船用新型TA3鈦板手持激光填絲焊接頭組織與力學性能研究

引言

在船舶工業領域，鈦及鈦合金被譽為“海洋金屬”，具有突出的優良耐蝕性、密度小、比強度高與無磁性等材料特性，逐漸被廣泛應用，涉及到船體結構、動力系統裝置、管路系統設備與舾裝設備及其他裝置等［1］。目前，在大力推進鈦及鈦合金在國防海洋裝備及工程船舶的開發與應用趨勢下，對于船用鈦合金研制及其焊接工藝研究與開發具有重要的理論指導和工程應用意義［2］。新研制的船用TA3鈦材在角接縫焊接時表現出較強的化學活性和較差的導熱性能，傳統的TIG或MIG焊由于熱輸入大和受熱溫度范圍寬，難以兼顧焊接質量與生產效率，施焊過程中較依賴施工人員的技術水平與經驗，人員配置需求大，嚴重制約著鈦質船體結構的焊接效率及生產水平［3］。手持激光填絲焊是近年來發展的便攜式激光焊的先進制造技術，具有電弧集中、熱輸入低與熱影響區窄等特性，能獲得焊接變形極小、操作靈活性與生產效率高、人力成本投入低等成效，在工程應用中受到高度關注，并開展了相關技術研究［4］-5］。在城軌車輛、電力等領域均有手持式激光焊的相關研究及應用，如李帥等人［6］開展了手持式激光焊接技術在磁浮車體鋁合金搭接縫中的應用；徐赫唯等人［8］探討了手持激光焊在汽車車身用鋼板焊接中的可行性；徐軍偉等人［9］研究了手持激光焊在城軌車輛鋁合金側墻產品中的應用，并將其成果應用于軌道交通裝備的非承重薄板部件焊接。

目前，針對新研制的船用TA3工業純鈦的焊接工藝性，相關深入研究較少，尤其是TA3鈦板手持激光填絲焊的工藝性、焊縫組織及力學性能研究尚未開展，如何解決焊腳尺寸小、焊縫氣孔與未熔合缺陷等問題是激光焊應用中亟需解決的共性難題。本文針對TA3鈦板手持激光填絲角焊進行了研究，重點關注角焊接頭與十字接頭不同區域的顯微組織分布特點與力學性能表征，對指導TA3鈦質船體高效手持激光填絲角焊的應用具有顯著意義。

1、試驗設備、材料和方法

采用思萃SC-HW2000型手持激光焊接機進行焊接試驗，主要配置包括2000W光纖激光器、雙絲激光焊槍、專用送絲機、冷水機與控制系統等，如圖1所示。試驗母材選用厚度為4mm的船用TA3鈦板，其化學成分與力學性能如表1、表2所示，規格為1000mm×150mm×4mm，接頭形式如圖2所示。焊材采用?1.2mm的HTA3焊絲，保護氣體為純度為99.99%的純氬氣。

采用數控水刀設備對試板進行精確切割下料。為確保焊接質量，對焊絲表面、試板坡口表面與正面距接縫30mm范圍內的油污、水分、雜質及氧化皮進行了清除，并采用工業丙酮去除了母材、焊絲表面殘存的油脂與塵垢。預處理后，在具有焊接反變形與壓緊裝置的專用焊接平臺上進行T形角接焊與十字角接焊試驗。在焊接平臺底部的聚氣槽中，充斥純氬氣進行背面受熱區域保護，焊縫側面區域則由充滿純氬氣的專用保護拖罩進行保護。由于焊槍自身的保護氣體足以保護高溫焊縫，因此焊縫正面不需要額外的拖罩保護。

激光離焦量和焊絲對應焊縫的位置依靠靠模裝置進行精確定位和調節，通過焊接反變形裝置預設了1.5mm的焊接反變形量，以消除焊后構件角接縫焊接收縮在板材上產生的折角變形。試驗過程中，激光光源采用雙絲高頻左右線性擺動方式，模式遵循在雙絲間距約2.5~3mm的條件下，為保證焊絲及母材的充分熔合，第一道焊縫擺動幅度需達到3mm，第二道焊縫擺動幅度需達到3.5mm以上。經對比試驗，達到較優焊接成形質量的焊接工藝參數如表3所示。焊后采用機械切割截取各部分的檢測試樣，并進行研磨與拋光處理。采用EP-ST滲透劑、清洗劑與ED-ST顯像劑進行著色滲透，依據CB20663—2018與NB/T47013.5—2015檢驗標準，檢測焊縫表面光澤與缺陷；使用RF-100EGB型X射線探傷儀器，對焊縫及熱影響區進行透照；徠卡DMi8電子顯微鏡觀察焊接接頭宏觀斷面形貌，使用Stemi508蔡司光學顯微鏡觀察焊接接頭金相組織特征；采用1000kN材料試驗機（DF63.106）進行拉伸試驗；采用電液伺服彎曲試驗機（BHT5106）進行彎曲試驗，彎度為90°和延時10s；使用SDZ0200電液疲勞試驗機進行疲勞試驗，在頻率30Hz、應力比0.1、最大應力137MPa的循環外載荷工況下，循環10⁵次以上。

2、試驗結果與討論

2.1焊接接頭外觀檢查與滲透檢測

TA3純鈦在氣氛保護效果差或施焊不當的條件下易發生氧化，焊縫表面光澤可明確表征試件的焊接質量等級。試驗采用EP-ST滲透劑、清洗劑與ED-ST顯像劑進行著色滲透，對船用TA3鈦板手持激光填絲角焊接頭進行外觀檢查與滲透檢測，結果如圖3所示，焊縫表面與熱影響區呈現銀白色，經著色滲透檢測焊縫表面成形光順、無裂紋與氣孔等缺陷，符合NB/T7013.5-2015標準I級焊縫要求。

2.2焊接接頭宏觀斷面形貌

對船用TA3鈦板手持激光填絲角焊接頭進行宏觀斷面形貌檢測，在試板引弧處及焊縫中間分別取一個試樣，接頭宏觀斷面形貌如圖4所示，可見引弧處及中間處的焊縫成形質量良好，無裂紋、未熔合與氣孔缺陷，熔深2~3.5mm，焊腳尺寸3~4mm，滿足艦用焊腳尺寸3mm及以上的設計要求。經角焊縫折斷試驗檢測（如圖5所示），斷面位于焊縫中，焊縫根部與焊縫折斷面顯示無裂紋與未熔合、氣孔與夾渣等缺陷。

經多組試驗驗證，送絲速度與焊絲配置及焊道布置是影響角焊接頭焊腳尺寸的主要工藝因素，送絲速度過大會出現母材與焊絲未熔化，導致未熔合、焊腳尺寸小、焊縫不連續等缺陷，反之則導致焊腳尺寸偏大且焊縫金屬氧化，如圖6a所示。離焦量與激光功率是影響角焊接頭氣孔形成的主要工藝因素，零離焦量與負離焦量均會出現較多氣孔，如圖6b所示；激光功率過小時，焊縫凝固速度過快，焊縫內氣體來不及逸出，形成氣孔缺陷，反之則導致焊縫熔透過深，氣孔向焊縫根部下移而來不及逸出，最終殘留在焊縫內部形成氣孔缺陷，且焊縫區過熱與易氧化，如圖6c所示。

2.3焊接接頭的顯微組織

使用Stemi508蔡司光學顯微鏡觀察焊接接頭金相組織特征，可觀測出各區域的晶粒度良好，且不存在顯微裂紋與夾雜等缺陷，滿足合格要求。根據微觀組織差異與區域分布，角焊接頭的顯微組織可分為焊縫區中部、熔合線的粗晶區、近母材熱影響區側的細晶區及母材區域4個部分，如圖7所示。其中，近母材熱影響區側的細晶區存在等軸α相組織，受激光、電弧熱影響較小，由等軸α相組織、β相組織及少量的針狀α′馬氏體組成，如圖8a、8e、8g、8k所示。母材組織為等軸α相組織，等軸晶大小為5~20μm，如圖8f所示。在熔合線的粗晶區中，其最優結晶取向與溫度梯度方向一致，導致該位置部分β轉變組織晶粒較大，同時β轉變組織晶粒中有片層狀α相組織析出，片狀α相組織寬度為1~5μm，相同取向的α相組織形成同向束域，不同取向的α相束域形成相互交織的網籃組織，如圖8b、8d、8h、8j所示。熔合線的粗晶區生成少量初生α相組織，其體積分數約為10%，晶粒尺寸為5~10μm。有可見連續的晶界α相，在晶界α相組織兩側分布著片狀α集束，片狀α集束細小組成較小的β轉變組織等軸狀晶粒。焊縫區中部均由較大的等軸狀β相組織組成，β相晶界清晰完整，等軸晶內為魏氏組織，如圖8c、8i。由于冷卻速度較快，焊縫中的高溫β相來不及轉變成平衡的α相，而是通過無擴散型相變機制轉變成針狀α′馬氏體。焊縫區的β轉變組織晶內生成針狀α′馬氏體，可見連續的晶界α相，在晶界α相兩側分布著片狀α集束，片狀α集束細小組成較大的β轉變組織等軸狀晶粒，針狀α′馬氏體尺寸寬度為1~6μm。

2.4力學性能分析

2.4.1彎曲性能

為檢驗手持激光填絲角焊接頭的抗彎性能，采用BHT5106電液伺服彎曲試驗機進行T型彎曲對比試驗，如圖9所示。當手持激光角焊彎曲試樣的彎曲角度在55°~90°范圍內時，觀察到裂紋在角焊縫的焊趾端突然發生并直接擴展進入母材。相比之下，TIG/MIG角焊彎曲試樣的裂紋產生角度范圍較窄，僅在55°~65°之間，裂紋擴展情況與手持激光角焊彎曲試樣一致。根據GB7030-86標準規范，經試驗檢測，在相同彎曲角度下，手持激光角焊件的T型彎曲性能與TIG/MIG焊相當，均滿足設計要求。

2.4.2拉伸性能

為了檢驗手持激光填絲角焊接頭的抗拉性能，采用1000kN材料試驗機（DF63.106）進行了手持激光填絲角焊接頭的十字接頭剪切拉伸試驗，如圖10所示。在試驗條件下，一項拉伸試件斷裂在焊縫位置而另一項斷裂在母材位置，斷裂在焊縫位置可能是由于其角焊腳的有效承載面積小于母材的厚度所導致，測得的抗拉強度分別為624.55MPa與620.20MPa，均滿足大于母材最低抗拉強度的工藝要求（即Rm≥540MPa）。與MIG/TIG角焊接頭相比，如表4所示，手持激光填絲角焊接頭的剪切強度略低但差距不大，可能是由于手持激光填絲角焊的熱輸入量較低，導致熱影響區范圍較小，且在熔合線的粗晶區產生了網籃組織和焊縫區中部產生了魏氏組織，其塑性性能較低，使接頭的拉伸延展能力降低。

2.4.3疲勞性能

為了檢驗手持激光填絲角焊接頭的疲勞性能，制備了手持激光填絲角焊接頭與TIG角焊的十字接頭試樣進行疲勞對比試驗，如圖11所示。試樣制備遵循GB/T26957—2011標準，試驗采用SDZ0200電液疲勞試驗機進行，在頻率30Hz、應力比0.1、最大應力137MPa的循環外載荷工況下，分別測定了各組接頭的應力循環次數N，結果對比如圖12所示，手持激光填絲角焊接頭與TIG角焊接頭的應力循環次數在同一個數量級，表征其疲勞性能是一致的。

3、結論

（1）手持激光填絲焊在新型船用TA3鈦質結構角接縫焊接中具備突出的工藝性能與應用優勢，能夠實現高效高質量焊接成形，達到船級社質量檢驗標準，能夠滿足船舶工程應用的技術條件與生產需求。

（2）經手持激光填絲焊的關鍵參數優化后，試件焊縫表面與熱影響區呈現銀白色，著色滲透檢測無表面缺陷，宏觀斷面形貌顯示成形良好，未發現裂紋、未熔合與氣孔等缺陷，可實現焊腳尺寸3mm以上，接頭各區域的金相組織晶粒度良好，且不存在顯微裂紋、氣孔與夾雜等缺陷。

（3）經試驗對比，手持激光填絲角接縫焊件的T型彎曲性能和十字接頭的抗拉剪切強度與TIG/MIG焊的相當，其疲勞性能一致，均滿足設計要求。

參考文獻：

[1]陳鳳林，葛可可，侯春明. 艦船用鈦合金焊接技術進展 [J]. 電焊機，2019，49（08）：60-65. CHEN F L，GE K K，HOU C M. Progress in welding technology of titanium alloy for naval vessels[J]. Elec‐ tric Welding Machine，2019，49（08）：60-65.

[2]李永華，張文旭，陳小龍，等. 海洋工程用鈦合金研究 與應用現狀[J]. 鈦工業進展，2022，39（01）：43-48. 

LI Y H，ZHANG W X，CHEN X L，et al. Research and Application Status of Titanium Alloys for Marine Engi‐ neering[J]. Titanium Industry Progress，2022，39（01）：43-48.

[3]趙永慶 . 我國創新研制的主要船用鈦合金及其應用 [J]. 中國材料進展，2014，33（07）：398-404. 

ZHAO Y Q. The New Main Titanium Alloys Used for Shipbuilding Developed in China and Their Applica‐ tions[J]. Materials China，2014，33（07）：398-404.

[4]劉自剛，梅亞澤，張建峰，等. 深熔TIG焊研究現狀與 展望[J]. 熱加工工藝，2023，52（01）：6-11. 

LIU Z G，MEI Y Z，ZHANG J F，et al. Research Status and Prospect of Deep Penetration TIG Welding[J]. Hot Working Technology，2023，52（01）：6-11.

[5]劉自剛，代鋒先，陸剛，等. 鈦合金激光焊研究現狀與 展望[J]. 材料導報，2023，37（S1）：354-359. 

LIU Z G，DAI F X，LU G，et al. Research Status and Prospect of Laser Welding of Titanium Alloy[J]. Mate‐ rials Reports，2023，37（S1）：354-359.

[6]李帥，夏月慶，王星星，等. 鈦合金/鋼異種材料熔化焊 研究現狀[J]. 材料導報，2022，36（14）：188-194. 

LI S，XIA Y Q，WANG X X，et al. Research Status for the Fusion Welding Between Titanium Alloy and Steel[J]. Materials Reports，2023，37（S1）：354-359.

[7]李帥，龔蘭芳，肖權良. 電器分線箱手持激光焊氣孔抑 制工藝研究[J]. 金屬加工（熱加工），2024（04）：103-106. 

LI S，GONG L F，XIAO Q L，et al. Study on porosity suppression technology of hand-held laser welding of electrical distribution box[J]. MW Metal Forming，

2024（04）：103-106.

[8]徐赫唯，王子欣，劉春柏，等. 手持激光焊技術焊接汽 車涂層鋼板的試驗研究[J]. 汽車工藝與材料，2021（01）：15-19. 

XU H W，WANG Z X，LIU C B，et al. Research on Handheld Laser Welding Technology for WeldingAuto‐ mobile Coated Steel Plate[J]. Automobile Technol‐ ogy&Material，2021（01）：15-19.

[9]徐軍偉，吳廣輝，馮煥欽，等. 手持激光焊在城軌車輛 側墻產品中的應用[J]. 電力機車與城軌車輛，2023，46（05）：120-123. 

XU J W，WU G H，FENG H Q，et al. Application of Handheld Laser Welding in the Side Wall Products of Urban Rail Vehicles[J]. Electric Locomotive and Ur‐ ban Rail Vehicle，2023，46（05）：120-123.