激光-MIG焊接工藝參數對低成本鈦合金焊縫成形的影響

前言

近年來，鈦合金在國防軍工行業中應用越來越廣泛[1?3]。鈦合金是有效減輕武器裝備重量的理想防護材料，可以滿足武器裝備的輕量化、高機動性的特殊需求。然而相對于普通材料而言，較高的使用成本成為了制約鈦合金應用的一個因素[4?7]。因此，國內相關企業針對性開發DMJDPTKTY低成本TC4鈦合金板材，牌號為TC4LCA，在滿足力學性能指標基礎上，降低材料成本，滿足其大規模推廣應用需求。目前，針對低成本鈦合金的研究主要集中于板材力學性能研究以及板材TIG焊接等傳統焊接方法研究等方面。針對高效焊接工藝方法及焊接接頭組織性能的研究還有待深入[8?11]。激光?MIG復合焊接是一種高速、高效的焊接技術，對中厚板來說可以顯著降低熱輸入、減少焊接變形帶來的不利影響。目前，國內有部分中厚板TC4鈦合金激光?MIG復合焊接的研究[12]，但是對成分變化的TC4LCA低成本鈦合金板材的激光復合焊接研究較少。以下在分析板材成分及力學性能基礎上，重點研究和分析激光?MIG復合焊接工藝參數、接頭成形規律及力學性能，為低成本鈦合金的焊接工藝制定、焊縫力學性能評價及進一步推廣提供理論依據和科學參考。

1、試驗材料及方法

試驗材料為低成本鈦合金。試板規格為500mm×150mm×10mm。進行板材對接焊。焊絲選用低成本鈦合金焊絲，直徑1.2mm；保護氣體采用99.999%高純氬氣。母材成分見表1。焊絲化學成分見表2。

焊接時采用激光?MIG復合焊工藝，機器人系統為KUKAKR16機器人系統，激光器為IPG公司出產的10kW光纖激光器，激光器參數見表3，對低成本鈦合金板進行激光復合焊接。

焊接坡口示意圖如圖1所示，接頭形式為對接，鈍邊為4mm，坡口角度為60°。分別進行不同參數的打底焊接與蓋面焊接，觀察不同參數下的焊縫形貌，并進行性能測試。焊前采用激光清理方法將坡口及兩側50mm范圍內清理干凈。使用高純氬作為保護氣體，保護氣體流量為18L/min。完成單層單道打底焊接和蓋面焊接。焊后在試板上截取試塊制備金相試樣。金相采用HF+HNO₃混合溶液進行腐蝕，并進行顯微組織觀察，隨后進行接頭拉伸試驗。

2、試驗結果及分析

2.1　打底焊接參數

2.1.1　光絲間距

光絲間距直接決定了激光熱源與電弧熱源之間的耦合作用情況，是激光?電弧復合焊的一個重要參數，對打底焊過程的穩定性和焊縫成形都有很大影響。分別設置光絲間距為0mm，2mm，4mm進行焊接。圖2為不同光絲間距的焊縫成形。光絲間距為0mm時，焊縫成形較差，工件背面無法焊透。光絲間距增大到2mm，4mm時，飛濺減小，焊縫成形逐漸穩定，無未焊透缺陷。

2.1.2　激光功率

打底焊的主要作用是焊透鈍邊，在激光?電弧復合焊接過程中，熔深大部分由激光功率決定。圖3為焊接速度1.0m/min下，激光功率分別為2.6kW，3.0kW，3.4kW時的焊縫截面。可觀察到，焊縫熔深隨著激光功率的增加顯著提高，激光功率過大在3.4kW時會導致熔池塌陷，焊縫背面余高增加，正面形貌沒有較大變化，但同樣向下塌陷。

2.1.3　電弧電流

圖4為打底焊電弧電流分別為120A，150A，180A時的焊縫成形對比。當電弧電流為120A時，復合焊能量剛好可使熔池深度達到背面，但處于熔透的臨界狀態，并不穩定。當電弧電流為150A時，由于復合能量增強，焊縫熔深增加，且焊縫形態為典型的激光?電弧復合焊形貌，截面呈“高腳杯”狀。當電弧電流為180A時，電弧能量的過大，焊絲填充量增加，表現為熔深有所下降，熔池高度增加，坡口兩側凹陷被熔融金屬回填，表面變得平滑。

2.1.4　焊接速度

焊接速度的大小直接反映了一種焊接方法生產效率的高低，且焊接速度與熱輸入呈反比，是決定焊縫形貌的主要因素之一。分別進行焊接速度為0.8m/min，1.0m/min，1.2m/min的焊接試驗。由圖5可知，焊接速度為0.8m/min時，由于熱輸入較大，焊縫的熔寬較大，焊縫塌陷明顯，背面余高較大；隨著焊接速度的增大，背面焊縫余高逐漸減小，表面坡口兩側的母材熔化量減少，可見焊縫兩側由電弧加熱導致的缺口逐漸減小直至消失，表面變得更平滑；焊縫寬度隨著焊接速度的増大而逐漸減小。焊接速度過大，達到1.2m/min時，焊縫最窄，且焊縫背面余高和熔寬均逐漸減小甚至出現熔合不良的現象。

2.2　蓋面焊接參數

2.2.1　電弧能量輸入

在蓋面焊中，由于激光功率較小，僅為0.5～1.0kW，因此，主要影響因素為電弧參數，包括電弧電流、焊接速度、蓋面層數等。圖6為采用大電流（250A）填充后的焊縫，由于電弧體積較大，大電流填充并沒有將坡口填充完成，反而由于過大的電弧熱輸入和影響范圍，導致坡口附近母材大量熔化，在該道焊縫填充后使得坡口擴大，并無法通過二次填充獲得良好的焊縫成形。

因此，對于4mm鈍邊下的對接接頭應采用兩道填充的方式，填充層電流約為180～220A，焊接速度約為0.4～0.6m/min。

2.2.2　焊接速度

圖7為采用不同焊接速度進行填充焊獲得的焊縫正面成形，可以看到，在焊接速度與電弧電流滿足坡口寬度的情況下均可實現良好的填充，隨著焊接速度的降低，焊縫寬度顯著增加，同時由于焊絲大量熔化和焊接速度過慢造成填充量的不穩定，焊縫寬度有較大的變化，且過大的熱輸入會軟化焊縫組織，降低接頭力學性能。因此，采用0.6m/min的焊接速度進行填充更適合。

2.2.3　激光功率

在蓋面焊中，激光熱源主要起到引導并穩定電弧的作用，應選用較小的功率。如圖8所示，激光功率為0.5kW時電弧狀態不穩定，可以看到焊縫周邊有大量飛濺。而激光功率增加到1.0kW后，電弧較為穩定，焊縫兩側飛濺減少。

2.3　焊縫宏觀形貌

圖9為采用優化參數進行填充焊接的低成本鈦合金激光?MIG焊接接頭焊縫橫截面，焊縫宏觀成形良好，且無裂紋、氣孔、咬邊等缺陷。

2.4　接頭性能

圖10是母材與接頭抗拉強度與斷后伸長率的對比，試驗所得母材抗拉強度為1114MPa，斷后伸長率為12.4%；而平板對接接頭抗拉強度為1089MPa，斷后伸長率為5.6%。接頭抗拉強度達到母材的97.8%。

圖11為斷裂于母材區域的接頭斷口形貌。其中圖11(a)為斷口的宏觀形貌，可以觀察到斷面處面積相對底部區域變小，存在明顯的頸縮現象。

圖11(b)和11(c)分別為A區和B區的斷面形貌，斷口處觀察到大量細小的等軸韌窩。該現象表明在斷裂前接頭發生了塑性變形，為典型的韌性斷裂。

圖12與圖13為同一接頭斷裂后斷面的上部和下部區域，觀察到上下兩部分具有不同的斷裂特征，因此分別進行分析。

圖12中斷面為焊縫斷裂的上部區域，觀察到圖12(a)中大量的氣孔，證明焊接過程中氣孔未能及時從熔池中溢出，大量氣孔集中于焊縫上部，對于接頭強度產生了不利影響，圖12(b)中展現了典型的準解理斷裂的特征，斷口處存在著臺階狀花樣，同時存在準解理小平面區域和韌窩區域，證明了上部區域的混合斷裂模式。圖12(c)和圖12(d)為D區和E區形貌，可以觀察到細小的撕裂韌窩，且具有一定的深度。

圖13(a)為斷裂面的下部區域，證明在焊縫下部氣孔較少，但同樣存在著臺階狀花樣、準解理平面及韌窩，圖13(c)和圖13(d)中可以觀察到大量的撕裂韌窩。相比上部區域，焊縫下部區域存在的準解理平面比例更大，有更多的脆性斷裂特征。該接頭斷裂時，在不同部位產生解理裂紋核，并擴展為解理小平面，最終以塑性方式撕裂。

3、結論

（1）對于TC4LCA對接接頭，坡口形式為Y形，坡口角度60°，鈍邊厚度為4mm，在光絲間距為4mm，激光功率為3.0kW，焊接速度為1m/min，MIG電弧電流為150A的條件下，能夠獲得成形良好的打底層焊縫。

（2）在激光功率為1.0kW，焊接速度為0.6m/min，MIG電弧電流為200A的條件下，兩次填充能夠獲得成形良好的蓋面層焊縫。

（3）激光?MIG復合焊接對接接頭宏觀無裂紋、氣孔等缺陷，抗拉強度為1089MPa，達到母材的97.8%；斷裂于母材區域的接頭斷口為韌性斷裂，焊縫區域斷口呈現準解理斷裂和韌性斷裂的混合特征。

參考文獻

［1］張澤群, 張凱平, 檀財旺, 等. 鎂/鈦異種合金焊接的研究 現狀與展望 [J]. 焊接, 2017(11): 21 ? 27. 

Zhang Zequn, Zhang Kaiping, Tan Caiwang, et al. Research status and development of welding for magnesium/titanium dissimilar alloys[J]. Welding & Joining, 2017(11): 21 ? 27.

［2］楊環宇, 徐信坤, 巴現禮, 等. 低功率激光?雙電弧焊接鈦 合金中厚板工藝及機理 [J]. 焊接學報, 2022, 43(12): 12 ? 19. 

Yang  Huanyu,  Xu  Xinkun,  Ba  Xianli,  et  al.  Process  and mechanism  of  low  power  laser-double  arc  welding  of titanium alloy plate[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2022, 43(12): 12 ? 19.

［3］于得水, 張巖, 周建平, 等. 鈦合金與鋁合金異種金屬焊接 的研究現狀 [J]. 焊接, 2020(11): 37 ? 45. 

Yu  Deshui,  Zhang  Yan,  Zhou  Jianping,  et  al. Researching status  of  dissimilar  metal  welding  of  titanium  and aluminum[J]. Welding & Joining, 2020(11): 37 ? 45.

［4］肖珺, 雷一鼎, 陳樹君, 等. 基于多點柔性支撐的鈦合金激 光焊接變形控制 [J]. 焊接學報, 2022, 43(8): 8 ? 12. 

Xiao  Jun,  Lei  Yiding,  Chen  Shujun,  et  al. Weld  distortion control  in  laser  welding  of  T-joint  titanium  alloy  based  on multi-point  flexible  fixture[J].  Transactions  of  the  China Welding Institution, 2022, 43(8): 8 ? 12.

［5］董麗娜, 張建勛. Ti6Al4V 激光焊接接頭非均勻梯度特征 研究現 [J]. 稀有金屬材料與工程, 2013, 42(3): 655 ? 660. 

Dong  Lina,  Zhang  Jianxun.  Research  status  of heterogeneous  gradient  feature  for  laser  welded  joint  of Ti6Al4V  alloy[J].  Rare  Metal  Materials  and  Engineering, 2013, 42(3): 655 ? 660.

［6］張騫, 張成竹, 林波, 等. 重熔擺動激光焊修復 TC4 鈦合金 焊接接頭組織和性能 [J]. 焊接, 2023(1): 55 ? 59. 

Zhang Qian, Zhang Chengzhu, Lin Bo, et al. Microstructure and properties of TC4 titanium alloy welded joints repaired by oscillate laser welding remelting[J]. Welding & Joining, 2023(1): 55 ? 59.

［7］Akman  E,  Demir  A,  Canel  T,  et  al.  Laser  welding  of Ti6Al4V titanium alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(8): 3705 ? 3713.

［8］劉黎明, 楊環宇, 徐信坤. TA2 中厚板低功率激光誘導雙 電弧高效焊接及機理 [J]. 焊接學報, 2023, 44(1): 1 ? 7. 

Liu Liming, Yang Huanyu, Xu Xinkun. Study on low power laser induced twin arc high-efficiency welding TA2 mediumthick  plate[J].  Transactions  of  the  China  Welding Institution, 2023, 44(1): 1 ? 7.

［9］馮秋元, 佟學文, 王儉, 等. 低成本鈦合金研究現狀與發展 趨勢 [J]. 材料導報, 2017, 31(9): 128 ? 134. 

Feng Qiuyuan, Tong Xuewen, Wang Jian, et al. Status and development tendency on the research of low cost titanium alloy[J]. Materials Reports, 2017, 31(9): 128 ? 134.

［10］田喜明, 衛娜, 周中波, 等. Ti-Al-Fe 低成本鈦合金 TIG 焊 焊接組織和性能研究 [J]. 鈦工業進展, 2020, 37(5): 23 ? 26. 

Tian  Ximing,  Wei  Na,  Zhou  Zhongbo,  et  al.  Study  on microstructure and properties of Ti-Al-Fe low cost titanium alloy by TIG welding[J]. Titanium Industry Progress, 2020, 37(5): 23 ? 26.

［11］郭瑞萍, 孫葆森, 高彬彬. 兵器裝備用鈦合金的低成本制 造技術 [J]. 兵器材料科學與工程, 2008, 31(5): 83 ? 86. 

Guo  Ruiping,  Sun  Baosen,  Gao  Bingbing.  Low  cost manufacturing  technology  of  titanium  alloy  used  in ordnance  equipment[J].  Ordnance  Material  Science  and Engineering, 2008, 31(5): 83 ? 86.

［12］張龍, 陳東高, 王大鋒, 等. TC4 鈦合金激光?MIG 復合焊 接研究 [J]. 兵器材料科學與工程, 2019, 42(2): 73 ? 77. 

Zhang  Long,  Chen  Donggao,  Wang  Dafeng,  et  al.  LaserMIG  hybrid  welding  of  TC4  titanium  alloy[J].  Ordnance Material Science and Engineering, 2019, 42(2): 73 ? 77.

第一作者：　劉政，碩士，工程師；主要從事高強鋼及鈦合金 焊接工藝研究；liu15154428016@163.com。

通信作者：　高金良，學士，高級工程師；主要從事高強鋼及 有色金屬焊接工藝研究；已發表論文 10 余篇；12611419@qq.com。

 本文引用格式：

劉政, 高金良, 宋旭杰, 等. 激光?MIG 焊接工藝參數對低成本鈦合金焊縫成形的影響[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.