異質鈦合金激光焊研究現狀及存在問題
異質鈦合金激光焊研究現狀及存在問題
鈦合金具有優良的綜合性能， 近年來應用越來越廣泛。不同鈦合金各具特點， 鈦合金因其具有低密度、高比強、耐高低溫、耐蝕、可焊及無磁等優良的綜合性能，在航空、航 天、艦船、化工等領域獲得越來越多的應用， 我國對鈦合金的需求量更是以每年２０％ ～３０％的速度增加。目前，已發明和應用的不同鈦合金在化學成分、顯微組織、性能、制造成本以及用途等方面各具特點 。將２種異質鈦合金進行混合連接，可最大發揮相應鈦合金自身優勢性能， 實現制造成本的最低化，對于提升裝備綜合性能具有重要意義 。激光焊技術具有能量密度高、 深寬比大、 焊后接頭焊縫區和熱影響區窄、接頭殘余應力及變形程度小、 焊后加工少甚至不加工以及易實現自動化等優點，已被廣泛用于各類金屬材料的連接 。 將２種異質鈦合金通過激光焊連接成滿足使用要求的復合構件，可最大程度地發揮不同鈦合金的優勢特點， 對于提升裝備綜合性能具有重要意義。文中綜述了近年來國內外關于異質鈦合金激光焊的研究現狀和成果， 并分析了異質鈦合金激光焊存在的問題， 提出了不等厚鈦合金連接的結構設計想法，展望了未來發展趨勢 為異質鈦合金激光焊的研究提供參考。
異質鈦合金激光焊接研究現狀
不同鈦合金各具特點， 例如， 典型的 α＋β 型鈦合金ＴＣ４（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ） 是最早開發并成功得到應用的鈦合金， 加工技術已較為成熟， 制造成本相對其他鈦合金較低， 是迄今為止應用最為廣泛的鈦合金， 具有中等強度和適用的塑性等綜合力學性能；Ｔｉ２ＡｌＮｂ 合金作為一種新型高溫鈦合金， 具有較高的比強度和比剛度、 耐高溫、 抗氧化等特點， 適合在 ６５０～７５０ ℃高溫范圍內使用， 是最具潛力的新型航空航天用輕質高溫結構材料， 但其熱加工工藝較難控制， 成品率低， 制造成本較高。將２種異質鈦合金通過激光焊連接成為滿足使用要求的復合構件， 可最大發揮不同鈦合金的優勢特點， 例如， Ｔｉ２ＡｌＮｂ 等高溫鈦合金存在加工工藝難、 制造成本高等缺點， 限制了其應用推廣， 如果僅在耐高溫部位使用高溫鈦合金， 而在低溫部位使用成本相對較低的ＴＣ４ 等常規鈦合金， 既可以保證構件高溫性能， 又可以大大降低制造成本。近年來， 國內外研究人員對異質鈦合金激光焊的研究大都集中在異質等厚鈦合金， 主要集中在 Ｔｉ２ＡｌＮｂ（Ｔｉ－２２Ａｌ－２５Ｎｂ） ∕ＴＣ４（Ｔｉ－６Ａｌ－ ４Ｖ）、 高溫鈦合金 Ｔｉ２ＡｌＮｂ、 常用鈦合金 ＴＣ４ 等與其他鈦合金等， 研究了其激光焊工藝， 接頭的顯微組織、 相組成、硬度、力學性能、斷裂特性等性能， 而對于異質不等厚鈦合金激光焊方面研究未見到相關報道。
利用激光焊得到了成形良好的異質等厚鈦合金 Ｔｉ － ２２Ａｌ － ２５Ｎｂ∕Ｔｉ － ６Ａｌ － ４Ｖ 接頭， 分析了接頭顯微組織和力學性能。結果表明：接頭焊縫區主要由 Ｂ２ 相和 α′馬氏體相組成， 兩側熱影響區顯微組織由于母材原始組織不同而不同， Ｔｉ － ２２Ａｌ－２５Ｎｂ 側熱影響區顯微組織主要由 Ｂ２ 相、 Ｏ 相 和 α２ 相組成， Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 側熱影響區主要由 α 相、 β 相和 α′馬氏體相組成；ＥＤＳ 分析結果表明：由于焊接過程中的劇烈攪拌作用， 焊縫區和熱影響區各元素分布基本均勻；由于焊縫區 α′馬氏體相較多， 顯微硬度最大；室溫和 ６５０ ℃ 高溫拉伸時斷裂均發生在焊縫區。
研究了不同焊后熱處理對異質等厚鈦合金 Ｔｉ－１５－３∕ＳＰ７００ 激光焊接頭組織和性能的影響規律。結果表明：未經焊后熱處理的接頭焊縫區組織由 β 相組成， 無沉淀相析出， 硬度較低；采用不同溫度進行熱處理后， 焊縫區硬度升高， 當熱處理溫度從 ４２６ ℃ 提高到 ４８２ ℃ 時， 焊縫區 β 相 基體中會析出大量針狀 α 相， 產生時效硬化現象， 熱處理溫度繼續升高至 ５９３ ℃ 時， 會形成板條狀 α 相， 導致硬度降低， 韌性提高。
對異質等厚鈦合金 Ｔｉ－２２Ａｌ－ ２５Ｎｂ∕ＴＡ１５ 進行了激光焊， 分析比較了單光束和雙光束激光焊接頭顯微組織和力學性能。結果表明：采用單光束激光焊時， 由于 β 相的存在和接頭快速冷卻， 焊縫區僅由 Ｂ２ 相組成， 但采用雙光束激光焊時， 由于冷卻速率的降低， 焊縫區形成了 Ｏ 相組織；單雙光束激光焊后， 接頭顯微硬度分布規律相同， 焊縫區的顯微硬度均低于兩側母材的硬度， 但雙光束激光焊接頭焊縫區顯微硬度略高于單光束激光焊接頭的；在室溫拉伸時， 斷裂均發生在焊縫區， 單光束激光焊接頭的斷口形貌為準解理斷面， 而雙光束激光焊接頭的斷口形貌為韌窩狀， 雙光束激光焊可以提高 Ｔｉ－２２Ａｌ－２５Ｎｂ∕ＴＡ１５接頭的強韌性。
研究了飛機結構用異質等厚鈦合金 Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ∕ｃｐ－Ｔｉ 激光焊 Ｔ 形接頭工藝。結果表明：激光焊工藝參數對接頭質量具有較大影響， 焊接過程中采用氬氣保護氣體， 會影響到接頭質量；激光功率較小時， 會產生未焊透等缺陷；激光功率較大時， 焊接缺陷主要是燒傷。
研究了異質等厚鈦合金ＴＣ４∕ＴＡ１５ 激光焊接頭顯微組織和力學性能。結果表明：選用合理的激光焊工藝參數， 可以得到表面均勻、 無焊接缺陷的 ＴＣ４∕ＴＡ１５ 接頭；焊縫區顯微組織由粗大的柱狀晶組成， 含有大量針狀 α 相和馬氏體 α′相， 焊縫區顯微硬度明顯高于兩側母材的硬度， 焊縫寬度隨著激光功率的增大和焊接速度的降低而變寬；模擬結果顯示， 隨著應變速率的增加， 焊接接頭抗拉強度和屈服強度均提高， 而硬化能力和應變硬化指數則降低， 不同應變速率下拉伸時接頭均 在 ＴＡ１５母材側斷裂， 且為韌性斷裂。
對異質等厚鈦合金 Ｔｉ － １５Ｖ－ ３Ｃｒ－３Ａｌ－３Ｓｎ∕Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 進行了激光焊， 并研究了焊后熱處理對接頭顯微組織和性能的影響規律。結果表明：焊縫區顯微組織主要以 α″為主， 伴隨少量 α 相和 β 相；當熱處理溫度為 ４２６ ℃ 時， 焊縫區形成致密的組織， 析出較多細小沉淀相， 使其硬度升高， 隨著熱處理溫度的逐漸升高， 焊縫區逐漸形成了片狀和片狀 α 相混合組織， 使焊縫區硬度降低。
異質鈦合金激光焊接研究現狀
國內外研究現狀表明， 利用激光焊能量密度高、 深寬比大、 變形程度小等優點， 能夠實現鈦合金異質接頭的可靠連接， 并能夠有效降低接頭熱影響區范圍以及焊件的焊后殘余應力， 提高焊接質量和效率。
但由于異質鈦合金中化學成分不同， 板材原始加工成形工藝復雜且不相同， 對成分變化及熱過程敏感。激光焊時高溫會使兩側母材熱影響區組織發生變化， 母材重熔完全破壞了原有組織平衡狀態， 焊縫快速冷卻凝固后顯微組織與兩側母材存在較大差別， 容易出現粗大組織， 且兩側母材化學成分不同， 導致焊縫組織容易出現不均勻現象。部分異質鈦合金在激光焊后， 焊縫區顯微硬度明顯低于兩側母材的， 出現軟化現象。上述問題導致異質鈦合金 激光焊構件在后續機械加工和工況使用過程中極易在焊縫處斷裂， 最終引起整體部件失效。
同時， 目前國內外對異質鈦合金的激光焊大多集中在等厚板材焊接， 未曾發現對不等厚鈦合金的激光焊研究與應用。實際工程應用中， 在采用異質材料連接的基礎上， 進一步采用不等厚板連接的結構設計， 在強度要求高的部位使用厚板， 在強度要求低的部位使用薄板， 可進一步實現輕量化、 降低制造成本。
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