(wei)，导(dao)致坡口附(fu)近母材大量(liang)熔(rong)化，在(zai)该(gai)道(dao)焊缝(feng)填(tian)充(chong)后(hou)使(shi)得(de)坡(po)口扩(kuo)大(da)，并(bing)无法(fa)通(tong)过二(er)次填(tian)充(chong)获(huo)得良好(hao)的(de)焊缝(feng)成形。

因(yin)此，对于4mm钝(dun)边(bian)下(xia)的(de)对接接(jie)头应采用(yong)两道(dao)填充(chong)的方式(shi)，填充层电(dian)流约(yue)为180～220A，焊接速度(du)约(yue)为(wei)0.4～0.6m/min。

2.2.2　焊(han)接(jie)速(su)度

图7为采(cai)用(yong)不同焊接(jie)速度(du)进行填充焊(han)获(huo)得(de)的(de)焊(han)缝正面成(cheng)形(xing)，可以(yi)看到(dao)，在焊(han)接速度(du)与电弧(hu)电流满(man)足(zu)坡口宽度(du)的情况下(xia)均可实现良好(hao)的(de)填充，随(sui)着焊接速(su)度(du)的(de)降低，焊缝宽(kuan)度显(xian)著增(zeng)加(jia)，同时(shi)由于焊(han)丝大量熔(rong)化(hua)和焊接速度过慢(man)造(zao)成填(tian)充量的不(bu)稳(wen)定，焊缝(feng)宽度(du)有(you)较大的变化(hua)，且(qie)过大的热(re)输(shu)入会(hui)软(ruan)化(hua)焊(han)缝(feng)组(zu)织(zhi)，降(jiang)低(di)接头(tou)力学性能。因此，采用0.6m/min的焊(han)接(jie)速度(du)进行(xing)填充(chong)更适(shi)合。

2.2.3　激光(guang)功率

在(zai)盖(gai)面焊(han)中(zhong)，激光(guang)热源主(zhu)要起(qi)到(dao)引导并(bing)稳定电弧的(de)作用，应选用(yong)较(jiao)小的功(gong)率(lv)。如(ru)图8所示(shi)，激(ji)光功(gong)率(lv)为0.5kW时电(dian)弧状态不(bu)稳(wen)定，可(ke)以看到焊(han)缝周(zhou)边有大(da)量飞(fei)溅(jian)。而激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)增(zeng)加(jia)到1.0kW后(hou)，电(dian)弧(hu)较为稳定，焊缝两侧(ce)飞(fei)溅(jian)减(jian)少(shao)。

2.3　焊缝宏观(guan)形(xing)貌

图(tu)9为(wei)采(cai)用(yong)优化(hua)参数进行(xing)填(tian)充焊(han)接的(de)低(di)成(cheng)本(ben)钛合(he)金(jin)激(ji)光(guang)−MIG焊接接头焊缝(feng)横截(jie)面，焊(han)缝(feng)宏观(guan)成形良(liang)好(hao)，且(qie)无(wu)裂(lie)纹(wen)、气(qi)孔(kong)、咬(yao)边等(deng)缺(que)陷。

2.4　接(jie)头(tou)性(xing)能(neng)

图(tu)10是(shi)母材(cai)与接头(tou)抗拉强(qiang)度(du)与断(duan)后伸长率的对(dui)比(bi)，试验所得(de)母材抗拉强(qiang)度为1114MPa，断(duan)后(hou)伸长(zhang)率为(wei)12.4%；而(er)平板(ban)对(dui)接(jie)接(jie)头抗(kang)拉(la)强(qiang)度为1089MPa，断后伸(shen)长(zhang)率为(wei)5.6%。接(jie)头抗拉(la)强(qiang)度(du)达(da)到母材(cai)的(de)97.8%。

图11为(wei)断(duan)裂于(yu)母材区(qu)域(yu)的(de)接(jie)头断(duan)口形貌(mao)。其(qi)中(zhong)图11(a)为断(duan)口的宏观形(xing)貌，可(ke)以观察到断面(mian)处面积(ji)相(xiang)对底(di)部(bu)区域(yu)变小(xiao)，存在(zai)明(ming)显(xian)的颈缩(suo)现(xian)象(xiang)。

图(tu)11(b)和(he)11(c)分(fen)别(bie)为A区和B区(qu)的(de)断面(mian)形貌，断(duan)口处(chu)观察(cha)到大量(liang)细小的等(deng)轴(zhou)韧窝(wo)。该现(xian)象(xiang)表明(ming)在断(duan)裂(lie)前接(jie)头(tou)发(fa)生了(le)塑性(xing)变(bian)形(xing)，为典(dian)型(xing)的韧(ren)性断裂(lie)。

图12与(yu)图13为(wei)同一接(jie)头断(duan)裂(lie)后断(duan)面(mian)的(de)上部(bu)和下(xia)部区域(yu)，观察(cha)到(dao)上下两部分(fen)具(ju)有(you)不(bu)同的(de)断(duan)裂(lie)特(te)征，因(yin)此分别(bie)进(jin)行分析。

图12中(zhong)断(duan)面为(wei)焊缝断(duan)裂(lie)的(de)上部区(qu)域，观(guan)察(cha)到(dao)图(tu)12(a)中大量(liang)的气孔，证(zheng)明(ming)焊接过程(cheng)中气(qi)孔(kong)未能(neng)及(ji)时从(cong)熔(rong)池(chi)中(zhong)溢出，大量气孔集(ji)中(zhong)于焊缝上(shang)部，对(dui)于接(jie)头强度产生了(le)不(bu)利影(ying)响，图(tu)12(b)中(zhong)展(zhan)现了典型(xing)的(de)准解(jie)理断(duan)裂的(de)特(te)征，断口(kou)处存在(zai)着台(tai)阶状(zhuang)花(hua)样(yang)，同时存在准解(jie)理(li)小平(ping)面(mian)区域和韧窝(wo)区域，证(zheng)明了上部(bu)区域的混合(he)断(duan)裂模式。图(tu)12(c)和(he)图(tu)12(d)为(wei)D区和E区形貌(mao)，可以(yi)观(guan)察到细小(xiao)的(de)撕(si)裂(lie)韧(ren)窝，且具有(you)一(yi)定(ding)的(de)深度(du)。

图(tu)13(a)为断(duan)裂(lie)面的(de)下部(bu)区域(yu)，证明在(zai)焊缝下部(bu)气(qi)孔(kong)较(jiao)少(shao)，但同(tong)样(yang)存在(zai)着台(tai)阶(jie)状(zhuang)花(hua)样、准解理平(ping)面(mian)及韧(ren)窝(wo)，图13(c)和(he)图13(d)中(zhong)可以观察(cha)到大量的(de)撕(si)裂(lie)韧窝(wo)。相(xiang)比(bi)上部(bu)区(qu)域(yu)，焊(han)缝下部区域(yu)存(cun)在(zai)的准解(jie)理平面(mian)比(bi)例更(geng)大(da)，有更多(duo)的脆性断裂特(te)征。该接头(tou)断裂时，在不同部位产生(sheng)解理(li)裂(lie)纹核，并扩展(zhan)为(wei)解理(li)小平(ping)面，最(zui)终(zhong)以(yi)塑性(xing)方式撕裂。

3、结论(lun)

（1）对于TC4LCA对(dui)接接头(tou)，坡(po)口形(xing)式为(wei)Y形，坡(po)口角(jiao)度(du)60°，钝边厚度为(wei)4mm，在(zai)光丝间(jian)距为(wei)4mm，激(ji)光(guang)功率(lv)为3.0kW，焊(han)接(jie)速(su)度(du)为1m/min，MIG电(dian)弧电流为150A的条件(jian)下(xia)，能(neng)够(gou)获得(de)成形(xing)良(liang)好的打(da)底层(ceng)焊(han)缝(feng)。

（2）在(zai)激(ji)光功率为1.0kW，焊(han)接(jie)速(su)度(du)为0.6m/min，MIG电(dian)弧电(dian)流(liu)为200A的(de)条件(jian)下，两(liang)次填充(chong)能(neng)够获得成(cheng)形(xing)良(liang)好(hao)的盖(gai)面(mian)层(ceng)焊缝(feng)。

（3）激(ji)光(guang)−MIG复合焊接对(dui)接(jie)接头(tou)宏观(guan)无(wu)裂纹(wen)、气孔(kong)等缺陷，抗(kang)拉强度(du)为(wei)1089MPa，达到(dao)母材的97.8%；断(duan)裂(lie)于(yu)母(mu)材(cai)区(qu)域的(de)接头断口(kou)为(wei)韧(ren)性(xing)断(duan)裂，焊(han)缝区(qu)域(yu)断(duan)口(kou)呈现准解(jie)理(li)断裂和(he)韧(ren)性(xing)断裂(lie)的混合(he)特(te)征(zheng)。

参(can)考(kao)文(wen)献

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第(di)一作(zuo)者(zhe)：　刘政，硕(shuo)士，工程(cheng)师；主(zhu)要(yao)从(cong)事(shi)高(gao)强(qiang)钢及(ji)钛合金(jin) 焊(han)接工(gong)艺研究；liu15154428016@http://www.gzhwkf.com。

通(tong)信(xin)作者：　高金(jin)良，学士(shi)，高(gao)级(ji)工(gong)程(cheng)师(shi)；主(zhu)要(yao)从(cong)事(shi)高(gao)强钢及(ji) 有色金属焊(han)接工艺(yi)研究；已发(fa)表(biao)论文(wen) 10 余(yu)篇；12611419@http://www.gzhwkf.com。

 本文引用格(ge)式(shi)：

刘(liu)政, 高(gao)金(jin)良, 宋旭杰, 等. 激(ji)光−MIG 焊(han)接(jie)工艺参(can)数(shu)对低成本(ben)钛合金焊(han)缝(feng)成(cheng)形(xing)的影响(xiang)[J]. 焊接, 2024（12）：74 − 80. 

Liu Zheng, Gao Jinliang, Song Xujie, et al. Effect of laser-MIG welding parameters on formation of low-cost titanium alloy weld[J]. Welding & Joining, 2024（12）：74 − 80.