激光叠焊接头显微组织及力学性能分析

1、程东海第30卷第3期焊 接 学 报Vol. 30 No. 32 0 0 9 年 3 月TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION March2 0 0 9激光叠焊接头显微组织及力学性能分析程东海1 ,黄继华1 ,杨静J张华1 ,郭和平2（1.北京科技大学，北京100083; 2.北京航空制造工程研究所，北京100024）摘 要：采用OM ,SEM分析了 TC4钛合金激光叠焊接头各部分显微组织特征，研究了接头力学性能.结果表明,TC4钛合金激光叠焊接头显微组织由焊缝及热影响区组成,焊缝为针状马氏体a '交织成的网篮状组织.0. 8 mm厚T

2、C4钛合金薄板激光叠焊最佳工 艺参数为功率1 8002 350 W,焊接速度为1. 52. 5 mUnin，此时拉伸试样平均单位长 度焊缝承载力为458 Nnnm ,连接焊缝最大抗剪强度达732 MPa.拉伸过程焊缝截面轴线偏转角9与接头承载能力相关,9角越大，接头承载能力越强.关键词：钛合金；激光叠焊；组织性能中图分类号：TG405文献标识码：A文章编号：0253 - 360X（2009）03- 0085 - 041试验方法E1 1994-2&D9 China Acduzvik： Junimjl EIjlicItimix 九hlishitr tlkjusi!. All rishis

3、reserved.hlipTzww_E1 1994-2&D9 China Acduzvik： Junimjl EIjlicItimix 九hlishitr tlkjusi!. All rishis reserved.hlipTzww_Ti26Al24V具有比重轻、比强度高、耐蚀性和高 温抗蠕变性能好等特点，已成为航空航天工业和电力工业中最具魅力的材料.现阶段可用于TC4钛合 金的焊接方法有钨极氩弧焊、等离子弧焊、激光焊、 真空电子束焊及扩散焊.而激光焊接因具有能量密 度高和焊接速度快、焊缝成形好、焊件变形小、易实 现自动化、生产效率高等优点，正逐步成为焊接钛合 金的主要方法.在飞行器的

4、制造过程中，有些蒙皮 与桁架的连接采用叠焊接头可成形复杂结构、提高材料利用率、减少零件重量.还有一些结构件的制 作需要将叠焊焊接与其它成形工艺组合，能减少成形工序，提高材料利用率、降低成本，如超塑n旱接成 形.目前超塑I扩散焊成形组合工艺是研究的重点，但扩散焊接使工件高温停留时间长，晶粒长大严重， 影响零件的力学性能.而激光焊接接头组织细小,性能优良且不存在上述缺点.因此激光焊接I超塑 成形组合工艺具有很大的应用前景，对激光叠焊接头组织与性能的研究具有重要意义 .关于TC4钛合 金激光焊接焊缝组织性能的报道已有一些 1-3,但 是对TC4钛合金激光叠焊接头力学性能的研究还 未见报道.因此,文中

5、分析了 TC4激光叠焊接头焊 缝各区域显微组织、焊缝组织对接头力学性能的影 响以及叠焊接头拉伸过程中的受力变形过程.收稿日期:2008 - 01 - 21试验材料为0.8 mm厚的TC4钛合金薄板，其化 学成分（质量分数,%）为Al 5. 506. 75,V 3. 50 4150 ,Fe <0. 5 ,C <0. 1 ,O <0. 20 ,N <0. 05，接头形式 为叠焊接头.焊前板材清理工序:5 %10% NaOH酒精碱溶液清洗除油，清水冲洗,5 %HF + 30 %HNQ水溶液酸洗去除表面氧化物，清水冲洗，烘干并保存 在干洁器皿中.试验使用CO2快轴激光器，功率范

6、围为100 4 000 W ,模式为TEM01模，透镜聚焦，焦距为 190. 5 mm,聚焦后的光斑直径 <0.2 mm.试验工艺参 数为离焦量-0. 8 mm,激光功率为 1 4002 350 W. 焊接速度为1.53. 0 mimin.焊接过程气体保护良 好，焊缝成银白或淡黄色，经X射线探伤仪检测焊缝内部没有观察到气孔和裂纹.拉伸试验在 MTS810力学性能试验机上进行，试样尺寸如图1所 示.金相试样打磨抛光后用5 %HF + 10 %HNQ水溶液侵蚀，使用imagetool软件测量晶粒尺寸及焊缝 宽度.拉伸过程中叠焊接头受拉伸 、弯曲、剪切等多种 应力作用，受力情况复杂且断裂位置不

7、同，不能用常 规的强度来表征接头的性能.因此，采用单位长度 接头所能承受的载荷来表征叠焊接头的承载能力.研究发现，叠焊接头拉伸过程中焊缝截面轴线会发 生一定偏转，且偏转角度9与连接焊缝宽度、连接焊 缝所受剪切力以及接头承载能力相关，于是对焊缝E1 1994-2&D9 China Acduzvik： Junimjl EIjlicItimix 九hlishitr tlkjusi!. All rishis reserved.hlipTzww_86焊接学报第30卷截面轴线偏转角0进行了研究90疏始试样图1叠焊试样拉伸变形示意图（mm）FigllScheme of deforming sampl

8、es2试验结果及讨论2. 1母材及叠焊接头显微组织TC4钛合金母材组织为等轴a + B相，B相分布在a晶粒边界处，晶粒尺寸在5 um左右，如图2a所 示.叠焊接头显微组织由焊缝和热影响区两部分组 成.焊缝中是粗大的原始 B柱状晶粒.熔池凝固过 程中，原始B晶粒在熔合区以半熔化金属为基底形 核,并沿热流传递相反方向长大，最终形成取向各异的粗大柱状晶粒，图2b所示为接头截面组织，三维 晶粒的不同取向使二维截面组织中的晶粒呈各种不 同形态.合金元素在3相区温度范围内的扩散速率 是在a相区扩散速率的100倍左右，柱晶区焊缝高 温停留时间长，原始3晶粒粗大，晶粒尺寸在0.3 0.8 mm,是母材晶粒尺寸

9、的4060倍.焊缝快速冷却过程中，原始3晶粒内部发生马 氏体相变，马氏体a'是合金元素在a相中的过饱和 固溶体.针状a'马氏体相在原始3柱状晶内部形核 长大,先形成一根或若干根互相平行的一次a',并在长距离内扩展贯穿整个晶粒，遇晶界停止.接着形成一系列相对细小的二次针状a',遇晶界或一次马氏体而停止，导致焊缝形成了典型的网篮状组 织4.其塑性、蠕变抗力及高温持久强度等综合性 能都较好.马氏体对焊缝产生界面强化，使焊缝强硬度升高，塑韧性略有降低.焊缝热影响区（HAZ）组织为a + 3 + a'相，上板 热影响区宽0.6 mm左右，下板热影响区略窄 ，宽约

10、0.55 mm.热影响区针状组织没有焊缝区域多 ，且分布不均匀.靠近熔合线部分较之远离熔合线的区域 晶粒更为粗大，针状马氏体数量多且更密集（图2c,d）.针状马氏体的生成增加了热影响区的强硬度，但粗大原始3晶粒同时增加了热影响区脆性.（M）心材（B）fth:）说近邯材（d）能近熔合区的HAE图2叠焊接头各区域显微组织Fig12 Micro structure of weld joints2. 2TC4钛合金激光叠焊接头拉伸力学性能TC4钛合金激光叠焊接头拉伸性能试验采用单© 1994-2009 ChinaJonmiLsI Eltelri-mit: PuhlisiiLtigAll ri

11、岂tw reiDOil.ww.tnki.nel第3期程东海，等：激光叠焊接头显微组织及力学性能分析87位长度接头所能承受的最大载荷表征叠焊接头的承 载能力，如式(1)所示试验结果如表1所示.J=*(1)式中:J为单位长度接头所承受的载荷；F为试样所受的载荷；1为试样中接头的长度当焊接速度高，中间连接焊缝宽度较窄时，试样 在连接焊缝处断裂当焊接速度低，中间连接焊缝 宽度较宽时，连接层的承载能力足够大，试样断裂在 热影响区.0.8mmTC4钛合金板激光叠焊试样承载 能力均较高，最佳工艺参数为：功率1 8002 350 W.速度1.52.5 mltnin，平均单位长度焊缝 承载力为458 Nltnm

12、，中间焊缝最大剪切应力为732 MPa.第3期程东海，等：激光叠焊接头显微组织及力学性能分析#第3期程东海，等：激光叠焊接头显微组织及力学性能分析#表1 TC4钛合金激光叠焊接拉伸性能Table 1 Mechanical propertie s of TC4 la ser lap joints编号焊接功率PIW焊接速率eT-y 帀 *0 P.1*vn(m?mi n -1)连接焊缝宽度bHnm偏转角ert °连接焊缝抗剪强度RrlMPa单位长度焊缝承载能力Jgm-1)断裂位置11 4001.50. 76. 5> 579408HAZ21 4002.00. 74> 608428

13、HAZ31 4002.50.682607413连接焊缝41 6001.50. 766. 5> 515394HAZ51 6002.00.646688442连接焊缝61 8001.50. 919> 512471HAZ71 8002.00. 758> 589446HAZ81 8002.50.658. 5> 652429HAZ91 8003.00. 64. 5722435连接焊缝102 0001.51.0510> 471502HAZ112 0002.00. 727> 570414HAZ122 0002.50. 7210> 655479HAZ132 0003.0

14、0.6616> 609418HAZ142 3501.51.359> 332453HAZ152 3502.01.036. 5> 475492HAZ162 3502.50.654. 5732398连接焊缝172 3503.00. 582599426连接焊缝第3期程东海，等：激光叠焊接头显微组织及力学性能分析#第3期程东海，等：激光叠焊接头显微组织及力学性能分析88试样拉伸过程中，焊缝两侧所受拉力不同轴时 (图1),接头截面轴线会发生一定的偏转，偏转角度与焊缝宽度及所受拉力大小有关 .图3a所示为连 接焊缝宽度与焊缝轴线偏转角之间的关系 ，随连接 焊缝宽度增加偏转角增加，到10。后

15、持平.图3b所示为焊缝轴线偏转角与连接焊缝抗剪强度之间的关 系，连接焊缝所受的抗剪强度随偏转角的变化呈现 规律变化，当焊缝轴线偏转角小于 6时，连接焊缝剪 切应力平均值约为 667 MPa ,试样在连接焊缝断裂. 这是因为试样在受拉力作用时，接头连接焊缝承受剪切应力作用，当焊接热输入较低时，连接焊缝较窄，不足以承受剪切力，试样断裂发生在连接焊缝，焊缝截面轴线会发生较小的偏转，偏转角小于 6.当焊缝偏转角大于 6。时，连接焊缝剪切应力平均值 随角度的增加而减小，试样均在热影响区断裂.这是因为当连接层较宽而承载能力足够时，焊缝扭转在热影响区产生很大的弯曲正应力，而且连接焊缝边缘是直角边，会产生应力

16、集中，当偏转角大于 6° 时，热影响区会发生屈服，接头发生迅速变形，然后 断裂.由以上分析可知，拉伸过程焊缝截面轴线偏 转角9 一定程度上反映了接头承载能力大小，随着连接焊缝宽度增加 9角增大，同时接头承载能力上 升.当9角大于6时，接头在热影响区破坏连接焊缝所受剪切力不足以反映连接层的剪切强度，这也是文中采用单位长度接头承受载荷来表征叠焊接头 承受能力的原因之一.采用SEM观察了接头不同断裂位置断口形貌，如图4a,b所示，可看出在连接层及热影响区处的断 口均呈现细小的韧窝花样，表现出明显的韧性断裂 特征.焊缝断韧窝花样呈抛物线形且向中心拱起，第3期程东海，等：激光叠焊接头显微组织及

17、力学性能分析#第3期程东海，等：激光叠焊接头显微组织及力学性能分析#© J 994-2009 China Ataduznic Journii FJxiclriMix PuhlisiiLng -ouse- All rightsw ki .ntt89焊接学报第30卷0.60.8 L0 1.2J.4中度 «/mm间申同层宽度与偏转肃的提療馆转角#/()(b)申阿层杭抑强度与個转角的茏系课转肃已心)仗)单位良厦接久騎筈载荷与偏转肃图3焊缝轴线偏转角与叠焊焊缝性能的关系Figi3 Relationship between 0 and mechanical propertie s

18、69;Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接学报第30卷©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接学报第30卷II HAZW 口图4叠焊接头拉伸断口形貌Fig14 Tension fracture appearance of lap joints显示出断裂是从焊缝边缘起裂并逐步往焊缝内部扩 展3结 论响区也存在微量的细小马氏体，且呈梯

19、度分布.(2) 0.8 mm厚TC4钛合金薄板激光叠焊最佳工艺参数功率为1 800- 2. 350 W,速度为1.5215mimin ,此时拉伸试样在热影响区破坏，平均单位长度焊缝承载力为458 Nnmm，连接焊缝最大抗剪强度 达 732 MPa.(3) 拉伸过程焊缝截面轴线偏转角0反映了接头承载能力大小，随着连接焊缝宽度增加，0角增大，接头承载能力上升.同时0角与试样破坏位置 相关，当0小于6° ,试样在连接焊缝破坏.当0大于 6°，试样在热影响区破坏，断口呈塑性断裂特征.参考文献：1 Winco K C, Yung B R, Lee W B. An investigat

20、ioninto welding pa2 rametersaffecting the tensile propertiesof titanium weldsJ . Journal of Materials ProcessingTechnology, 1997 (63) : 759- 764.2刘顺洪，彭善德，项 凡.TC4钛合金激光搭接焊的研究J . 电焊机,2006 , 36 ：24 - 29.Liu Shunhong PengShande, Xiang Fan. A studyon laser lap welding of Ti2SAl24V alloyJ . Welding Machine

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22、, 1997, 65: 203 - 208.©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接学报第30卷©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接学报第30卷(1)叠焊接头显微组织由焊缝及热影响区组 成，焊缝组织为粗大的原始3柱状晶粒，晶粒尺寸为0. 30. 8 mm,晶粒内部为针状马氏体组织.热影作者简介:程东海，男,1984年出

23、生,博士研究生.主要从事钛合 金激光焊接方面研究.发表论文5篇.Email: chengdonghaicd. cn©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet#焊接学报第30卷©Cltinzi Aciduziiiiu Journal Eliiclrisnic Publishing R-ousu- All r聞血ww.tiiki.tiet2O00I30N3TRANONSFTHENAWHNGNSUONVsensorGCYfeng ZHNGuaXAQiaMac33

24、0031ti onslthpwleWreq ueweydngoatyhwidtif thecalguterougOtismcEthedstainandhee FObResekllrdtlNanclUngmNlan sultihoWatheieatoWeldVegotoofrequeicChinaNa 门131如睜|13由恥33000 fro019tO30thwiddhihecalyUisfromc3mm nap8-184whimteajnsWelcpi4grmance.WeldinghtitUdentificsttioiecesKey words: dol2|lmsml(WeIc|iIlg2f

25、hequenc£cy)ndttilOialazmtorwEaiicSinarackingprove lo2WequmweycVegcWyC01hmcalgureweIdq1ua|WyhiiIhcIuChelmte(0fWellcbng|CmviatioanchclinaFirEtmathenrmCelfiaN£ngSl Numerical simulation on temperature field of electron beambu ,ia nthelileharadanlBethspCeserBaSmdwelding of AZ 61 magnesium alloyLUO, LUJinhYE thtrmtemelilfaDmsaioqubyoltati