張 峰,杜永勤,祝曉輝,李瑞峰,葉昕寧,祁 凱

(1.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003) (2.南京寶色股份公司, 南京211178)

商業(yè)純鈦中應(yīng)用最為廣泛的是工業(yè)純鈦TA2,其具有優(yōu)異的耐蝕性和比強(qiáng)度,特別是對(duì)氯離子具有較強(qiáng)的耐蝕性[1]．在與氯離子接觸的設(shè)備中,為了避免接觸部分發(fā)生腐蝕,對(duì)材料的選擇非常嚴(yán)格．因此,使用工業(yè)純鈦TA2作為設(shè)備制造的原材料,不僅可以延長設(shè)備壽命還能降低維護(hù)成本,具有較高的經(jīng)濟(jì)意義．

目前,鈦及鈦合金的焊接一般采用鎢極氬弧焊、等離子弧焊和激光焊等[2-4],由于激光焊接具有能量集中、熱輸入小、焊縫成形好、生產(chǎn)效率高等顯著優(yōu)勢(shì)[5],因此,激光焊接必將成為鈦及鈦合金焊接研究今后的主導(dǎo)方向[6]．但激光焊接接頭中氣孔的存在是激光焊接中較為常見的缺陷,文獻(xiàn)[7]研究激光焊接不銹鋼時(shí)發(fā)現(xiàn),焊縫內(nèi)部氣孔形成的主要原因是從熔池上方和底部卷入空氣所致,提出加強(qiáng)正面保護(hù)和采用背面止口的辦法來消除氣孔．文獻(xiàn)[8]對(duì)鋁合金激光深熔焊氣孔形成機(jī)理進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋁合金激光自熔焊焊縫中存在分布特征和形貌特征不同的兩類氣孔,即冶金類氣孔和工藝類氣孔．文獻(xiàn)[9]對(duì)鈦合金激光未穿透焊氣孔形成的機(jī)理進(jìn)行了研究,根據(jù)氣孔的位置分布及尺寸大小,提出將鈦合金激光焊接氣孔分為I型氣孔和II型氣孔,并闡述了未穿透激光焊接過程中I型氣孔形成的機(jī)理．文獻(xiàn)[10]研究了鈦合金在熔化焊過程中形成氣孔的機(jī)理,發(fā)現(xiàn)即使在焊縫中氫含量很高,當(dāng)焊接時(shí),焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)接接頭端面完美對(duì)齊,焊縫中產(chǎn)生的氣孔可以得到控制．國內(nèi)外對(duì)激光焊接鈦合金過程中產(chǎn)生氣孔問題[11-12]的研究較多,但對(duì)工業(yè)純鈦激光自熔焊的基礎(chǔ)性研究較少,且尚無關(guān)于其過程中產(chǎn)生氣孔問題的相關(guān)報(bào)道．

文中采用光纖激光焊接自熔焊對(duì)接2 mm厚的工業(yè)純鈦TA2,觀察焊縫中氣孔分布和形貌特征,研究不同工藝參數(shù)下焊縫對(duì)氣孔的敏感性規(guī)律以及氣孔形成機(jī)理,為控制TA2激光自熔焊焊縫的氣孔率提供理論依據(jù),從而達(dá)到提高焊接接頭性能的目的．

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用工業(yè)純鈦TA2,幾何尺寸為120 mm×60 mm×2 mm,化學(xué)成分如表1．試驗(yàn)前,對(duì)試樣表面的氧化膜及油污進(jìn)行處理,本實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用機(jī)械清理和化學(xué)清理,先用不銹鋼鋼絲打磨清理鈦材表面氧化物,使之表面為銀白色,再用丙酮清洗,最后用酒精沖洗并烘干待用．將清理后待焊對(duì)接試板放置于焊接平臺(tái)上,并用焊接夾具固定好,進(jìn)行激光焊接試驗(yàn),如圖1．

表1 工業(yè)純鈦TA2的化學(xué)成分

圖1 工業(yè)純鈦TA2激光焊接示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本試驗(yàn)采用的激光器為IPG公司生產(chǎn)的YLS-6000-S2T型光纖激光器,其輸出功率最大可達(dá)6 000 W,工作穩(wěn)定性小于2%,輸出的激光波長為1 075±5 nm,焦距為310 mm,焦點(diǎn)處的光斑直徑為350 μm．試驗(yàn)中保護(hù)氣采用純度99.99%氬氣,保護(hù)方式為正面保護(hù)和背面保護(hù),正面為四管同時(shí)側(cè)吹保護(hù),增加焊后焊縫高溫區(qū)免受污染,背面為雙側(cè)進(jìn)氣層流保護(hù)．

試驗(yàn)采用激光自熔焊對(duì)接的焊接形式,激光焊接工藝參數(shù)如表2,焊后對(duì)每道對(duì)接焊縫沿垂直于焊接方向線選取3個(gè)不同的位置切割,經(jīng)研磨、拋光后制備成分析試樣,腐蝕劑為氫氟酸硝酸溶液(HF ∶HNO3∶H2O=2 ∶1 ∶17)．借助金相顯微鏡、超景深三維顯微分析系統(tǒng)VHX-900對(duì)焊縫橫截面宏觀形貌進(jìn)行觀察,分析氣孔分布及形貌特征,并計(jì)算出不同工藝參數(shù)下焊縫的平均氣孔率(氣孔率是指焊縫橫截面內(nèi)氣孔面積占焊縫橫截面中心區(qū)域面積的百分比)．通過CAD軟件測(cè)算氣孔直徑及焊縫橫截面中心區(qū)域面積．采用JSM-6480型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察氣孔的內(nèi)壁特征．

表2 TA2板材激光焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫氣孔分布與形貌特征分析

工業(yè)純鈦TA2激光自熔焊對(duì)接接頭變形小,焊縫較窄,在肉眼觀察下焊縫表面連續(xù)均勻,成形良好,表面無任何裂紋及氣孔,且顏色為銀白略淡黃色,背面銀白色．從試樣1得到的焊縫橫截面,通過超景深三維顯微鏡觀察宏觀形貌得到TA2焊縫中的氣孔分布圖,如圖2,可以看出,激光自熔焊工業(yè)純鈦TA2焊縫中分布著比較規(guī)則的圓形氣孔,主要沿著焊縫中下部熔合線附近分布,而靠近焊縫底部的氣孔較小,氣孔的尺寸范圍是從50～200 μm，極少發(fā)現(xiàn)更大尺寸的氣孔．

圖2 TA2焊縫中的氣孔分布

通過金相顯微鏡對(duì)焊縫橫截面進(jìn)行觀察,可以看出焊縫中氣孔呈較規(guī)則的圓形和橢圓形,如圖3．

圖3 TA2焊縫中圓形和橢圓形氣孔

圖4為焊縫中氣孔的掃描電鏡微觀組織形貌,從圖中可以發(fā)現(xiàn),焊縫中氣孔較規(guī)則的圓形氣孔,且氣孔內(nèi)壁較光滑．在激光焊接過程中產(chǎn)生氣孔有兩種途徑:一種是由于激光束引起熔池金屬劇烈波動(dòng),引起熔池匙孔瞬間失穩(wěn)而產(chǎn)生的工藝類氣孔;另一種是激光焊接在焊縫金屬冷卻過程中,由于氫的溶解度急劇下降析出氫氣,而激光焊接本身具有快速冷卻凝固的特征,使析出的氫氣孔來不及逸出而存在于焊縫中．從圖中可以觀察到,焊縫中的氣孔產(chǎn)生于后者,符合氫氣孔所具有的特征,形狀規(guī)則、尺寸較小以及內(nèi)壁光滑等特點(diǎn)．

圖4 焊縫中氣孔的SEM形貌

圖5為氫在高溫鈦中的溶解度曲線[13]．由前文可知,激光焊接工業(yè)純鈦TA2焊縫中氣孔一般分布在焊縫中下部熔合線附近,主要原因是這種氣孔的形成與氫在鈦中的溶解度密切相關(guān)．從圖5中可以發(fā)現(xiàn),氫在鈦中的溶解度隨溫度升高而降低．氫在鈦中溶解度在鈦的凝固點(diǎn)1 668 ℃附近有一個(gè)陡降,降低約140 mL/100g．激光焊接工業(yè)純鈦TA2的冷卻過程為非平衡結(jié)晶過程,鈦在熔融狀態(tài)時(shí),由于冷卻速度較快,氫的溶解度差引起氫的析出較少,氣泡數(shù)量少,也可能有少量氣泡來不及逸出造成氣孔存在．當(dāng)熔池溫度降到凝固點(diǎn)時(shí),由于溶解度的陡降,氫析出量較多,因熔池邊緣溫度較低,比熔池中部對(duì)氫有更高的溶解度,熔池中部的氫容易向熔池邊緣擴(kuò)散,故熔合線附近容易為氫過飽和而產(chǎn)生氫氣孔,如圖2．氫氣孔存在于焊縫中下部的原因是:一方面,由于氫氣泡體積小,浮力相對(duì)較小,逸出速度較低．而液態(tài)鈦凝固時(shí),隨著冷卻溫度快速下降,導(dǎo)致鈦金屬粘度急劇加大,使氫氣泡難以浮出;另一方面,板材下部與工裝面接觸,導(dǎo)致板材下部散熱快,冷卻速度大,進(jìn)一步使氫氣泡來不及上浮逸出．所以在焊縫中下部沿熔合線附近發(fā)現(xiàn)氫氣孔存在．

圖5 氫在高溫鈦中的溶解度曲線

2.2 激光功率對(duì)氣孔的影響

采用焊接速度為30 mm/s,激光功率為1.75～2.5 kW,對(duì)TA2進(jìn)行激光自熔焊對(duì)接驗(yàn)．試驗(yàn)前,對(duì)待焊工件表面進(jìn)行清理,排除油脂、水分和氧化物等污染因素對(duì)氣孔產(chǎn)生的影響．試驗(yàn)時(shí)均使用氬氣作為保護(hù)氣體,正面氬氣流量為50 L/min,背面氬氣流量為20 L/min,激光光束離焦量0．焊后所得TA2焊縫表面成形均良好．試驗(yàn)結(jié)束后,借助超景深三維顯微鏡對(duì)截取4組不同激光功率下3個(gè)位置的橫截面進(jìn)行觀察,并通過CAD軟件測(cè)算出4組不同激光功率條件下焊縫的平均氣孔率,結(jié)果如圖6．

由圖6可以看出,當(dāng)激光功率為1.75 kW時(shí),焊縫的平均氣孔率較小,其值為6.32%,因?yàn)榇藭r(shí)激光功率較低,熔池存在的時(shí)間較短,因此氫的擴(kuò)散不充分,部分氣泡核雖存在但來不及長大形成氣泡,所以焊縫中平均氣孔率較小;隨著激光功率升高到2.0 kW時(shí),熔池液相存在的時(shí)間逐漸增長后,氫向氣泡核擴(kuò)散,有利于氣泡的形成,于是焊縫的平均氣孔率呈上升趨勢(shì),并出現(xiàn)峰值,其值為8.98%;進(jìn)一步提高激光功率,即焊縫的熱輸入增加,熔池液相存在時(shí)間得到進(jìn)一步延長,從而有利于焊縫中的氣泡逸出熔池，所以焊縫的平均氣孔率急劇降低；當(dāng)激光功率升至2.5 kW時(shí),焊縫的平均氣孔率出現(xiàn)最小值,其值為0.51%．

2.3 焊接速度對(duì)氣孔的影響

采用激光功率為2.0 kW,焊接速度分別為25、30、35和40 mm/s,并測(cè)算TA2焊縫的平均氣孔率,結(jié)果如圖7．

由圖7可以看出,當(dāng)焊接速度為25 mm/s時(shí),焊縫的平均氣孔率較小,通過測(cè)量其數(shù)值為2.18%,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:當(dāng)焊接速度較慢時(shí),即焊縫的熱輸入較大,在熔池冷卻過程中,液態(tài)鈦凝固速度較慢,從而熔池液相存在時(shí)間較長,熔池中存在的氫有足夠的時(shí)間完成氣泡的形核、長大,并有利于大多數(shù)氣泡上浮逸出熔池,最終殘留在焊縫中的氫氣孔較少;隨著焊接速度的提高,即焊縫的熱輸入變小,液態(tài)鈦凝固速度逐漸變快,熔池中存在的氣泡很難來得及上浮逸出,最終只能殘留在焊縫內(nèi)部形成氫氣孔,于是焊縫的平均氣孔率有明顯上升趨勢(shì)；當(dāng)焊接速度為30 mm/s時(shí),焊縫的平均氣孔率達(dá)到最大值,其數(shù)值為8.98 %;而隨著焊接速度的進(jìn)一步提高,焊縫的平均氣孔率呈下降趨勢(shì),這是由于焊接速度不斷增加,焊縫熱輸入繼續(xù)變小,導(dǎo)致熔池液相存在的時(shí)間縮短,熔池中存在的氫來不及擴(kuò)散聚集成氣泡就被凝固在焊縫中,此時(shí)生成氫氣孔的傾向反而減小,當(dāng)焊接速度為40 mm/s時(shí),焊縫的平均氣孔率降到最小值,為1.05%．

2.4 焊縫中氣孔形成影響因素分析

在焊接過程中,對(duì)于焊縫中形成的氫氣孔而言,氫可能來自母材、保護(hù)氣和空氣中的水分以及焊件表面氧化膜等．另外,影響氫氣泡的形核、長大、逸出的因素都會(huì)影響焊縫中氣孔的形成[14]．而氫的擴(kuò)散程度增加引起生成氣孔傾向增大以及熔池液相存在時(shí)間越久引起生成氣孔的傾向反而減小是TA2焊縫的平均氣孔率的主要控制因素．

當(dāng)熱輸入較小時(shí),此時(shí)熔池液相存在時(shí)間短,氫來不及擴(kuò)散聚集成氣泡,從而焊縫的平均氣孔率較低．因此,在這一階段,適當(dāng)增加焊接速度或降低激光功率,焊接熱輸入相應(yīng)減小,氫在焊縫中由焊縫向近縫區(qū)擴(kuò)散程度及靠近熔合線的固態(tài)母材中的氫向熔池?cái)U(kuò)散程度[15]都減小,即使有氣泡核存在,也來不及長大形成氣泡,因此焊縫的平均氣孔率逐漸降低,如圖8．此時(shí)焊縫的平均氣孔率受氫的擴(kuò)散程度的控制．

當(dāng)熱輸入較大時(shí),此時(shí)熔池液相存在時(shí)間長,氫有充足的時(shí)間向氣泡核擴(kuò)散并長大成為氣泡上浮逸出,從而焊縫的平均氣孔率較低．因此,在這一階段,適當(dāng)增加焊接速度或降低激光功率,焊接熱輸入則相應(yīng)減小,熔池液相存在時(shí)間也相應(yīng)減小,大量氣泡來不及逸出熔池而留在熔合線附近,因此焊縫的平均氣孔率逐漸升高,如圖8．此時(shí)焊縫的平均氣孔率受熔池液相存在時(shí)間的控制．

在以上兩種控制因素的共同作用下,文中焊接熱輸入在50～66.67 J/mm時(shí),焊縫的平均氣孔率呈上升趨勢(shì),此時(shí)焊縫的平均氣孔率受氫的擴(kuò)散程度的控制;焊接熱輸入在66.67～83.33 J/mm之間時(shí),焊縫的平均氣孔率呈逐漸下降趨勢(shì),此時(shí)平均焊縫的氣孔率受熔池液相存在時(shí)間的控制;而在焊接熱輸入為66.67 J/mm時(shí),這兩種控制因素都有利于氣孔形成,因而焊縫的平均氣孔率最高,達(dá)到了8.98 %．

圖8 焊縫的平均氣孔率影響因素率

3 結(jié)論

(1) 工業(yè)純鈦TA2焊縫中氣孔一般分散存在,主要沿著焊縫中下部熔合線附近分布,其形狀呈規(guī)則的圓形或橢圓形、尺寸小、內(nèi)壁較光滑,符合氫氣孔的特征,氣孔的形成與氫在鈦中的溶解度密切相關(guān)．

(2) 當(dāng)焊接速度一定時(shí),隨著激光功率的增大,焊縫的平均氣孔率呈先上升后下降的趨勢(shì)．當(dāng)激光功率一定時(shí),隨著焊接速度的增大,焊縫的平均氣孔率呈先明顯上升后下降的趨勢(shì)．當(dāng)激光功率為2.0 kW,焊接速度為30 mm/s時(shí),焊縫的平均氣孔率達(dá)到最大值8.98%．

(3) 2 mm厚TA2的焊縫平均氣孔率由兩種控制因素決定,首先是氫的擴(kuò)散程度增加引起生成氣孔傾向增大,另一方面是熔池液相存在時(shí)間越久引起生成氣孔的傾向反而減小;當(dāng)焊接熱輸入為66.67 J/mm時(shí),這兩種控制因素都有利于氣孔形成,焊縫的平均氣孔率達(dá)到最大值8.98%．

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