TC4钛合金激光叠焊成形及显微组织.PDF

第 38 卷 第 2 期 稀有金属材料与工程 Vol.38, No.2 2009 年 2 月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING February 2009 TC4 钛合金激光叠焊成形及显微组织 程东海 1，黄继华 1，杨 静 1，赵兴科 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：研究 TC4 钛合金激光叠焊成形及焊缝显微组织特征，提出表征叠焊接头焊合程度的指标——焊合率 ψ。研究 结果表明：焊缝熔宽随着激光功率的升高和焊接速度的降低逐渐增加，上板焊缝熔宽大于下板焊缝，而连接焊缝处的 熔宽最小；焊合率随着叠焊两板间间隙的增加或焊接线能量的升高而降低；焊缝组织为针状马氏体 α′ 组成的“网篮” 组织，上板焊缝中马氏体分布更密集；热影响区中存在少量细小马氏体组织，且呈梯度分布。由于马氏体的界面增强 效应，使焊缝横向显微硬度沿焊缝中心向母材逐渐降低，且上板焊缝显微硬度略高于下板焊缝。 关键词：激光叠焊；TC4 钛合金；焊合率 中图法分类号：TG146.2+3 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2009)02-0255-04 TC4 钛合金具有比强度和比刚度高、抗氧化、耐 腐蚀等一系列优点, 在航空航天及其他工业领域应用 日益广泛。现阶段，钛合金的扩散/超塑成形组合工艺 很受人们重视，将扩散连接与超塑性成形工艺相结合 （DB/SPF）生产复杂结构件，可大大降低零件数量， 提高材料的利用率，降低飞行器的质量[1]。但是扩散 焊接高温停留时间长，晶粒长大严重，易引起零件的 力学性能下降[2]。而激光焊接具有能量密度和焊接速 度高、焊缝及热影响区窄、焊件变形小等优点，将激 光叠焊与超塑成形工艺组合，将有望获得性能更好的 零件。目前，关于 TC4 钛合金激光焊缝组织与性能已 有一些报道[3~6]，但对 TC4 钛合金激光叠焊成形等问 题国内外未见报道。本实验对 TC4 钛合金激光叠焊接 头的成形规律，以及接头显微组织、显微硬度的分布 特征进行了研究。 1 材料及方法 试验所用材料为 0.8 mm 厚的 TC4 钛合金薄板， 接头形式为叠焊接头。 收到初稿日期：2008-01-25；收到修改稿日期：2008-11-05 作者简介：程东海，男，1984 年生，博士生，北京科技大学材料学院，北京 100083，电话：010E-mail: chengdonghaicdh@ 使用 SLCF-X1225 型数控激光加工系统进行焊接 试验，功率范围为 100～4000 W，TEM01 模，透镜聚 焦，焦距为 190.5 mm，聚焦后光斑直径≤0.2 mm。 试验选择△f=–0.8 mm 为离焦量。焊接试验工艺 参数：1）激光功率 P，由激光器控制面板给出，分别 选择 1400，1600，1800，2000，2150，2350 W；2） 焊接速率 V，由数控机床给出，分别选择 1.5，2.0， 2.5，3.0 m/min。焊缝成形良好，表面呈白色或淡黄色， 经 X 射线探伤仪检测，焊缝内部没有观察到气孔和裂 纹。 采用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜观察叠焊 接头不同区域的显微组织形貌。金相组织侵蚀采用 Keller 试剂：2 mL HF + 10 mL HNO3 + 88 mL H2O。透 射电镜所用电解双喷液配方为 6%高氯酸 + 34%正丁 醇 + 60%甲醇。使用维氏显微硬度仪测量焊接接头各 部分显微硬度，加载 300 g，持续 15 s。并用 ImageTool 软件测量叠焊接头截面各部分尺寸。 2 结果及分析 2.1 TC4钛合金激光叠焊成形规律 图 1 所示为 TC4 钛合金激光叠焊理想接头与实际 接头截面示意图。由于叠焊两板之间存在间隙，使得 两板间连接焊缝不能达到理想焊合程度(如图 1a)而有 一定收缩，假定收缩后连接焊缝截面近似为矩形，则 a b kh 图 1 理想叠焊接头与实际叠焊接头截面示意图 Fig.1 Cross section of lap joints (a) idea, (b) real (trapezium “cdef”—idea, rectangle “hopk”— real) c d f f e e c do p ·256·