鈦合金具有重量輕、韌性好、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，特別適用于航空航天材料，隨著汽車(chē)、自行車(chē)輕量化的要求，鈦合金的應(yīng)用也越來(lái)越多[1-3]。
鈦合金具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)（15.24W/(m.K)）以及較低的膨脹系數(shù)（約9.41×10-6~10.03×10-6℃-1），且對(duì)激光的吸收率較低，約為0.4%，以及較高的熔點(diǎn)（1670℃）[4]，這些屬性意味著需要較高的熱量輸入，才能實(shí)現(xiàn)鈦合金的焊接，而過(guò)高的熱量輸入可能會(huì)導(dǎo)致焊縫氣化，產(chǎn)生焊接缺陷，進(jìn)而降低焊縫的抗拉強(qiáng)度。
激光焊接時(shí)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(duì)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(fèi)了能量，同時(shí)增加了熱影響范圍[10-13]。對(duì)材料表面進(jìn)行處理，可以增加材料對(duì)激光的吸收率，如對(duì)鋁合金表面進(jìn)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(duì)激光的吸收率，可以得到較好的焊接效果[16]。截至目前，
國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)有對(duì)鈦合金表面進(jìn)行處理后進(jìn)行激光焊接的報(bào)道出現(xiàn)。
文中對(duì)鈦合金TC4表面進(jìn)行處理，然后進(jìn)行激光焊接，研究表面處理對(duì)激光焊接焊縫熔深、微觀組織和力學(xué)性能的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)參考。
1、焊接實(shí)驗(yàn)
1.1材料
實(shí)驗(yàn)材料為鈦合金，牌號(hào)為T(mén)C4，厚度為2mm，將板材切割為100mm×50mm。采用夾具將材料夾緊，激光焊接過(guò)程中，采用99.99%的氬氣對(duì)焊縫表面進(jìn)行保護(hù)，TC4鈦合金的化學(xué)成分如表1所示。
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2000W，波長(zhǎng)為1064nm，光纖芯徑為100μm，激光器為武漢銳科激光公司提供，型號(hào)為RLF-C2000，激光束經(jīng)過(guò)加工頭聚焦后，在激光焦點(diǎn)處的光斑大小為0.4mm。激光加工頭固定不動(dòng)，三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)載具及材料運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1a所示。焊縫接頭的抗拉強(qiáng)度采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，由珠海三思泰捷公司提供，型號(hào)為CMT4102，測(cè)試平臺(tái)如圖1b所示。
2、工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1材料表面處理
在激光焊接前，對(duì)鈦合金TC4表面進(jìn)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(shí)，采用600目的水砂紙對(duì)板材表面分別進(jìn)行橫向和縱向打磨，時(shí)間各為3min，砂紙打磨后的材料表面平整，無(wú)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?yàn)橹?。激光掃描處理采?00W光纖激光器，平均功率為100W，頻率為10~2000kHz，波長(zhǎng)為1070nm，光纖芯徑為14μm，激光束經(jīng)過(guò)加工頭聚焦后，在激光焦點(diǎn)處的光斑大小為0.028mm，可以對(duì)材料表面進(jìn)行激光掃描，在表面形成網(wǎng)格圖形，增加材料對(duì)激光的吸收率。
2.2激光焊接焊縫強(qiáng)度測(cè)試
采用最大功率3000W的光纖激光器對(duì)4種表面處理后的鈦合金TC4板材進(jìn)行激光焊接。經(jīng)過(guò)測(cè)試，采用的焊接工藝參數(shù)為，激光功率2600W，焊接速度為50mm/s，離焦量為+2mm，采用氬氣對(duì)焊縫表面進(jìn)行保護(hù)，氬氣流量為10L/min。將焊接樣品采用線切割機(jī)切割成標(biāo)準(zhǔn)式樣，采用拉力測(cè)試機(jī)測(cè)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(zhǎng)度）得到焊縫的抗拉強(qiáng)度值。表面未處理的焊縫抗拉強(qiáng)度為587MPa，為母材（抗拉強(qiáng)度為895MPa）的50%左右。砂紙打磨處理后的焊縫抗拉強(qiáng)度為889MPa，非常接近母材的抗拉強(qiáng)度。噴砂處理和涂覆石墨層后的焊縫抗拉強(qiáng)度分別為683MPa和678MPa，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(qiáng)度為1106MPa，大于母材。
2.3激光焊接焊縫切片分析
對(duì)焊縫進(jìn)行切片分析，焊縫切片如圖2所示，其中圖2a為未進(jìn)行表面處理的焊縫切片，焊縫熔深較小，為1.50mm，這可能是因?yàn)殁伜辖饘?duì)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(qiáng)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2.02mm，相對(duì)于未進(jìn)行表面處理的焊縫，熔深增加了30%，這是因?yàn)樯凹埓蚰ズ?，材料表面形成漫反射，提高了材料?duì)激光的吸收率，進(jìn)而增加了焊縫熔深，使焊縫抗拉強(qiáng)度增加到接近母材的抗拉強(qiáng)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(duì)于未進(jìn)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(qiáng)度較低，這可能是因?yàn)閲娚疤幚硪约巴扛彩珜㈦s質(zhì)引入到了焊縫中，在熔池冷卻凝固過(guò)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1.99mm，達(dá)到材料本身的厚度，表明材料被焊透，且焊縫內(nèi)部無(wú)裂紋及氣孔，這是因?yàn)榧す鈷呙韬?，在材料表面形成毛化現(xiàn)象，增加了材料對(duì)激光的吸收率，提高了焊縫的熔深，同時(shí)激光掃描過(guò)程中，未引入任何的雜質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生裂紋及氣孔，使焊縫的抗拉強(qiáng)度大于母材。
2.4焊縫微觀結(jié)構(gòu)分析
進(jìn)一步對(duì)4種表面處理后的鈦合金TC4激光焊縫微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，焊縫的熔合區(qū)500倍放大如圖3所示，其中圖3a對(duì)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(duì)應(yīng)為噴砂處理，圖3c對(duì)應(yīng)為涂覆石墨層處理，圖3d對(duì)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(duì)圖像仔細(xì)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(huì)導(dǎo)致焊縫脆化，降低焊縫的抗拉強(qiáng)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(wú)雜質(zhì)，使焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最高的1106MPa，超過(guò)了母材的強(qiáng)度。
3、結(jié)論
研究了表面處理對(duì)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(qiáng)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(xì)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(wú)雜質(zhì)，使焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最高的1106MPa，超過(guò)了母材的強(qiáng)度。
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