摘要
TC4钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀及疲劳性能能优良等优点，广泛应用于航空航天、武器装备和船舶工业等领域。与传统焊接工艺相比较，窄间隙激光填丝焊具有焊接热输入小、热影响区窄、焊接效率高等优点，已逐步在厚板金属材料领域开展应用。但是，钛合金厚板窄间隙激光填丝焊接头容易产生侧壁熔合不良、裂纹、气孔、变形和应力大等问题。此外，钛合金厚板窄间隙激光填丝焊接接头沿壁厚方向容易产生组织及性能分布不均匀的现象，这将极大限制激光填丝焊接技术在厚板钛合金的应用，为解决上述制约实际应用推广的问题，本文开展了如下内容的研究： 首先，优化了TC4钛合金窄间隙激光填丝焊接工艺，总结激光填实心焊丝和药芯焊丝焊接工艺参数对焊缝成形及缺陷的影响规律，结果表明在激光填实心焊丝焊接过程中，当激光功率在3.0kW～4.0kW，焊接速度在0.4m/min～0.6m/min、送丝速度在3.0m/min～4.0m/min之间时，激光光束采用圆形或垂直摆动模式，摆动幅度在1.5mm～2.0mm之间，摆动频率为100Hz时，可以获得成形良好，无气孔及未熔合缺陷的焊缝；在激光填药芯焊丝焊接过程中，当激光功率为4.0kW，焊接速度为0.42m/min，送丝速度为0.6m/min，激光光束采用圆形或垂直摆动模式，摆动幅度为2.0mm，摆动频率为100Hz时，可以获得成形良好，无气孔、裂纹、未熔合等缺陷的焊缝。 其次，研究了焊接热输入、坡口型式、保护气体组成及冷却速度等工艺调控手段对激光填丝焊接头组织性能和应力应变的影响机制。研究发现随着焊接热输入的增加，α相稳定元素V蒸发烧损量变大，焊接接头强度和硬度降低，同时显微硬度的峰值出现在焊缝中靠近熔合线的位置，越过熔合线后显微硬度数值陡然下降，焊接热输入为5.0kJ/cm获得的焊接接头组织性能较为优异。单U型坡口和双U型坡口焊接接头应力分布特征不同，单U型坡口焊接接头主要在末道焊缝一侧产生了较为明显应力集中，而双U型坡口焊接接头应力分布特征沿壁厚方向呈现出对称分布特征；两种坡口型式焊接接头在纵向应力峰值、横向应力峰值的数值差别和横向收缩量与角变形之间的数值差距较小。通过设计合理的反变形和坡口尺寸，单U型坡口可以获得应力应变较小的焊接接头，并保证了焊接生产效率。高温β相在冷却过程中，随着冷却速度的增加，开始析出新相的温度转变点逐渐降低，结束析出新相的温度转变点逐渐升高，析出新相的转变温度区间变窄。分别以0.5℃/s、5℃/s冷却速度到室温后的显微组织由α相组成；冷却速度增加到20℃/s时，有少量α相和α''马氏体组成；冷却速度增加至80℃/s时，析出相全部由α''马氏体组成；随着冷却速度的增加，新相之间的片层间距逐渐降低，相界面积逐渐增大，硬度也随之升高。控制焊接层间温度可以降低焊后冷却速度，有效的调控焊接接头组织构成，从而可以改善焊接接头的性能。综合考虑钛合金与大气亲和力强的特点与焊接效率的保证需求，试验过程中的层间温度应控制在250℃～300℃之间。He较Ar具有对液态熔池金属更强烈的冷却作用，焊接接头在相变以上温度停留时间更为短暂，热影响区宽度也由Ar保护得到的1.1mm减小至0.80mm左右，He保护得到的焊缝组织晶粒更为细小，为无规则排列的长宽比较小的针状α''马氏体，He较Ar更适用于钛合金的激光填丝焊接中。 基于上述基础工艺探索试验及焊接接头组织性能优化调控手段研究获得的规律，进而开展了激光填实心焊丝和自主开发设计的药芯焊丝焊接接头组织性能的比对研究，发现激光填实心焊丝焊缝区α''马氏体直径较大，晶粒直径小于3μm的约占全部组织的62%，激光填药芯焊丝焊缝区α''马氏体直径较小，晶粒直径小于3μm的约占全部组织的83%；激光填药芯焊丝焊接接头的抗拉强度、断后伸长率及冲击性能均大于激光填实心焊丝焊接接头，并且断裂位置出现在母材区域；两组焊接接头显微硬度均呈焊缝区硬度＞热影响区硬度＞母材区硬度的分布规律，且药芯焊丝接头数值略高。激光填药芯焊丝的焊接接头组织性能较激光填实心焊丝焊接接头有明显改善。 最后，实现了药芯焊丝在TC4钛合金厚板窄间隙激光填丝焊应用。并通过对焊接接头组织性能及其分布特征进行分析，发现焊缝形貌整体呈钉形，未发现气孔、裂纹及侧壁未熔合等焊接缺陷，焊接接头整体变形控制较好，沿壁厚方向的组织和性能的分布较均匀。
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