引言

TC4B 是一種 α+β 雙相鈦合金[1]，具有高強度和優(yōu)異的耐腐蝕性能，在航空航天領域得到廣泛應用[2]。在使用過程中，大多數(shù)鈦合金承受交變載荷，因此鈦合金結構件的高周疲勞壽命對應力集中非常敏感，尤其是焊接疲勞件，焊縫區(qū)域存在大小不等的應力集中[3]。LI 等人[4]研究表明，焊接產(chǎn)生的殘余應力對振動疲勞壽命有顯著影響，且由于焊接過程中的熱效應，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域存在一定的疲勞弱點。激光-MIG復合焊接技術由于其熱源集中好、熱影響區(qū)小、效率高等優(yōu)點，在航空航天鈦合金材料焊接中得到了廣泛的應用，但仍難以避免焊接缺陷的存在[5]。為了改善焊接接頭疲勞性能，國內(nèi)外學者開展了一系列研究工作。

SU 等人[6]對 TC21 鈦合金脈沖激光-電弧復合焊接接頭的復合波形和變幅疲勞特性進行了研究，揭示了不同初始最大循環(huán)應力下焊接接頭的微變形機理和裂紋形成機理，同時發(fā)現(xiàn)氣孔是導致焊接接頭疲勞失效的主要因素。CONG 等[3]采用超聲軋制處理，并通過不同道次的軋制工藝，抑制了疲勞條紋的擴展，提高了 TC4 鈦合金激光焊接接頭的疲勞性能。

HU 等人[7]對 TA15 鈦合金雙面氬弧焊接頭進行了激光沖擊強化處理，對比分析了激光沖擊強化前后接頭的疲勞壽命及疲勞裂紋形成機理，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的起裂位置由高應力集中的表面缺陷向內(nèi)部轉(zhuǎn)移。清華大學吳敏生等[8]提出將激光擺動加入到激光電弧復合焊接中，實現(xiàn)焊縫晶粒細化，抑制氣孔、裂紋等缺陷。

朱宗濤等[9]針對于鋁合金開展了震蕩激光-MIG 復合焊接研究，系統(tǒng)研究了高脈沖激光調(diào)質(zhì)耦合方式對焊接接頭疲勞性能的影響。

通過以上學者的研究發(fā)現(xiàn)，焊接氣孔是導致疲勞失效的主要原因，采用超聲軋制以及激光沖擊強化處理可以有效提高焊接接頭的疲勞性能，而對于擺動激光-MIG 復合焊接的研究主要集中在鋁合金，針對于中厚板鈦合金擺動激光-MIG 復合焊接的研究相對較少。因此，筆者采用具有能量密度高、熔透深、變形小等優(yōu)點的擺動激光-MIG 復合焊焊接 TC4B 鈦合金，對焊接接頭的顯微組織、抗拉強度、沖擊功及疲勞性能進行研究，分析其疲勞斷裂原因，并通過 S-N 曲線對斷口疲勞裂紋的擴展規(guī)律進行研究。

1、試驗材料與方法

試驗選擇焊接試板為 TC4B 鈦合金，母材成分如表 1 所示，試板尺寸為 300mm×150mm×20mm。坡口形貌及尺寸如圖 1 所示。選擇的填充材料為 TC4 焊絲，直徑 1.2 mm，其成分如表 2 所示。

試驗采用擺動激光-MIG 復合焊接，如圖 2 所示，激光在前電弧在后，焊槍與母材保持 60°的夾角，激光束與焊槍保持 30°的夾角。由于鈦合金焊接過程中存在氧化現(xiàn)象，采用了正面保護脫罩以及通入背部保護氣體的方法，保護氣體為高純氬，保護氣體流量為 25L/min。焊前用 500W IPG 激光清洗設備對試板坡口進行表面清洗，然后對試板進行裝配，裝配完成后開始進行焊接。由于試板較厚，所以焊接方法包括打底焊以及填充焊兩種，并采用雙面焊（正面、背面）的焊接方式。根據(jù)以往焊接試驗發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部的氣孔缺陷主要是由于激光功率較大產(chǎn)生的，因而在第一道打底焊中加入了擺動，抑制氣孔的產(chǎn)生，填充焊時則不需要激光擺動，具體焊接參數(shù)如表 3 所示。

焊接完成后，沿垂直于焊縫的方向取拉伸、沖擊、疲勞試樣，拉伸與疲勞試樣尺寸如圖 3 所示，依據(jù)國標標準 GB/T228.1-2021 和 GB/T2650-2022 進行拉伸與沖擊試驗。疲勞試驗條件如下：溫度 23℃，濕度50%，正弦波加載，頻率 100Hz，應力比 0.1，循環(huán)次數(shù)為 107，對加工完的疲勞樣件進行拋光處理，去除表面的劃痕。采用 QBG-20 高頻疲勞試驗機對樣件進行疲勞試驗，采用 ZEISS Axio observer 金相顯微鏡對焊接接頭的顯微組織進行了拍攝和觀察，采用 TESCAN 掃描電鏡觀察斷口的形貌。

2、結果與分析

2.1 焊接接頭內(nèi)部質(zhì)量

圖 4 是焊縫內(nèi)部質(zhì)量的 X 射線探傷結果，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，加入激光擺動后，可以有效地減小焊接過程中的氣孔含量，改善焊縫內(nèi)部質(zhì)量，對于后續(xù)焊接接頭力學性能的提高也有一定的指導作用。

2.2 焊接接頭顯微組織

圖 5 是焊接接頭的顯微組織微觀形貌，觀察發(fā)現(xiàn)焊接接頭的熱影響區(qū)較窄，相比焊縫區(qū)晶粒較為細小，這是因為采用擺動激光-MIG 復合的焊接方法相比于傳統(tǒng)的電弧焊接減小了焊接熱輸入，細化了晶粒。焊縫區(qū)組織主要為 α＇相的針狀馬氏體，馬氏體有兩個生長方向且相互垂直，在晶粒內(nèi)部能夠看到些許馬氏體針整個貫穿。熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)的作用相比于焊縫區(qū)域減小，溫度較低，但隨著熱源移動冷卻速度更大，熱影響區(qū)靠近焊縫的區(qū)域受熱源影響明顯，高溫區(qū)域停留時間較長，α 相可以完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷?β 相，冷卻開始 β 相向 α＇相轉(zhuǎn)變，形成馬氏體組織，晶粒向焊縫方向長大，最終形成粗晶區(qū)；熱影響區(qū)遠離焊縫的區(qū)域受熱源影響較小，在熱循環(huán)過程中，加熱溫度不足以使 α 相完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷?β 相，冷卻開始 β 相向 α＇相的轉(zhuǎn)變不徹底，最終形成 α 相和 α＇相交織在一起后交錯分布的混合組織，晶粒形核后此區(qū)域的溫度梯度不足以使晶粒長大，最終形成細晶區(qū)。母材為 α+β 雙相鈦合金，母材組織為等軸組織，以片層狀的 α 相為基體，晶間存在少量 β 相，α 相晶粒被拉長呈現(xiàn)出棒槌形、橢圓形[1]。

2.3 焊接接頭拉伸性能

表 4 所列為不加擺動與加擺動焊接接頭拉伸檢測結果，拉伸試樣為棒材，拉伸斷裂位置都發(fā)生在焊縫處（圖 6）。未加擺動的焊縫抗拉強度平均值為 977MPa，加擺動的焊縫抗拉強度平均值為 985MPa，分析發(fā)現(xiàn)加擺動的焊縫抗拉強度相比于不加擺動的要高一些。

圖 7 為拉伸試樣斷口形貌，由圖 7 可見，斷口存在許多韌窩狀結構，其中擺動焊接接頭的韌窩尺寸大于不加擺動焊接接頭，因而擺動焊接接頭韌性較好，這與斷后伸長率結果一致。而韌窩的產(chǎn)生包括空洞形核、長大、聚集和斷裂四個階段，熱輸入是決定韌窩尺寸的關鍵因素；在拉力作用下，焊接變形及應力集中會形成空穴，后續(xù)拉力的增大，會促進空穴的長大，各空穴之間會容易發(fā)生聚集產(chǎn)生微裂紋，微裂紋持續(xù)擴展最終發(fā)生斷裂。

2.4 焊接接頭沖擊性能

表 5 所列為接頭的常溫沖擊試驗結果，試樣尺寸為 55mm×10mm×10mm，沖擊斷裂位置也都發(fā)生在焊縫處（圖 8）。無擺動焊接接頭沖擊功低于母材（41J)，而加擺動焊接接頭沖擊功略高于母材，加擺動焊接接頭的沖擊功優(yōu)于常規(guī)激光-MIG 復合焊接頭，這與擺動激光的作用及熱輸入密切相關。圖 9 為接頭沖擊斷口照片，與拉伸斷口類似，在沖擊外力作用下，容易發(fā)生變形和焊接應力集中，最終產(chǎn)生空穴。加擺動焊接接頭的斷裂以韌性斷裂為主，焊接接頭斷口的韌窩較多且深度較大。

2.5 焊接接頭疲勞性能

1）S-N 曲線

通過對焊接接頭進行疲勞性能檢測，得到疲勞試驗測試結果，部分典型數(shù)據(jù)如表 6 所示，對疲勞試驗結果進行指數(shù)函數(shù)擬合得到 TC4B 擺動激光-MIG 復合焊接接頭試樣的 S-N 曲線（圖 10），可以看出，復合波形和變幅疲勞壽命隨應力幅值的增加而降低。對疲勞數(shù)據(jù)進行整合計算，得到其中值疲勞壽命，如式（1）所示。

式中：Ni 為疲勞循環(huán)壽命檢測值（測值數(shù)量滿足要求）；為可靠度 50%的中值疲勞壽命[10]。并最終確定疲勞壽命為 107 時，焊接接頭的極限疲勞強度為 464MPa。

2）疲勞斷裂分析

已有研究結果表明，疲勞斷裂需經(jīng)歷疲勞裂紋萌生、裂紋平穩(wěn)擴展以及失穩(wěn)擴展三個階段[10]，疲勞試樣斷口分為疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)三個部分。本研究對初始最大循環(huán)應力為 450 MPa 的疲勞斷裂進行分析，圖 11（a）可以發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋起源于內(nèi)部氣孔，這是因為在鈦合金的焊接過程中，雖然采用擺動激光方式大大減少了焊縫中氣孔的含量，但仍會產(chǎn)生一部分尺寸較小且分布隨機的氣孔。這些微米級氣孔在復雜載荷下容易造成局部應力集中，成為疲勞源。圖 11（b）疲勞裂紋擴展區(qū)中可以觀察到明顯的韌性疲勞裂紋，裂紋周圍粗糙度較大，擴展阻力較大，擴展速率較慢。圖 11（c）呈現(xiàn)的是瞬斷區(qū)的形貌，有大量的韌窩出現(xiàn)，這是由于當擴展區(qū)中的裂紋受到阻力減小時，裂紋擴展速率會增加，最終失穩(wěn)得到撕裂狀的韌窩。

3、結論

1）焊縫區(qū)組織主要為 α＇相的針狀馬氏體，馬氏體交織在一起呈網(wǎng)籃狀形貌；熱影響區(qū)分為粗晶區(qū)和細晶區(qū)，靠近焊縫的粗晶區(qū)高溫區(qū)域停留時間較長，α 相可以完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷?β 相，冷卻開始 β 相向 α＇相轉(zhuǎn)變，形成馬氏體組織，靠近母材的細晶區(qū)加熱溫度不足以使 α 相完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷?β 相，冷卻開始 β 相向 α＇相的轉(zhuǎn)變不徹底，最終形成 α 相和 α＇相；母材為 α+β 雙相等軸組織。

2）擺動焊接接頭抗拉強度為 985MPa，沖擊功為 42.6J；未加擺動的焊接接頭抗拉強度為 977MPa，沖擊功為 38J；增加了擺動激光之后，焊接接頭的抗拉強度以及沖擊功都有一定的提升。

3）疲勞裂紋起源于內(nèi)部氣孔，疲勞裂紋擴展區(qū)主要為韌性疲勞裂紋，瞬斷區(qū)有大量的韌窩出現(xiàn)。

參考文獻

[1] ZHANG L,LI Q B,DAY Y,et al.Study on fatigue damage behavior of TC4 titanium alloy monofilament MIG joint[J].Iron Steel Vanadium Titanium,2022,43(02):62-67.

（張龍,李清波,戴宇,等.TC4 鈦合金單絲 MIG 接頭疲勞損傷行為研究[J].鋼鐵釩鈦, 2022,43(02):62-67.）

[2] REN L N,ZHANG Q B,LEI X W,et al.Effect of Laser Heat Input on Microstructure and Fatigue Behavior of TC17 Titanium Alloy Laser Welded Joint[J].Rare Metal Materials and Engineering,2024,53(07):1836-1844.

[3] CONG J H ,GAO J Y ,ZHOU S , et al.Effect of ultrasonic rolling on the fatigue performance of laser-welded TC4 titanium alloy joints[J].International Journal of Fracture,2024,247(1):87-105.

[4] LI L B, GU X M, SUN S L, et al.(2018) Effects of welding residual stresses on the vibration fatigue life of a ship’s shock absorption support. Ocean Eng 170: 237–245.

[5] AKMAN E, DEMIR A, CANEL T, et al. (2009) Laser welding of Ti6Al4V titanium alloys. JMater Process Technol 209: 3705–3713.

[6] SU R ,LI H Z ,WANG S Y , et al.Study on fatigue properties with composite waveform and variable amplitude of TC21 titanium alloy pulsed laser-arc hybrid welded joints[J].Engineering Failure Analysis,2024,165108797-108797.

[7] HU X A ,ZHAO J,TENG X F, et al.Fatigue Resistance Improvement on Double-Sided Welded Joints of a Titanium Alloy Treated by Laser Shock Peening[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2022,31(12):10304-10313.

[8] WU M S,DUAN X Y,LI L M,et al.Excitation of arc ultrasound and its characteristics[J].Journal of Tsinghua University (Natural Science Edition),1999,(06):111-113.

（吳敏生,段向陽,李路明,等.電弧超聲的激發(fā)及其特性研究[J].清華大學學報(自然科學版),1999,(06):111-113.）

[9] ZHU Z T,ZHU Q C,LI Y X,et al.Ultrasonic vibration-assisted A7N01 aluminum alloy laser-MIG composite welding structure and mechanical properties[J].Journal of Welding Science,2016,37(06):80-84+132-133.

（朱宗濤,祝全超,李遠星,等.超聲振動輔助 A7N01 鋁合金激光-MIG 復合焊接組織及力學性能[J].焊接學報,2016,37(06):80-84+132-133.）

[10] LIU X H,NI J Q,LIU Y M.Study on fatigue properties of TA15 titanium alloy sheet laser-TIG composite welding joint[J].Thermal Working  Technology,2019,48(03):15-18+23.

（劉曉寒,倪家強,劉艷梅.TA15 鈦合金薄板激光-TIG 復合焊接頭疲勞性能研究[J].熱加工工藝,2019,48(03):15-18+23.）

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