引言

隨著科學(xué)技術(shù)的提升，海洋石油開發(fā)的發(fā)展方向逐漸從近海到遠海､從淺海到深海發(fā)生轉(zhuǎn)變，鈦合金成為海洋油氣開發(fā)的首選材料[1-2]｡TC4鈦合金屬于(α+β)型鈦合金，具有比強度高､在高溫與低溫服役環(huán)境下性能良好､耐海水腐蝕性強以及抗疲勞性能優(yōu)異等優(yōu)點，可有效減輕海工裝備結(jié)構(gòu)質(zhì)量､抵抗氯離子介質(zhì)溶液應(yīng)力腐蝕，從而廣泛應(yīng)用于油氣平臺支柱､采油管接頭､平臺支架等生產(chǎn)領(lǐng)域[3-4]｡

目前鈦合金厚板主要采用窄間隙鎢極惰性氣體(Tungsten Inert Gas,TIG)保護焊､真空電子束焊､激光焊等焊接方法并外加機械擺動､磁控系統(tǒng)等輔助焊接手段進行焊接[5-6]｡采用機械擺動或外加磁場調(diào)控的方法可有效解決使用窄間隙TIG保護焊方法焊接鈦合金時易產(chǎn)生側(cè)壁熔合不良的缺陷[7-9],但仍存在焊接熱輸入較大導(dǎo)致焊接接頭區(qū)域晶粒粗大､焊接接頭熔合區(qū)軟化等問題｡真空電子束焊焊接效率高，但易在焊接接頭內(nèi)部形成三向應(yīng)力，造成接頭塑性､韌性的急劇下降，后續(xù)雖然可通過合適的熱處理工藝在一定程度上改善焊接接頭性能，但并不能完全解決應(yīng)力分布不均衡的問題[10-11],另外，由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸易受真空室限制，不適合大尺寸工件生產(chǎn)｡隨著激光技術(shù)發(fā)展，采用激光焊接厚壁構(gòu)件受到了越來越多的關(guān)注｡目前厚壁鈦合金激光焊接技術(shù)主要為激光填絲焊，在有效提高焊接接頭性能的同時降低工件焊前預(yù)加工精度和裝配精度要求，但由于在焊接過程中部分激光能量用于焊絲熔化，同樣容易導(dǎo)致側(cè)壁熔合不良，需要降低焊接速度以補償能量｡因此，提出激光-熱絲焊接方法，采用電阻加熱對焊絲進行預(yù)熱，減小焊絲熔化對激光熱源的依賴，改善焊接接頭質(zhì)量､提高焊接效率｡目前關(guān)于厚板鈦合金的激光-熱絲焊接研究還相對較少，且所研究的鈦合金材料厚度主要集中在10~40mm,而關(guān)于窄間隙激光-熱絲焊接工藝參數(shù)對大厚度鈦合金焊接接頭的成形､組織和性能影響方面的研究卻鮮有報道｡

本試驗針對80mm厚TC4鈦合金對接試板開展窄間隙雙面激光-熱絲焊接工藝試驗，研究焊接速度､激光功率､離焦量和熱絲電流等不同激光熱絲焊接工藝參數(shù)對焊接接頭成形的影響，采用控制變量試驗方法優(yōu)化焊接工藝，獲得成形良好的窄間隙激光熱絲焊縫，并對焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進行觀察分析｡

1、試驗設(shè)備及材料

焊接試驗采用IPG公司生產(chǎn)的光纖激光器，其工作模式為連續(xù)模式，光斑直徑為0.3mm,焦距為500mm,準直距為200mm｡采用福尼斯熱絲焊接系統(tǒng)在焊接前對焊絲進行預(yù)熱，同時在焊接過程中為防止飛濺及反射的激光對激光器造成損傷，將激光頭姿態(tài)設(shè)置為前傾，與豎直方向的夾角為5°;為保證送絲的穩(wěn)定性，將送絲嘴的前段加工成外徑為2.2mm的薄壁結(jié)構(gòu)，在焊接過程中伸入坡口，保證焊絲干伸長約7mm｡

在鈦合金平板上以堆焊的方式開展不同激光熱絲焊接工藝參數(shù)對焊縫成形影響的工藝試驗，進而開展40mm厚鈦合金窄間隙激光-熱絲焊接工藝優(yōu)化試驗｡40mm厚鈦合金坡口形狀及尺寸如圖1(a)所示，其中，坡口鈍邊為4.0mm,底部寬度約3.2mm,根部半徑為1.0mm,單側(cè)角度為1.0°,為防止反變形，單邊各設(shè)置1.5°的傾角｡在此基礎(chǔ)上進行雙面對稱焊接，完成80mm厚鈦合金窄間隙雙面激光-熱絲焊接試驗｡為減小焊接過程中產(chǎn)生的變形和殘余應(yīng)力，80mm厚鈦合金采用雙面U形坡口進行焊接，坡口鈍邊為4.0mm,底部寬度約3.0mm,根部半徑為1.0mm,單側(cè)角度為1.0°的雙U形坡口｡80mm厚鈦合金坡口形狀及尺寸如圖1(b)所示｡

母材選用80mm厚TC4鈦合金，填充焊絲選用牌號為TC3的實芯焊絲，焊絲直徑為1.2mm,母材及焊絲化學(xué)成分如表1所示｡焊接前對鈦合金試板進行預(yù)處理：砂紙打磨-丙酮處理-水洗-酸洗-水洗-烘干｡其中，酸洗溶液配比(體積分數(shù)（5％~10％）HF+（20％~30％）HNO3+H2O｡焊接保護氣為99.99%Ar氣，在焊接試驗前5s通入保護氣，用以排出工件表面及背部周圍的空氣｡在焊接試驗完成后，再通入一段時間的Ar氣，繼續(xù)保護冷卻過程中的焊縫正反面高溫區(qū)域｡

表1 母材TC4鈦合金和TC3焊絲的質(zhì)量分數(shù)（%）

材料	Al	V	Fe	C	N	H	O	Ti
母材TC4	6.36	4.05	0.21	0.009	0.014	<0.0006	0.144	基材
TC3焊絲	4.50	3.50	0.25	0.005	0.016	0	0	基材

2、激光-熱絲焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

為獲得良好的焊縫，開展激光-熱絲焊接工藝參數(shù)試驗，研究不同焊接速度､激光功率､離焦量和熱絲電流等焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響｡

2.1激光功率和焊接速度的影響

激光功率和焊接速度是影響焊縫成形的主要因素，焊縫的熔深､熔寬及余高都隨之變化｡在焊接送絲速度設(shè)置為3m/min､擺動方式為垂直擺動､擺動幅度為2mm､擺動頻率為60Hz的焊接條件下，研究激光功率分別為2.0kW､2.5kW､3.0kW以及焊接速度分別為0.8m/min和1.0m/min對焊縫成形的影響｡表2所示為不同焊接速度和激光功率條件下焊縫表面形貌｡表3所示為不同焊接速度和激光功率條件下焊縫尺寸｡

由表2和表3可知：當(dāng)激光功率為2.0kW時，焊縫呈現(xiàn)較窄的熔寬､較淺的熔深和較大的余高等特點；當(dāng)焊接速度一定時，隨著激光功率逐漸增加，熔寬和熔深逐漸增大，余高逐漸減小，這主要是因為加大激光功率可增加小孔穩(wěn)定性，熔池尺寸增大，熔池金屬可較好地鋪展填充焊縫[12-13];當(dāng)激光功率都為3.0kW時，隨著焊接速度的增加，熔寬､熔深逐漸降低，焊縫余高變化不大，這主要是在激光功率保持不變的條件下，隨著焊接速度的增加，單位時間內(nèi)焊縫熱輸入能量降低，導(dǎo)致金屬熔敷量降低，熔池尺寸減小，使焊縫熔寬和熔深減小｡

表3 不同焊接速度和激光功率條件下焊縫尺寸

功率/kW	焊接速度/(m・min⁻¹)	熔寬/mm	熔深/mm	余高/mm
2.0	0.8	6.22	2.14	1.45
2.5	0.8	6.55	2.57	1.42
3.0	0.8	7.31	2.87	1.29
3.0	1.0	6.43	2.55	1.29

2.2離焦量的影響

離焦量△f是激光束焦點與待焊試板上表面的垂直距離｡照射在鈦合金板上的激光光斑的直徑與△f的大小有直接聯(lián)系，激光光斑越小能量密度越高，△f影響著鈦合金板材對能量的吸收率｡△f過大將使材料表面單位能量過低，導(dǎo)致鈦合金材料無法迅速熔化，大離焦量會顯著增大光斑直徑，產(chǎn)生更多的激光能量反射從而損傷焊接頭鏡片和光纖端面｡在激光功率設(shè)置為3.0kW､送絲速度為3m/min､焊接速度為0.8m/min､擺動方式為垂直擺動､擺動幅度為2mm､擺動頻率為60Hz的條件下，研究不同離焦量對焊縫成形的影響｡表4所示為不同離焦量條件下焊縫表面形貌｡表5所示為不同離焦量條件下的焊縫尺寸｡

由表4和表5可知：當(dāng)離焦量從0mm向正離焦變化時，熔寬增大､熔深和余高逐漸變淺，主要原因是隨著離焦量增大，光斑直徑相應(yīng)變大，熔寬增加，單位面積上激光能量逐漸降低，熔深逐漸降低；當(dāng)離焦量向負離焦變化時，熔寬和熔深增大，余高減小，主要原因是隨著離焦量變?yōu)樨撝担�激光焦點位于工件下方，材料內(nèi)部功率密度比表面更高，有助于光能的傳遞，從而可獲得更大的熔深；當(dāng)離焦量為-5mm時，可獲得較大的熔深和熔寬，但隨著離焦量繼續(xù)增至-10mm,由于激光能量過于分散，熔深反而減小｡

表5 不同離焦量條件下焊縫尺寸

離焦量/mm	熔寬/mm	熔深/mm	余高/mm
+10	7.52	2.27	1.43
+5	7.39	2.54	1.51
0	7.12	2.80	1.56
-5	7.30	2.89	1.51
-10	7.51	2.46	1.43

2.3熱絲電流的影響

在激光填絲焊接過程中，激光需要同時熔化母材和焊絲造成焊絲熔化效率較低｡在焊接之前對焊絲進行預(yù)加熱，可減小焊絲熔化對焊接熱源的依賴｡在不同熱絲電流條件下進行工藝試驗，探究熱絲電流對焊縫成形的影響｡在激光功率為3.0kW､焊接速度為0.8m/min､送絲速度為3m/min､離焦量為+5mm､擺動方式為垂直順圓､擺動幅度為2mm､擺動頻率為60Hz的條件下，探究不同熱絲電流對焊縫成形的影響｡表6所示為不同熱絲電流條件下的焊縫表面形貌｡表7所示為不同熱絲電流條件下的焊縫尺寸｡隨著熱絲預(yù)熱電流由0A增加到140A,由表6和表7可知：焊縫熔寬明顯增加，熔寬尺寸由6.65mm增大為7.86mm,增大18%;焊縫余高略有減小，余高由1.65mm減小為1.45mm,減小12%;焊縫熔深則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢｡

表7 不同熱絲電流條件下焊縫尺寸

熱絲電流/A	熔深/mm	熔寬/mm	余高/mm
0	1.69	6.65	1.65
20	1.77	6.87	1.65
40	1.75	6.90	1.56
60	1.89	7.14	1.59
80	2.19	7.31	1.56
100	2.76	7.69	1.31
120	2.46	7.64	1.42
140	2.49	7.86	1.45

3、鈦合金窄間隙雙面激光-熱絲焊接接頭組織和性能

3.140mm厚鈦合金窄間隙激光-熱絲焊接工藝試驗

為降低焊接變形和應(yīng)力，80mm厚鈦合金采用雙面坡口形式進行焊接｡先開展40mm厚鈦合金窄間隙激光-熱絲焊接試驗，為后續(xù)80mm厚鈦合金窄間隙雙面激光-熱絲焊接試驗提供基礎(chǔ)焊接工藝參數(shù)｡焊接參數(shù)如表8所示｡

表8 40mm厚鈦合金窄間隙激光-熱絲試驗焊接工藝參數(shù)

組號	功率/kW	焊接速度/(m・min⁻¹)	送絲速度/(m・min⁻¹)	離焦量/mm	擺動形式	擺動幅度/mm	擺動頻率/Hz
背部打底	3.0	0.8		+5	順圓	2	60
填充1~6層	3.0	0.8	3	+5	順圓	2	60
填充7~21層	3.0	0.8	3	+15	順圓	2	60
蓋面22層	3.0	0.8	3	+15	順圓	2	60

對焊接接頭橫截面進行顯微組織觀察，如圖2所示｡

由圖2可知：在焊縫底部出現(xiàn)氣孔，且在5層位置較密集，顏色發(fā)灰，說明該層保護不好；1~6層選用離焦量為+5mm,7層以后離焦量調(diào)為+15mm,其他焊接參數(shù)不變，在截面上未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷｡因此，后續(xù)80mm厚鈦合金窄間隙雙面焊接試驗依據(jù)此工藝參數(shù)進行打底､填充及蓋面試驗｡

根據(jù)前期鈦合金激光-熱絲焊接試驗結(jié)果，開展80mm厚TC4鈦合金窄間隙雙面激光-熱絲焊接工藝試驗，焊接試驗采用自熔打底､激光熱絲填充及蓋面的方法，填充時熱絲電流為80A,焊接工藝參數(shù)如表9所示｡隨著焊接試驗進行，坡口間隙變形量減小，填充效率降低，因此從第14層開始送絲速度增大為3.5m/min｡在進行蓋面時，考慮到單道焊縫存在咬邊，因此采用左右2道及中間1道共3道的方式進行蓋面，并根據(jù)坡口剩余深度，合理調(diào)節(jié)蓋面道的送絲速度｡

表9 80mm厚鈦合金窄間隙雙面激光-熱絲試驗焊接工藝參數(shù)

組號	功率/kW	焊接速度/(m・min⁻¹)	送絲速度/(m・min⁻¹)	離焦量/mm	擺動形式	擺動幅度/mm	擺動頻率/Hz
背部打底	3.0	0.8		+15	順圓	2	60
填充1~13層	3.0	0.8	3.0	+15	順圓	2	60
填充14~20層	3.0	0.8	3.5	+15	順圓	2	60
蓋面左右道	3.0	0.8	3.0	+15	順圓	2	60
蓋面中間道	3.0	0.8	2.0	+15	順圓	2	60

圖3所示為80mm厚TC4鈦合金窄間隙激光熱絲焊接接頭俯視圖與正視圖｡經(jīng)過觀察，該焊接接頭焊縫整體比較平直，顏色呈現(xiàn)亮麗的銀白色，焊縫成形良好｡

3.2焊接接頭微觀組織

圖4所示為80mm厚TC4鈦合金窄間隙激光熱絲焊接接頭橫截面形貌，根據(jù)工藝特征的不同可將接頭分為蓋面層､填充層和打底層等3個區(qū)域｡80mm厚鈦合金試板在焊接過程中采用雙面交替焊接，且對稱焊道的焊接工藝參數(shù)相同，焊接接頭兩面顯微組織基本對稱一致｡對單面焊縫蓋面區(qū)､填充區(qū)和打底區(qū)進行顯微組織觀察，各區(qū)顯微組織組成相同，沒有明顯差異，因此以蓋面區(qū)為例進行組織分析｡焊縫橫截面整體呈Ⅰ形，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)接頭中無明顯裂紋及側(cè)壁未熔合等焊接缺陷，分散分布的氣孔直徑小于0.2mm,并且整個焊接接頭變形量很小｡由圖4(c)虛線區(qū)域可知：焊接接頭焊縫區(qū)的組織以柱狀晶為主，其由兩側(cè)向焊縫中心處生長且呈對稱分布，這與柱狀晶沿著溫度梯度增大的方向生長方式有密切關(guān)系；同時由于高溫β相冷卻后保留的相界與生成新相的混合，焊縫組織中產(chǎn)生如圖4所示明暗相間的條紋[14-15]｡

圖5(a)所示為靠近焊縫側(cè)的熱影響區(qū)顯微組織形貌，該區(qū)域初始β相較少，數(shù)量較多的針狀馬氏體α排列密集且混亂｡圖5(b)所示為大倍數(shù)下熱影響區(qū)顯微組織形貌｡圖5(c)所示為靠近母材側(cè)的熱影響區(qū)組織形貌，馬氏體為該區(qū)域主要組織，原始晶界β相不再連續(xù)，由掃描電鏡可以看出，在該區(qū)域析出了數(shù)量較少的針狀α相(Acicularα)｡圖5(d)所示為蓋面區(qū)焊縫中心顯微組織｡圖5(e)所示為鈦合金母材，該區(qū)域組織以初生α相和(α+β)相為主｡由圖5可知，β相轉(zhuǎn)變成粗大的馬氏體，在焊接過程中由于快速冷卻，在β相晶界內(nèi)部生成并分布無擴散轉(zhuǎn)變的α相(α_m)｡查閱文獻可知：TC4鈦合金焊接件在焊接過程完成之后連續(xù)冷卻，當(dāng)冷卻速率達410℃/s時，完全β相轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;_m馬氏體；當(dāng)冷卻速率不足20℃/s時，完全β相轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)態(tài)α_t(Tranformedα)相[16]｡

3.3硬度測試

根據(jù)《船舶焊接接頭維氏硬度試驗方法》CB/T3770-1996,對80mm厚TC4鈦合金窄間隙激光-熱絲焊接接頭進行硬度測試，包含細晶區(qū)(Fine-GrainedZone,FZ)､熱影響區(qū)(HeatAffectedZone,HAZ)和母材(BaseMaterial,BM)等區(qū)域｡80mm厚TC4鈦合金窄間隙激光熱絲焊接接頭測試位置如圖6(a)所示｡由圖6可知，填絲層[見圖6(b)和圖6(c)]焊縫硬度范圍為310~330HV,自熔打底層[見圖6(d)]焊縫硬度范圍為350~370HV｡母材的硬度最低，這是由于母材組織由較多硬度較低的β相晶粒與初生α相晶粒組成｡焊縫中心區(qū)的組織存在尺寸較為粗大的針狀α_m馬氏體，在經(jīng)歷相變強化后的針狀α_m馬氏體在溶質(zhì)元素的偏聚與固溶強化的雙重影響下，Al元素在α_m馬氏體中固溶，形成大量溶質(zhì)氣體原子，這些溶質(zhì)氣體原子與位錯發(fā)生強烈的交互作用，因此其平均硬度較高｡然而，由于焊縫中心的晶粒組織較為粗大，因此焊縫中心區(qū)的硬度與母材區(qū)相比提升較為有限[17-18]｡熱影響區(qū)存在大量細小的針狀α_m馬氏體和部分初生等軸α相晶粒，其中與尺寸粗大的針狀α_m馬氏體相比，尺寸細小的針狀α_m馬氏體具有更多的晶界和位錯數(shù)量，可有效提高合金的硬度，因此熱影響區(qū)硬度明顯大于焊縫和母材區(qū)域[19-20]｡

3.4拉伸試驗

參照《焊接接頭拉伸試驗方法》GB/T2651-2008,對80mm厚TC4鈦合金窄間隙激光-熱絲焊接接頭拉伸性能進行檢驗｡拉伸試樣厚度為16mm｡80mm厚TC4鈦合金窄間隙激光-熱絲焊接接頭斷裂位置均為母材，如圖7所示｡表10所示為80mm厚TC4鈦合金焊接接頭拉伸性能｡由表10可知：接頭的拉伸強度均比母材高，最大值達1007.0MPa,平均抗拉強度為961.5MPa｡由于在焊縫區(qū)域中β相轉(zhuǎn)化為α_m馬氏體､合金元素的固溶強化以及接頭局部產(chǎn)生的加工硬化，因此焊接接頭強度顯著提高，但同時焊接接頭塑性下降，拉伸件的延伸性與母材相比有所降低[21-22]｡

表10 80mm厚TC4鈦合金窄間隙激光-熱絲焊接接頭拉伸性能

編號	抗拉強度/MPa	斷裂位置	編號	抗拉強度/MPa	斷裂位置
1-1	1007.0	母材	2-1	967.0	母材
1-2	945.0	母材	2-2	952.0	母材
1-3	932.0	母材	2-3	932.0	母材
1-4	950.0	母材	2-4	948.0	母材
1-5	994.0	母材	2-5	988.0	母材

4、結(jié)論

(1)在鈦合金平板表面進行堆焊，當(dāng)焊接速度不變時隨著激光功率的逐漸增加，熔寬､熔深增大，余高減小｡當(dāng)激光功率不變時隨著焊接速度的增加，熔寬､熔深減小，余高變化不大｡當(dāng)離焦量從0mm向正離焦變化時，熔寬增大，熔深､余高減小｡當(dāng)離焦量向負離焦變化時，熔寬､熔深增大，余高減小｡隨著熱絲電流增大，焊縫熔寬明顯增加，焊縫余高略有減小，熔深則呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象｡

(2)焊接參數(shù)選用激光功率3.0kW､焊接速度0.8m/min､填充時送絲速度2.0~3.5m/min､離焦量+15mm,此時80mm厚TC4鈦合金激光熱絲焊縫具有較好成形且無明顯缺陷｡接頭蓋面區(qū)針狀α馬氏體呈密集排列，且晶粒較為粗大，熱影響區(qū)的針狀α馬氏體與焊縫中心區(qū)域相比，尺寸明顯更小，母材主要由初生α相與β相組成。

(3)接頭焊縫區(qū)整體硬度均高于母材，硬度分布規(guī)律為熱影響區(qū)>焊縫區(qū)域>母材｡填絲層焊縫處的平均硬度約320HV,自熔層焊縫平均硬度為360HV｡拉伸試樣斷裂位置均位于母材，焊接接頭的拉伸強度都大于母材，平均抗拉強度為961.5MPa,最大值達1007.0MPa｡

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（注，原文標(biāo)題：厚壁鈦合金窄間隙激光-熱絲焊接工藝對接頭性能的影響）

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tag標(biāo)簽:厚壁TC4鈦合金,窄間隙激光-熱絲焊接,離焦量,激光能量吸收,焊縫尺寸,柱狀晶,組織性能協(xié)同優(yōu)化

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