激光-MIG焊接工藝參數(shù)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(yè)中應(yīng)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(yīng)用的一個因素[4?7]。因此，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)針對性開發(fā)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(chǔ)上，降低材料成本，滿足其大規(guī)模推廣應(yīng)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(tǒng)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(shù)，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(nèi)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(chǔ)上，重點研究和分析激光?MIG復合焊接工藝參數(shù)、接頭成形規(guī)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(jù)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(guī)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(tǒng)為KUKAKR16機器人系統(tǒng)，激光器為IPG公司出產(chǎn)的10kW光纖激光器，激光器參數(shù)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(shù)的打底焊接與蓋面焊接，觀察不同參數(shù)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(cè)50mm范圍內(nèi)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(jié)果及分析

2.1　打底焊接參數(shù)

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(shù)，對打底焊過程的穩(wěn)定性和焊縫成形都有很大影響。分別設(shè)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(wěn)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(tài)，并不穩(wěn)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(tài)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(xiàn)為熔深有所下降，熔池高度增加，坡口兩側(cè)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(chǎn)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(cè)的母材熔化量減少，可見焊縫兩側(cè)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(xiàn)熔合不良的現(xiàn)象。

2.2　蓋面焊接參數(shù)

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(shù)，包括電弧電流、焊接速度、蓋面層數(shù)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(yīng)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(xiàn)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(wěn)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(wěn)定電弧的作用，應(yīng)選用較小的功率。如圖8所示，激光功率為0.5kW時電弧狀態(tài)不穩(wěn)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(wěn)定，焊縫兩側(cè)飛濺減少。

2.3　焊縫宏觀形貌

圖9為采用優(yōu)化參數(shù)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(qū)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(qū)域變小，存在明顯的頸縮現(xiàn)象。

圖11(b)和11(c)分別為A區(qū)和B區(qū)的斷面形貌，斷口處觀察到大量細小的等軸韌窩。該現(xiàn)象表明在斷裂前接頭發(fā)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(qū)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(qū)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(chǎn)生了不利影響，圖12(b)中展現(xiàn)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(qū)域和韌窩區(qū)域，證明了上部區(qū)域的混合斷裂模式。圖12(c)和圖12(d)為D區(qū)和E區(qū)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(qū)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(qū)域，焊縫下部區(qū)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(chǎn)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(jié)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(qū)域的接頭斷口為韌性斷裂，焊縫區(qū)域斷口呈現(xiàn)準解理斷裂和韌性斷裂的混合特征。

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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(fā)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(shù)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.