李倩

表面處理對TC4鈦合金激光焊接的影響

李倩

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，鄭州 451191）

為了提高TC4鈦合金焊縫強度，滿足實際生產(chǎn)的要求。對TC4鈦合金表面分別進行砂紙打磨、噴砂、涂覆石墨層以及激光掃描處理，然后采用2000 W光纖激光器對TC4鈦合金進行拼接焊接實驗。對表面處理后的焊接焊縫熔深、抗拉強度進行了測試，結(jié)果表明，相對于未經(jīng)過表面處理的焊縫熔深，采用表面處理后的焊縫熔深均增加了30%，焊縫抗拉強度均有增加，其中采用激光掃描處理后的焊縫抗拉強度達到最高的1106 MPa，超過了母材的抗拉強度。激光掃描處理后，在材料表面形成的毛化現(xiàn)象，增加了材料對激光的吸收率，提高了焊縫的熔深，同時激光掃描過程中，未引入任何的雜質(zhì)，不會產(chǎn)生裂紋及氣孔，使焊縫的抗拉強度大于母材，滿足實際生產(chǎn)要求。

表面處理；TC4鈦合金；激光焊接；微觀結(jié)構(gòu)

鈦合金具有重量輕、韌性好、比強度高、耐腐蝕性強的特點，特別適用于航空航天材料，隨著汽車、自行車輕量化的要求，鈦合金的應(yīng)用也越來越多[1—3]。鈦合金具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)（15.24 W/(m×K)）以及較低的膨脹系數(shù)（約9.41×10?6～10.03×10?6℃?1），且對激光的吸收率較低，約為0.4%，以及較高的熔點（1670 ℃）[4]，這些屬性意味著需要較高的熱量輸入，才能實現(xiàn)鈦合金的焊接，而過高的熱量輸入可能會導(dǎo)致焊縫氣化，產(chǎn)生焊接缺陷，進而降低焊縫的抗拉強度。

激光焊接時的能量密度高，可以用較小的熱量輸入得到較大的焊縫熔深[5—9]，激光焊接已經(jīng)在不銹鋼焊接中得到較多的應(yīng)用。對激光吸收率較低的金屬，由于大部分激光能量被反射掉，需要較高的激光能量輸入才能使材料形成焊接，這樣浪費了能量，同時增加了熱影響范圍[10—13]。對材料表面進行處理，可以增加材料對激光的吸收率，如對鋁合金表面進行噴砂或使用深色涂層[14—15]，可以提高激光吸收，導(dǎo)致焊縫熔深顯著增加；在銅表面涂覆石墨，提高材料對激光的吸收率，可以得到較好的焊接效果[16]。截至目前，國內(nèi)外均未見有對鈦合金表面進行處理后進行激光焊接的報道出現(xiàn)。

文中對鈦合金TC4表面進行處理，然后進行激光焊接，研究表面處理對激光焊接焊縫熔深、微觀組織和力學(xué)性能的影響，為實際生產(chǎn)提供實驗參考。

1 焊接實驗

1.1 材料

實驗材料為鈦合金，牌號為TC4，厚度為2 mm，將板材切割為100 mm×50 mm。采用夾具將材料夾緊，激光焊接過程中，采用99.99%的氬氣對焊縫表面進行保護，TC4鈦合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）

Tab.1 Chemical composition of TC4 titanium alloy (mass fraction) %

1.2 設(shè)備

采用高功率連續(xù)光纖激光器作為焊接光源，激光器最大功率為2000 W，波長為1064 nm，光纖芯徑為100 μm，激光器為武漢銳科激光公司提供，型號為RLF-C2000，激光束經(jīng)過加工頭聚焦后，在激光焦點處的光斑大小為0.4 mm。激光加工頭固定不動，三維運動平臺帶動載具及材料運動，實驗平臺如圖1a所示。焊縫接頭的抗拉強度采用微機控制電子萬能試驗機進行測試，由珠海三思泰捷公司提供，型號為CMT4102，測試平臺如圖1b所示。

2 工藝實驗結(jié)果及分析

2.1 材料表面處理

在激光焊接前，對鈦合金TC4表面進行處理，表面處理的方式有4種，分別為砂紙打磨、噴砂、涂覆石墨層以及激光掃描。用砂紙打磨處理時，采用600目的水砂紙對板材表面分別進行橫向和縱向打磨，時間各為3 min，砂紙打磨后的材料表面平整，無明顯劃痕；噴砂處理是采用噴砂槍將260目的石英砂噴射到材料表面，噴砂后使材料表面平整，分別用丙酮、酒精清洗表面油污及雜質(zhì)。涂覆石墨層的方法是：采用純度為95%，粒度3000目的鱗片石墨粉，將其用刷子多次涂覆在鈦合金TC4表面，直到材料表面的石墨粉分布均勻為止。激光掃描處理采用100 W光纖激光器，平均功率為100 W，頻率為10～ 2000 kHz，波長為1070 nm，光纖芯徑為14 μm，激光束經(jīng)過加工頭聚焦后，在激光焦點處的光斑大小為0.028 mm，可以對材料表面進行激光掃描，在表面形成網(wǎng)格圖形，增加材料對激光的吸收率。

圖1 實驗平臺

2.2 激光焊接焊縫強度測試

采用最大功率3000 W的光纖激光器對4種表面處理后的鈦合金TC4板材進行激光焊接。經(jīng)過測試，采用的焊接工藝參數(shù)為，激光功率2600 W，焊接速度為50 mm/s，離焦量為+2 mm，采用氬氣對焊縫表面進行保護，氬氣流量為10 L/min。將焊接樣品采用線切割機切割成標準式樣，采用拉力測試機測試樣品焊縫的拉力值，拉力值除以焊縫面積（焊縫面積等于焊縫寬度乘以焊縫長度）得到焊縫的抗拉強度值。表面未處理的焊縫抗拉強度為587 MPa，為母材（抗拉強度為895 MPa）的50%左右。砂紙打磨處理后的焊縫抗拉強度為889 MPa，非常接近母材的抗拉強度。噴砂處理和涂覆石墨層后的焊縫抗拉強度分別為683 MPa和678 MPa，比表面未處理的大，但是低于鈦合金母材。激光掃描處理后的焊縫抗拉強度為1106 MPa，大于母材。

2.3 激光焊接焊縫切片分析

對焊縫進行切片分析，焊縫切片如圖2所示，其中圖2a為未進行表面處理的焊縫切片，焊縫熔深較小，為1.50 mm，這可能是因為鈦合金對激光反射率較高，材料吸收率較低，導(dǎo)致熔深較低，這種情況下，焊縫抗拉強度較低。圖2b為砂紙打磨處理后的焊縫切片，焊縫熔深增加到2.02 mm，相對于未進行表面處理的焊縫，熔深增加了30%，這是因為砂紙打磨后，材料表面形成漫反射，提高了材料對激光的吸收率，進而增加了焊縫熔深，使焊縫抗拉強度增加到接近母材的抗拉強度。其中圖2c為噴砂處理后的焊縫切片，圖2d為涂覆石墨層后的焊縫切片，焊縫熔深相對于未進行表面處理的焊縫，熔深均有增加，但是焊縫內(nèi)部存在微裂紋及氣孔，導(dǎo)致焊縫抗拉強度較低，這可能是因為噴砂處理以及涂覆石墨將雜質(zhì)引入到了焊縫中，在熔池冷卻凝固過程中產(chǎn)生了裂紋傾向。圖2e為激光掃描處理后的焊縫切片，焊縫熔深為1.99 mm，達到材料本身的厚度，表明材料被焊透，且焊縫內(nèi)部無裂紋及氣孔，這是因為激光掃描后，在材料表面形成毛化現(xiàn)象，增加了材料對激光的吸收率，提高了焊縫的熔深，同時激光掃描過程中，未引入任何的雜質(zhì)，不會產(chǎn)生裂紋及氣孔，使焊縫的抗拉強度大于母材。

2.4 焊縫微觀結(jié)構(gòu)分析

進一步對4種表面處理后的鈦合金TC4激光焊縫微觀結(jié)構(gòu)進行分析，焊縫的熔合區(qū)500倍放大如圖3所示，其中圖3a對應(yīng)為砂紙打磨處理后的激光焊縫熔合區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，圖3b對應(yīng)為噴砂處理，圖3c對應(yīng)為涂覆石墨層處理，圖3d對應(yīng)為激光掃面處理。由圖3可知，所有樣品的熔合區(qū)顯微組織均為馬氏體，對圖像仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，4種表面處理后激光焊縫的馬氏體微觀結(jié)構(gòu)之間存在一些差異，砂紙打磨處理后的焊縫微觀結(jié)構(gòu)由針狀α馬氏體結(jié)構(gòu)組成，存在暗色針狀顆粒，可能是TiC，噴砂處理以及涂覆石墨層處理的焊縫微觀結(jié)構(gòu)由片狀馬氏體結(jié)構(gòu)組成，晶界處存在較暗的顆粒，可能是石墨夾雜物，這些顆粒會導(dǎo)致焊縫脆化，降低焊縫的抗拉強度。激光掃描處理后的焊縫微觀結(jié)構(gòu)由針狀α馬氏體結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)部針狀結(jié)構(gòu)非常致密，內(nèi)部無雜質(zhì)，使焊縫抗拉強度達到了最高的1106 MPa，超過了母材的強度。

圖2 焊縫切片

圖3 焊縫微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

研究了表面處理對鈦合金TC4激光焊接的影響。4種不同的處理方法如砂紙打磨、噴砂處理、涂覆石墨層以及激光掃描均可提高焊縫抗拉強度及熔深。

焊縫熔合區(qū)域的顯微組織分析結(jié)果表明，所有焊縫均由馬氏體組成，但是不同的表面處理方式焊接后的顯微組織有細微的差異，激光掃描處理后的焊縫微觀結(jié)構(gòu)中內(nèi)部針狀結(jié)構(gòu)非常致密，內(nèi)部無雜質(zhì)，使焊縫抗拉強度達到了最高的1106 MPa，超過了母材的強度。

[1] 王林青, 周永濤, 王軍軍, 等. TC4鈦合金在模擬海水中腐蝕-磨損交互行為研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 2019, 39(2): 78—84.

WANG Lin-qing, ZHOU Yong-tao, WANG Jun-jun, et al. Corrosion-Wear Interaction Behavior of TC4 Titanium Alloy in Simulated Seawater[J]. Tribology, 2019, 39(2): 78—84.

[2] 姜軍, 李細鋒, 陳軍. 脈沖電流頻率對退火態(tài)TC4鈦合金耐腐蝕性能的影響[J]. 模具技術(shù), 2018(4): 1—7.

JIANG Jun, LI Xi-feng, CHEN Jun. Effect of Pulse Current Frequency on Corrosion Resistance of Annealed TC4 Titanium Alloys[J]. Die and Mould Technology, 2018(4): 1—7.

[3] 宋緯. 汽車鈦合金氣閥的鑄造工藝優(yōu)化[J]. 熱加工工藝, 2018, 47(7): 102—104.

SONG Wei. Optimization of Casting Process for Automobile Titanium Alloy Air Valves[J]. Hot Working Technology, 2018, 47(7): 102—104.

[4] 蔡雨升, 吉海賓, 雷家峰, 等. 熱處理對激光選區(qū)熔化TC4鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響[J]. 鈦工業(yè)進展, 2020, 37(1): 9—16.

CAI Yu-sheng, JI Hai-bin, LEI Jia-feng, et al. Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of TC4 Titanium Alloy Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Titanium Industry Progress, 2020, 37(1): 9—16.

[5] 張瑄珺, 孫小兵, 潘涌, 等. 304不銹鋼薄板外觀件激光焊接工藝研究[J]. 應(yīng)用激光, 2016(3): 321—325.

ZHANG Xuan-jun, SUN Xiao-bing, PAN Yong, et al. Process Research on Laser Welding of 304 Stainless Steel Sheet Appearance Parts[J]. Applied Laser, 2016(3): 321—325.

[6] 李揚, 胡繩蓀, 申俊琦. 紫銅與316L不銹鋼脈沖激光焊微觀組織及力學(xué)性能[J]. 中國激光, 2014, 41(7): 93—98.

LI Yang, HU Sheng-sun, SHEN Jun-qi. Microstructural Characteristics and Mechanical Properties of Pulsed Nd: YAG Laser Welded Copper and 316L Stainless Steel[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(7): 93—98.

[7] 劉鍵, 石巖, 劉佳, 等. 保護氣體對奧氏體不銹鋼激光焊接的影響[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 2014(5): 122—127.

LIU Jian, SHI Yan, LIU Jia, et al. Effect of Shielding Gas on Laser Welding of Austenitic Stainless Steel[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2014(5): 122—127.

[8] 王鶴, 楊勇. 氮氣/氬氣對316不銹鋼激光焊接的影響[J]. 熱加工工藝, 2018, 47(15): 207—209.

WANG He, YANG Yong. Effect of N2or Ar Protective Atmosphere on Laser Welding of 316 Stainless Steel[J]. Hot Working Technology, 2018, 47(15): 207—209.

[9] 畢宗岳, 王維東, 鮮林云, 等. 1Cr17Mn6Ni5N奧氏體不銹鋼焊接接頭性能分析[J]. 應(yīng)用激光, 2019(3): 435—439.

BI Zong-yue, WANG Wei-dong, XIAN Lin-yun, et al. Performance Analysis of 1Cr17Mn6Ni5N Austenitic Stainless Steel Welded Joint[J]. Applied Laser, 2019(3): 435—439.

[10] 楊玉東, 劉佳, 石巖, 等. 噴嘴形狀對鋁合金復(fù)合焊接頭成形質(zhì)量的影響[J]. 激光技術(shù), 2018, 42(2): 222—228.

YANG Yu-dong, LIU Jia, SHI Yan, et al. Influence of Nozzle Shape on the Quality of Aluminum Joints Product by Laser-Arc Hybrid Welding[J]. Laser Technology, 2018, 42(2): 222—228.

[11] 賈坤寧, 石景巖, 劉威. 2A12/5052異種鋁合金激光焊接頭的組織與性能[J]. 材料熱處理學(xué)報, 2018, 39(10): 126—132.

JIA Kun-ning, SHI Jing-yan, LIU Wei. Microstructure and Properties of Laser Welded Joints of 2A12/5052 Dissimilar Aluminum Alloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2018, 39(10): 126—132.

[12] 楊吉偉, 楊尚磊, 楊文濤, 等. 高速列車車體用高強鋁合金激光焊接接頭研究[J]. 上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報, 2015, 29(3): 229—232.

YANG Ji-wei, YANG Shang-lei, YANG Wen-tao, et al. Study on Laser Welded Joints of High Strength Aluminum Alloy for High-Speed Train Body[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2015, 29(3): 229—232.

[13] 鄒東利, 陳向林, 肖大武, 等. 5A06鋁合金激光焊接接頭顯微組織及缺陷分析[J]. 稀有金屬材料與工程, 2019, 48(9): 2951—2956.

ZOU Dong-li, CHEN Xiang-lin, XIAO Da-wu, et al. Microstructure and Defects Analysis of 5A06 Aluminium Alloy Laser Welded Joint[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48(9): 2951—2956.

[14] 張繼祥, 劉鳳芝, 高波, 等. Al-Mg系鋁合金脈沖激光焊接性能影響因素分析[J]. 激光技術(shù), 2015, 39(6): 863—868.

ZHANG Ji-xiang, LIU Feng-zhi, GAO Bo, et al. Affecting Factors of Pulse Laser Welding Property of Al-Mg Series Aluminum Alloy[J]. Laser Technology, 2015, 39(6): 863—868.

[15] 劉雷, 耿正, 王敏, 等. 表面處理對鋁-CFRTP激光焊接功率及接頭強度的影響[J]. 電焊機, 2018, 48(12): 1—5.

LIU Lei, GENG Zheng, WANG Min, et al. Effect of Surface Treatment on the Laser Welding Power and Joint Strength of Aluminum-CFRTP[J]. Electric Welding Machine, 2018, 48(12): 1—5.

[16] 焦俊科, 王飛亞, 孫加強, 等. 紫銅表面預(yù)處理及激光焊接工藝研究[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 2016, 53(3): 158—163.

JIAO Jun-ke, WANG Fei-ya, SUN Jia-qiang, et al. Study on Copper Surface Pre-Treating and Welding with Fiber Lasers[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2016, 53(3): 158—163.

Effect of Surface Treatment on Laser Welding of TC4 Titanium Alloy

LI Qian

(Henan Industry and Trade Vocational College, Zhengzhou 451191, China)

The work aims to improve the weld strength of TC4 titanium alloy to meet the requirements of actual production. The surface of TC4 titanium alloy was sanded, sandblasted, coated with graphite layer and scanned by laser. Then, 2000 W fiber laser was adopted to conduct splicing and welding experiment onTC4 titanium alloy. The weld penetration and tensile strength after surface treatment were tested. Compared with the weld penetration without surface treatment, the weld penetration after surface treatment increased by 30%. The weld tensile strength also increased, and even the one scanned by laser reached to the highest of 1106 MPa, exceeding the tensile strength of the parent metal. After treatment by laser scanning, the material surface is roughed, which increases the absorption rate of the material for the laser, and improves the weld penetration. At the same time, there is no impurity in the laser scanning process and no cracks and pores are produced, so the tensile strength of the weld is greater than that of the parent metal, meeting the actual production requirements.

surface treatment; TC4 titanium alloy; laser welding; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.021

TG456.7

A

1674-6457(2021)06-0151-05

2021-03-08

河南省高等學(xué)校重點科研項目計劃（17A90019）

李倩（1975—），女，碩士，副教授，主要研究方向為機械加工。