引言

鈦合金材料它具有高強(qiáng)度，耐高溫、優(yōu)良的抗腐蝕性能和良好焊接性等優(yōu)點(diǎn)，是目前航空航天中被廣泛使用的金屬材料之一[1-2]。另一方面隨著我國航空事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用于航空航天，其中激光焊作為近年來發(fā)展迅速的一種高能束流焊接，具有焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊縫成形美觀、好的深寬比等優(yōu)勢(shì)，特別是近幾年光纖激光器的高速發(fā)展，解決了工業(yè)傳統(tǒng)的CO2和YAG激光由于功率限制而導(dǎo)致的只適用于薄板焊接的限制，使得激光焊接技術(shù)獲得了更加廣泛的應(yīng)用[3-4]。

另外在生產(chǎn)中激光焊接有易操作，焊接位置精準(zhǔn)、焊后形成的焊縫平整度高、變形小、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

焊后基本不需要進(jìn)行二次加工處理，大大地節(jié)約了工序時(shí)間和加工成本，使得它越來越多地被用于生產(chǎn)制造當(dāng)中。

隨著航空航天的發(fā)展，各式各樣復(fù)雜形狀構(gòu)件的大量使用不可避免地涉及到焊接結(jié)構(gòu)，這使得鈦合金的焊接技術(shù)變得相當(dāng)重要。而焊后變形成為目前制約焊接發(fā)展的重要因素之一。經(jīng)過多年研究，焊后可通過熱處理校形解決焊接變形問題，該技術(shù)已十分成熟，目前也有較多文獻(xiàn)對(duì)熱處理后焊接接頭的組織與性能影響做了分析研究[5-8]，但目前針對(duì)熱處理次數(shù)對(duì)激光焊接接頭影響的研究鮮見報(bào)道。隨著航空航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀越來越復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，需要多次熱處理校形的情況越來越普遍。本文針對(duì)TC4鈦合金母材、激光焊接接頭進(jìn)行重復(fù)熱處理，比較其接頭組織和力學(xué)性能，為結(jié)構(gòu)件焊后多次熱處理提供試驗(yàn)依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為2.0mm厚的TC4鈦合金薄板，M退火狀態(tài)。規(guī)格300mm×200mm。焊接設(shè)備為通快6003Ｄ碟片光纖激光器，最大功率6000Ｗ，激光波長(zhǎng)1.06μm，光纖芯徑為300μm，采用300焦長(zhǎng)的HIYAG激光焊接聚焦鏡系統(tǒng)。通過ＫＵ-ＫＡ機(jī)械手實(shí)現(xiàn)焊接軌跡，進(jìn)行不填絲的激光拼焊試驗(yàn)。

為保護(hù)接頭受熱表面不受空氣影響產(chǎn)生氧化，試驗(yàn)時(shí)采用99.999％純度的氬氣進(jìn)行保護(hù)。焊前通過2％～4％HF＋30％～40％HNO3＋H2O（余量）的酸洗液對(duì)焊接表面進(jìn)行酸洗處理，酸洗后烘干，待焊接前使用鋼絲刷打磨，然后采用酒精、丙酮擦拭表面，保持焊接位置干凈。為防止焊接過程中板材變形，采用焊接夾具對(duì)材料進(jìn)行約束。同時(shí)背面通入氬氣保護(hù)。試驗(yàn)工藝參數(shù)為激光功率P為2000Ｗ～3500Ｗ，焊接速度ｖ為4m/min～6m/min，離焦量△ｆ為-1.5～1.5mm。試驗(yàn)結(jié)束后，為了消除咬邊等表面缺陷對(duì)性能的影響，對(duì)焊后的焊縫進(jìn)行了激光雙面修飾焊。焊后進(jìn)行X光檢測(cè)，滿足一級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)后，將母材、接頭分別進(jìn)行1次～4次熱處理，熱處理制度為120min內(nèi)從室溫均勻加熱至300℃，保溫30min，然后160min內(nèi)從300度均勻加熱至640℃，保溫170min，隨爐冷卻至100℃以下出爐，熱處理制度示意圖如圖1所示。

將焊接態(tài)和焊后熱處理態(tài)的母材以及焊接接頭制作成金相試片，將焊接接頭制成拉伸試樣。圖2為拉伸試樣的尺寸示意圖。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1顯微組織分析

如圖3所示為原始激光焊接態(tài)的金相組織，從圖3（ａ）焊縫區(qū)可以看出，組織中主要以近等軸狀的β晶粒組成，部分區(qū)域形成稍微拉長(zhǎng)的β晶粒，晶界清晰，并且顯微組織經(jīng)歷了激光高溫重熔，凝固過程中形成粗大的近β晶粒，晶粒尺寸在200～300μm之間[9]；β晶粒內(nèi)部主要以互相交錯(cuò)的“網(wǎng)籃狀”馬氏體組成。如此組織主要與激光焊接的特點(diǎn)相關(guān)，由于激光焊接能量密度大，熔池溫度高，冷卻速度較快，熔池降溫速度快，溫度梯度大，屬于非平衡凝固過程，β相降溫過程中來不及發(fā)生擴(kuò)散相變轉(zhuǎn)變?yōu)棣疗胶饨M織，而直接通過

非擴(kuò)散性切邊形成α′針狀馬氏體，焊縫在冷卻過程中，在β晶粒的邊界和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生α′針狀馬氏體相變。并且α′相以不同方向集束的形式交織在一起，形成所謂的“網(wǎng)籃狀”馬氏體組織。受激光焊接熱輸入的影響，熱影響區(qū)長(zhǎng)條狀軋制態(tài)α相出現(xiàn)一定程度球化現(xiàn)象，如圖3（ｂ）所示，這與鈦合金的退火球化過程相似[10-11]，并且球化的α相發(fā)生了一定程度的長(zhǎng)大，相比于母材軋制態(tài)的細(xì)長(zhǎng)晶粒，熱影響區(qū)晶粒沿軋制方向的長(zhǎng)度減小，垂直于軋制方向的長(zhǎng)度增加，即受到α相球化與長(zhǎng)大過程的影響；而且可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)母材（圖3（ｃ））來講，在熱影響區(qū)內(nèi)的α相與β相大致比例也發(fā)生變化，這是由于熱影響區(qū)靠近焊縫熔合區(qū)，一般情況溫度基本靠近α/β相變點(diǎn)，會(huì)促進(jìn)β→α轉(zhuǎn)變，由于激光焊接熱影響區(qū)小于一般熔化焊接過程，會(huì)使熱影響區(qū)的組織冷卻速度較高，從而保留到室溫的α相便會(huì)增多。

對(duì)原始激光焊接態(tài)TC4進(jìn)行不同次數(shù)的熱處理研究，熱處理工藝如圖1所示。多次熱處理后的顯微組織如圖4所示，對(duì)于焊縫區(qū)組織來講，從第1次熱處理到第4次熱處理，整個(gè)過程中近等軸狀β晶粒和β相中的互相交錯(cuò)的馬氏體組織并沒有發(fā)生明顯的改變，并且相較于焊接態(tài)（圖3中組織），幾乎沒有發(fā)生變化；對(duì)于熱影響區(qū)和母材相同處理?xiàng)l件的顯微組織，依舊是熱影響區(qū)的等軸和粗化的α相，而且在母材中還可以發(fā)現(xiàn)彎折的α相和沿著軋制方向長(zhǎng)條狀的α相，表現(xiàn)出明顯的原始退火態(tài)TC4板材組織特征。這些特點(diǎn)可能與相應(yīng)的

熱處理?xiàng)l件相關(guān)，每一次熱處理焊件都經(jīng)歷了從室溫到640℃總共8ｈ的受熱，640℃僅有170min，對(duì)于焊件第4次熱處理組織來講，基本上在640℃下處理了11ｈ左右，但是顯微組織并沒有明顯的改變?？赡苁怯捎?40℃與TC4合金的α/β相變點(diǎn)相差較遠(yuǎn)，在此溫度下TC4合金焊件并不能發(fā)生明顯的擴(kuò)散和組織改變，僅僅是內(nèi)部應(yīng)力的釋放過程。正如張[12]對(duì)Ｔｉ62Ａ合金電子束焊接后組織的長(zhǎng)時(shí)低溫處理表明，熱處理保溫階段的溫度較低時(shí)，對(duì)焊接過程中在熱影響區(qū)保留的特殊結(jié)構(gòu)以及熔合區(qū)的細(xì)小片層組織結(jié)構(gòu)并無太大影響。并且TA15電子束焊后多次熱處理也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果[13]。

2.2室溫力學(xué)性能

焊接態(tài)以及焊后多次熱處理態(tài)焊接接頭力學(xué)性能如表1和圖5所示，每一種狀態(tài)都是三次拉伸取平均值。表1為原始焊接態(tài)和多次熱處理試樣的室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)，圖5分別為焊接態(tài)和多次熱處理試樣的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷面延伸率柱狀圖。從以上數(shù)據(jù)可以看出，焊接接頭的力學(xué)性能較為優(yōu)異，室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到1100MPa以上，最低屈服強(qiáng)度達(dá)到1023MPa，斷面延伸率在10％左右。

從圖5的柱狀圖上可以看出，屈服強(qiáng)度和斷面延伸率在原始焊接態(tài)和多次熱處理態(tài)變化很小，屈服強(qiáng)度最大值與最小值的差值僅為60MPa，差別也不是很大，這與組織特征是相符的。材料的性能是受到化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于焊接態(tài)和多次熱處理的焊縫，其顯微組織基本無變化，因此其拉伸力學(xué)性能得輕微波動(dòng)也是正?，F(xiàn)象。

3、結(jié)論

（1）TC4鈦合金2mm薄板激光焊接接頭區(qū)由于冷卻速度較大，顯微組織以α′針狀馬氏體為主，并形成“網(wǎng)籃狀”交錯(cuò)分布的形態(tài)，母材區(qū)為拉長(zhǎng)的α相，而熱影響區(qū)出現(xiàn)α相的球化特征；

（2）多次熱處理焊件顯微組織研究發(fā)現(xiàn)，在焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)顯微組織基本無變化；

（3）原始焊接接頭室溫力學(xué)性能較為優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度1139MPa，斷面收縮率10.9％，達(dá)到了焊接件的使用要求；焊縫多次熱處理后的力學(xué)性能基本上變化不大，僅三次熱處理后屈服強(qiáng)度出現(xiàn)一定的下降，但幅度較小。

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