激光-MIG焊接工艺参数对低成本钛合金焊缝成形的影响

前言

近年来，钛合金在国防军工行业中应用越来越广泛[1−3]。钛合金是有效减轻武器装备重量的理想防护材料，可以满足武器装备的轻量化、高机动性的特殊需求。然而相对于普通材料而言，较高的使用成本成为了制约钛合金应用的一个因素[4−7]。因此，国内相关企业针对性开发DMJDPTKTY低成本TC4钛合金板材，牌号为TC4LCA，在满足力学性能指标基础上，降低材料成本，满足其大规模推广应用需求。目前，针对低成本钛合金的研究主要集中于板材力学性能研究以及板材TIG焊接等传统焊接方法研究等方面。针对高效焊接工艺方法及焊接接头组织性能的研究还有待深入[8−11]。激光−MIG复合焊接是一种高速、高效的焊接技术，对中厚板来说可以显著降低热输入、减少焊接变形带来的不利影响。目前，国内有部分中厚板TC4钛合金激光−MIG复合焊接的研究[12]，但是对成分变化的TC4LCA低成本钛合金板材的激光复合焊接研究较少。以下在分析板材成分及力学性能基础上，重点研究和分析激光−MIG复合焊接工艺参数、接头成形规律及力学性能，为低成本钛合金的焊接工艺制定、焊缝力学性能评价及进一步推广提供理论依据和科学参考。

1、试验材料及方法

试验材料为低成本钛合金。试板规格为500mm×150mm×10mm。进行板材对接焊。焊丝选用低成本钛合金焊丝，直径1.2mm；保护气体采用99.999%高纯氩气。母材成分见表1。焊丝化学成分见表2。

焊接时采用激光−MIG复合焊工艺，机器人系统为KUKAKR16机器人系统，激光器为IPG公司出产的10kW光纤激光器，激光器参数见表3，对低成本钛合金板进行激光复合焊接。

焊接坡口示意图如图1所示，接头形式为对接，钝边为4mm，坡口角度为60°。分别进行不同参数的打底焊接与盖面焊接，观察不同参数下的焊缝形貌，并进行性能测试。焊前采用激光清理方法将坡口及两侧50mm范围内清理干净。使用高纯氩作为保护气体，保护气体流量为18L/min。完成单层单道打底焊接和盖面焊接。焊后在试板上截取试块制备金相试样。金相采用HF+HNO₃混合溶液进行腐蚀，并进行显微组织观察，随后进行接头拉伸试验。

2、试验结果及分析

2.1　打底焊接参数

2.1.1　光丝间距

光丝间距直接决定了激光热源与电弧热源之间的耦合作用情况，是激光−电弧复合焊的一个重要参数，对打底焊过程的稳定性和焊缝成形都有很大影响。分别设置光丝间距为0mm，2mm，4mm进行焊接。图2为不同光丝间距的焊缝成形。光丝间距为0mm时，焊缝成形较差，工件背面无法焊透。光丝间距增大到2mm，4mm时，飞溅减小，焊缝成形逐渐稳定，无未焊透缺陷。

2.1.2　激光功率

打底焊的主要作用是焊透钝边，在激光−电弧复合焊接过程中，熔深大部分由激光功率决定。图3为焊接速度1.0m/min下，激光功率分别为2.6kW，3.0kW，3.4kW时的焊缝截面。可观察到，焊缝熔深随着激光功率的增加显著提高，激光功率过大在3.4kW时会导致熔池塌陷，焊缝背面余高增加，正面形貌没有较大变化，但同样向下塌陷。

2.1.3　电弧电流

图4为打底焊电弧电流分别为120A，150A，180A时的焊缝成形对比。当电弧电流为120A时，复合焊能量刚好可使熔池深度达到背面，但处于熔透的临界状态，并不稳定。当电弧电流为150A时，由于复合能量增强，焊缝熔深增加，且焊缝形态为典型的激光−电弧复合焊形貌，截面呈“高脚杯”状。当电弧电流为180A时，电弧能量的过大，焊丝填充量增加，表现为熔深有所下降，熔池高度增加，坡口两侧凹陷被熔融金属回填，表面变得平滑。

2.1.4　焊接速度

焊接速度的大小直接反映了一种焊接方法生产效率的高低，且焊接速度与热输入呈反比，是决定焊缝形貌的主要因素之一。分别进行焊接速度为0.8m/min，1.0m/min，1.2m/min的焊接试验。由图5可知，焊接速度为0.8m/min时，由于热输入较大，焊缝的熔宽较大，焊缝塌陷明显，背面余高较大；随着焊接速度的增大，背面焊缝余高逐渐减小，表面坡口两侧的母材熔化量减少，可见焊缝两侧由电弧加热导致的缺口逐渐减小直至消失，表面变得更平滑；焊缝宽度随着焊接速度的増大而逐渐减小。焊接速度过大，达到1.2m/min时，焊缝最窄，且焊缝背面余高和熔宽均逐渐减小甚至出现熔合不良的现象。

2.2　盖面焊接参数

2.2.1　电弧能量输入

在盖面焊中，由于激光功率较小，仅为0.5～1.0kW，因此，主要影响因素为电弧参数，包括电弧电流、焊接速度、盖面层数等。图6为采用大电流（250A）填充后的焊缝，由于电弧体积较大，大电流填充并没有将坡口填充完成，反而由于过大的电弧热输入和影响范围，导致坡口附近母材大量熔化，在该道焊缝填充后使得坡口扩大，并无法通过二次填充获得良好的焊缝成形。

因此，对于4mm钝边下的对接接头应采用两道填充的方式，填充层电流约为180～220A，焊接速度约为0.4～0.6m/min。

2.2.2　焊接速度

图7为采用不同焊接速度进行填充焊获得的焊缝正面成形，可以看到，在焊接速度与电弧电流满足坡口宽度的情况下均可实现良好的填充，随着焊接速度的降低，焊缝宽度显著增加，同时由于焊丝大量熔化和焊接速度过慢造成填充量的不稳定，焊缝宽度有较大的变化，且过大的热输入会软化焊缝组织，降低接头力学性能。因此，采用0.6m/min的焊接速度进行填充更适合。

2.2.3　激光功率

在盖面焊中，激光热源主要起到引导并稳定电弧的作用，应选用较小的功率。如图8所示，激光功率为0.5kW时电弧状态不稳定，可以看到焊缝周边有大量飞溅。而激光功率增加到1.0kW后，电弧较为稳定，焊缝两侧飞溅减少。

2.3　焊缝宏观形貌

图9为采用优化参数进行填充焊接的低成本钛合金激光−MIG焊接接头焊缝横截面，焊缝宏观成形良好，且无裂纹、气孔、咬边等缺陷。

2.4　接头性能

图10是母材与接头抗拉强度与断后伸长率的对比，试验所得母材抗拉强度为1114MPa，断后伸长率为12.4%；而平板对接接头抗拉强度为1089MPa，断后伸长率为5.6%。接头抗拉强度达到母材的97.8%。

图11为断裂于母材区域的接头断口形貌。其中图11(a)为断口的宏观形貌，可以观察到断面处面积相对底部区域变小，存在明显的颈缩现象。

图11(b)和11(c)分别为A区和B区的断面形貌，断口处观察到大量细小的等轴韧窝。该现象表明在断裂前接头发生了塑性变形，为典型的韧性断裂。

图12与图13为同一接头断裂后断面的上部和下部区域，观察到上下两部分具有不同的断裂特征，因此分别进行分析。

图12中断面为焊缝断裂的上部区域，观察到图12(a)中大量的气孔，证明焊接过程中气孔未能及时从熔池中溢出，大量气孔集中于焊缝上部，对于接头强度产生了不利影响，图12(b)中展现了典型的准解理断裂的特征，断口处存在着台阶状花样，同时存在准解理小平面区域和韧窝区域，证明了上部区域的混合断裂模式。图12(c)和图12(d)为D区和E区形貌，可以观察到细小的撕裂韧窝，且具有一定的深度。

图13(a)为断裂面的下部区域，证明在焊缝下部气孔较少，但同样存在着台阶状花样、准解理平面及韧窝，图13(c)和图13(d)中可以观察到大量的撕裂韧窝。相比上部区域，焊缝下部区域存在的准解理平面比例更大，有更多的脆性断裂特征。该接头断裂时，在不同部位产生解理裂纹核，并扩展为解理小平面，最终以塑性方式撕裂。

3、结论

（1）对于TC4LCA对接接头，坡口形式为Y形，坡口角度60°，钝边厚度为4mm，在光丝间距为4mm，激光功率为3.0kW，焊接速度为1m/min，MIG电弧电流为150A的条件下，能够获得成形良好的打底层焊缝。

（2）在激光功率为1.0kW，焊接速度为0.6m/min，MIG电弧电流为200A的条件下，两次填充能够获得成形良好的盖面层焊缝。

（3）激光−MIG复合焊接对接接头宏观无裂纹、气孔等缺陷，抗拉强度为1089MPa，达到母材的97.8%；断裂于母材区域的接头断口为韧性断裂，焊缝区域断口呈现准解理断裂和韧性断裂的混合特征。

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第一作者：　刘政，硕士，工程师；主要从事高强钢及钛合金 焊接工艺研究；liu15154428016@163.com。

通信作者：　高金良，学士，高级工程师；主要从事高强钢及 有色金属焊接工艺研究；已发表论文 10 余篇；12611419@qq.com。

 本文引用格式：

刘政, 高金良, 宋旭杰, 等. 激光−MIG 焊接工艺参数对低成本钛合金焊缝成形的影响[J]. 焊接, 2024（12）：74 − 80. 

Liu Zheng, Gao Jinliang, Song Xujie, et al. Effect of laser-MIG welding parameters on formation of low-cost titanium alloy weld[J]. Welding & Joining, 2024（12）：74 − 80.