船用新型TA3钛板手持激光填丝焊接头组织与力学性能研究

引言

在船舶工业领域，钛及钛合金被誉为“海洋金属”，具有突出的优良耐蚀性、密度小、比强度高与无磁性等材料特性，逐渐被广泛应用，涉及到船体结构、动力系统装置、管路系统设备与舾装设备及其他装置等［1］。目前，在大力推进钛及钛合金在国防海洋装备及工程船舶的开发与应用趋势下，对于船用钛合金研制及其焊接工艺研究与开发具有重要的理论指导和工程应用意义［2］。新研制的船用TA3钛材在角接缝焊接时表现出较强的化学活性和较差的导热性能，传统的TIG或MIG焊由于热输入大和受热温度范围宽，难以兼顾焊接质量与生产效率，施焊过程中较依赖施工人员的技术水平与经验，人员配置需求大，严重制约着钛质船体结构的焊接效率及生产水平［3］。手持激光填丝焊是近年来发展的便携式激光焊的先进制造技术，具有电弧集中、热输入低与热影响区窄等特性，能获得焊接变形极小、操作灵活性与生产效率高、人力成本投入低等成效，在工程应用中受到高度关注，并开展了相关技术研究［4］-5］。在城轨车辆、电力等领域均有手持式激光焊的相关研究及应用，如李帅等人［6］开展了手持式激光焊接技术在磁浮车体铝合金搭接缝中的应用；徐赫唯等人［8］探讨了手持激光焊在汽车车身用钢板焊接中的可行性；徐军伟等人［9］研究了手持激光焊在城轨车辆铝合金侧墙产品中的应用，并将其成果应用于轨道交通装备的非承重薄板部件焊接。

目前，针对新研制的船用TA3工业纯钛的焊接工艺性，相关深入研究较少，尤其是TA3钛板手持激光填丝焊的工艺性、焊缝组织及力学性能研究尚未开展，如何解决焊脚尺寸小、焊缝气孔与未熔合缺陷等问题是激光焊应用中亟需解决的共性难题。本文针对TA3钛板手持激光填丝角焊进行了研究，重点关注角焊接头与十字接头不同区域的显微组织分布特点与力学性能表征，对指导TA3钛质船体高效手持激光填丝角焊的应用具有显著意义。

1、试验设备、材料和方法

采用思萃SC-HW2000型手持激光焊接机进行焊接试验，主要配置包括2000W光纤激光器、双丝激光焊枪、专用送丝机、冷水机与控制系统等，如图1所示。试验母材选用厚度为4mm的船用TA3钛板，其化学成分与力学性能如表1、表2所示，规格为1000mm×150mm×4mm，接头形式如图2所示。焊材采用⌀1.2mm的HTA3焊丝，保护气体为纯度为99.99%的纯氩气。

采用数控水刀设备对试板进行精确切割下料。为确保焊接质量，对焊丝表面、试板坡口表面与正面距接缝30mm范围内的油污、水分、杂质及氧化皮进行了清除，并采用工业丙酮去除了母材、焊丝表面残存的油脂与尘垢。预处理后，在具有焊接反变形与压紧装置的专用焊接平台上进行T形角接焊与十字角接焊试验。在焊接平台底部的聚气槽中，充斥纯氩气进行背面受热区域保护，焊缝侧面区域则由充满纯氩气的专用保护拖罩进行保护。由于焊枪自身的保护气体足以保护高温焊缝，因此焊缝正面不需要额外的拖罩保护。

激光离焦量和焊丝对应焊缝的位置依靠靠模装置进行精确定位和调节，通过焊接反变形装置预设了1.5mm的焊接反变形量，以消除焊后构件角接缝焊接收缩在板材上产生的折角变形。试验过程中，激光光源采用双丝高频左右线性摆动方式，模式遵循在双丝间距约2.5~3mm的条件下，为保证焊丝及母材的充分熔合，第一道焊缝摆动幅度需达到3mm，第二道焊缝摆动幅度需达到3.5mm以上。经对比试验，达到较优焊接成形质量的焊接工艺参数如表3所示。焊后采用机械切割截取各部分的检测试样，并进行研磨与抛光处理。采用EP-ST渗透剂、清洗剂与ED-ST显像剂进行着色渗透，依据CB20663—2018与NB/T47013.5—2015检验标准，检测焊缝表面光泽与缺陷；使用RF-100EGB型X射线探伤仪器，对焊缝及热影响区进行透照；徕卡DMi8电子显微镜观察焊接接头宏观断面形貌，使用Stemi508蔡司光学显微镜观察焊接接头金相组织特征；采用1000kN材料试验机（DF63.106）进行拉伸试验；采用电液伺服弯曲试验机（BHT5106）进行弯曲试验，弯度为90°和延时10s；使用SDZ0200电液疲劳试验机进行疲劳试验，在频率30Hz、应力比0.1、最大应力137MPa的循环外载荷工况下，循环10⁵次以上。

2、试验结果与讨论

2.1焊接接头外观检查与渗透检测

TA3纯钛在气氛保护效果差或施焊不当的条件下易发生氧化，焊缝表面光泽可明确表征试件的焊接质量等级。试验采用EP-ST渗透剂、清洗剂与ED-ST显像剂进行着色渗透，对船用TA3钛板手持激光填丝角焊接头进行外观检查与渗透检测，结果如图3所示，焊缝表面与热影响区呈现银白色，经着色渗透检测焊缝表面成形光顺、无裂纹与气孔等缺陷，符合NB/T7013.5-2015标准I级焊缝要求。

2.2焊接接头宏观断面形貌

对船用TA3钛板手持激光填丝角焊接头进行宏观断面形貌检测，在试板引弧处及焊缝中间分别取一个试样，接头宏观断面形貌如图4所示，可见引弧处及中间处的焊缝成形质量良好，无裂纹、未熔合与气孔缺陷，熔深2~3.5mm，焊脚尺寸3~4mm，满足舰用焊脚尺寸3mm及以上的设计要求。经角焊缝折断试验检测（如图5所示），断面位于焊缝中，焊缝根部与焊缝折断面显示无裂纹与未熔合、气孔与夹渣等缺陷。

经多组试验验证，送丝速度与焊丝配置及焊道布置是影响角焊接头焊脚尺寸的主要工艺因素，送丝速度过大会出现母材与焊丝未熔化，导致未熔合、焊脚尺寸小、焊缝不连续等缺陷，反之则导致焊脚尺寸偏大且焊缝金属氧化，如图6a所示。离焦量与激光功率是影响角焊接头气孔形成的主要工艺因素，零离焦量与负离焦量均会出现较多气孔，如图6b所示；激光功率过小时，焊缝凝固速度过快，焊缝内气体来不及逸出，形成气孔缺陷，反之则导致焊缝熔透过深，气孔向焊缝根部下移而来不及逸出，最终残留在焊缝内部形成气孔缺陷，且焊缝区过热与易氧化，如图6c所示。

2.3焊接接头的显微组织

使用Stemi508蔡司光学显微镜观察焊接接头金相组织特征，可观测出各区域的晶粒度良好，且不存在显微裂纹与夹杂等缺陷，满足合格要求。根据微观组织差异与区域分布，角焊接头的显微组织可分为焊缝区中部、熔合线的粗晶区、近母材热影响区侧的细晶区及母材区域4个部分，如图7所示。其中，近母材热影响区侧的细晶区存在等轴α相组织，受激光、电弧热影响较小，由等轴α相组织、β相组织及少量的针状α´马氏体组成，如图8a、8e、8g、8k所示。母材组织为等轴α相组织，等轴晶大小为5~20μm，如图8f所示。在熔合线的粗晶区中，其最优结晶取向与温度梯度方向一致，导致该位置部分β转变组织晶粒较大，同时β转变组织晶粒中有片层状α相组织析出，片状α相组织宽度为1~5μm，相同取向的α相组织形成同向束域，不同取向的α相束域形成相互交织的网篮组织，如图8b、8d、8h、8j所示。熔合线的粗晶区生成少量初生α相组织，其体积分数约为10%，晶粒尺寸为5~10μm。有可见连续的晶界α相，在晶界α相组织两侧分布着片状α集束，片状α集束细小组成较小的β转变组织等轴状晶粒。焊缝区中部均由较大的等轴状β相组织组成，β相晶界清晰完整，等轴晶内为魏氏组织，如图8c、8i。由于冷却速度较快，焊缝中的高温β相来不及转变成平衡的α相，而是通过无扩散型相变机制转变成针状α´马氏体。焊缝区的β转变组织晶内生成针状α´马氏体，可见连续的晶界α相，在晶界α相两侧分布着片状α集束，片状α集束细小组成较大的β转变组织等轴状晶粒，针状α´马氏体尺寸宽度为1~6μm。

2.4力学性能分析

2.4.1弯曲性能

为检验手持激光填丝角焊接头的抗弯性能，采用BHT5106电液伺服弯曲试验机进行T型弯曲对比试验，如图9所示。当手持激光角焊弯曲试样的弯曲角度在55°~90°范围内时，观察到裂纹在角焊缝的焊趾端突然发生并直接扩展进入母材。相比之下，TIG/MIG角焊弯曲试样的裂纹产生角度范围较窄，仅在55°~65°之间，裂纹扩展情况与手持激光角焊弯曲试样一致。根据GB7030-86标准规范，经试验检测，在相同弯曲角度下，手持激光角焊件的T型弯曲性能与TIG/MIG焊相当，均满足设计要求。

2.4.2拉伸性能

为了检验手持激光填丝角焊接头的抗拉性能，采用1000kN材料试验机（DF63.106）进行了手持激光填丝角焊接头的十字接头剪切拉伸试验，如图10所示。在试验条件下，一项拉伸试件断裂在焊缝位置而另一项断裂在母材位置，断裂在焊缝位置可能是由于其角焊脚的有效承载面积小于母材的厚度所导致，测得的抗拉强度分别为624.55MPa与620.20MPa，均满足大于母材最低抗拉强度的工艺要求（即Rm≥540MPa）。与MIG/TIG角焊接头相比，如表4所示，手持激光填丝角焊接头的剪切强度略低但差距不大，可能是由于手持激光填丝角焊的热输入量较低，导致热影响区范围较小，且在熔合线的粗晶区产生了网篮组织和焊缝区中部产生了魏氏组织，其塑性性能较低，使接头的拉伸延展能力降低。

2.4.3疲劳性能

为了检验手持激光填丝角焊接头的疲劳性能，制备了手持激光填丝角焊接头与TIG角焊的十字接头试样进行疲劳对比试验，如图11所示。试样制备遵循GB/T26957—2011标准，试验采用SDZ0200电液疲劳试验机进行，在频率30Hz、应力比0.1、最大应力137MPa的循环外载荷工况下，分别测定了各组接头的应力循环次数N，结果对比如图12所示，手持激光填丝角焊接头与TIG角焊接头的应力循环次数在同一个数量级，表征其疲劳性能是一致的。

3、结论

（1）手持激光填丝焊在新型船用TA3钛质结构角接缝焊接中具备突出的工艺性能与应用优势，能够实现高效高质量焊接成形，达到船级社质量检验标准，能够满足船舶工程应用的技术条件与生产需求。

（2）经手持激光填丝焊的关键参数优化后，试件焊缝表面与热影响区呈现银白色，着色渗透检测无表面缺陷，宏观断面形貌显示成形良好，未发现裂纹、未熔合与气孔等缺陷，可实现焊脚尺寸3mm以上，接头各区域的金相组织晶粒度良好，且不存在显微裂纹、气孔与夹杂等缺陷。

（3）经试验对比，手持激光填丝角接缝焊件的T型弯曲性能和十字接头的抗拉剪切强度与TIG/MIG焊的相当，其疲劳性能一致，均满足设计要求。

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