Effect of defocuson performance of butt joints of pure titanium sheet

钛被称为继铁和铝之后的“第三金属”、“未来金属”，其产量已逐渐成为衡量一个国家综合实力的重要标准。钛及钛合金的应用领域及其广泛，是船舶工业、海洋开发、航空航天及医疗卫生等行业非常重要的材料^[1-4]。随着现代工业的飞速发展以及人们节能环保意识的不断增强，钛及其合金在汽车制造、化工及体育休闲等生活领域的需求量也日益增加^[5-7]。进入21世纪以来，中国钛工业的产量及其用量也在稳步发展，并已经成为世界钛工业中不可或缺的一部分^[8]。

工业纯钛具有密度低、韧性高、耐酸碱性能优异等特性，其良好的力学性能、较高的蠕变强度、优异的减重效果均能够支撑其快速发展的要求，作为重要的耐蚀结构材料，已广泛应用在化工设备、发电装置、海水淡化装置和舰艇零部件^[9-10]。目前，TA2在工业纯钛中应用最为广泛^[11]。

纯钛薄板焊接难度较大，纯钛高温时容易与氧、氮、氢发生化学反应，化学产物会降低接头性能，严重影响构件的使用性能及其寿命。此外，薄板对工艺参量的匹配度要求较高。目前，纯钛的主导焊接方法为激光焊接，激光焊接生产效率高，接头保护情况良好，能量集中，焊缝成形好，完全满足现代焊接构件在精度及质量方面的要求^[12-20]。

激光焊接工艺参量主要包括激光功率、焊接速率及离焦量。离焦量是指焊件表面与聚焦激光束最小斑点之间的距离。作者旨在研究离焦量对焊缝拉伸性能及成形性能的影响，揭示焊接接头显微组织构成，为纯钛薄板的推广应用提供理论及技术支撑。

试验材料为TA2薄板，厚度0.6mm，经两轧程轧制，退火温度600℃，主要化学成分及力学性能见表 1。表中, R_p0.2为屈服强度，R_m为抗拉强度，A为断后延伸率。图 1为母材(base metal，BM)的显微组织。由图 1可以看出，母材显微组织为分布均匀的等轴α晶粒，晶粒尺寸较小。

Figure 1.  Microstructure of base metal

激光焊接设备由IPG YLR-6000型光纤激光器、六轴工业机器人及激光焊接系统组成。光束质量参量(beam parameter product, BPP)为6.9mm·mrad，最大输出功率为6kW，透镜焦距为250mm，光斑直径为0.4mm。进行焊接试验之前将焊接式样加工为100mm×200mm的矩形试板，使用琴键式夹具进行对接焊，纯氩气进行保护，正面保护气体流量为40L/min，背面保护气体流量为20L/min。

设定激光功率为1.5kW，焊接速率为4m/min，鉴于试板较薄，离焦量不设负值，设定+10mm，+15mm，+20mm，+30mm 4个水平，获得的接头分别编号为a，b，c，d，研究接头拉伸性能及成形性能的影响，并揭示接头显微组织构成。依据GB/T228.1-2010规定截取拉伸试样，试样尺寸如图 2所示。图中L₀=50mm，L_c=75mm，L_t=220mm，b₀=12.5mm；1表示夹持头部，仅为示意性。拉伸性能通过INSTRON5969型电子万能材料试验机进行检测；通过测量接头扩孔率及杯突值评价其成形性能，均使用BCS-50AR热环境通用板材成型性试验机进行测试，试样尺寸为60mm×60mm；接头经切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀后使用Axio Obersver A1m型光学显微镜观察接头显微组织，腐蚀液为氢氟酸硝酸水溶液。

Figure 2.  Dimensions of tensile specimen

接头拉伸性能见表 2，拉伸结果见图 3。表 2显示，接头屈服强度均略高于母材，抗拉强度略低于母材，延伸率低于母材。纵观接头拉伸性能，随着离焦量的升高，接头拉伸性能各项指标呈现不规则分布，说明离焦量与接头拉伸性能之间无直接对应关系。屈服强度及抗拉强度下降幅度不大，均在17MPa以内。接头d的延伸率存在异常，对比图 3发现，接头a、b、c均断裂于母材，接头d断裂于焊缝。当试样受到载荷时，焊缝区域由于存在淬硬组织，因此不易滑移变形，母材组织均匀细小，滑移变形首先发生在母材，并最终在母材断裂。接头d的离焦量较大，能量集中程度较低，接头热输入小，融合情况差，因此断裂于焊缝，延伸率出现异常现象。接头a及接头c的拉伸性能相差不大，但对比图 3发现，接头a的焊缝宽度明显较窄，因此接头a的屈服载荷及最大承载能力低于接头c，当离焦量为+20mm时，接头拉伸性能相对较好。

Figure 3.  Macro-appearance of tensile specimen

在扩孔试样的中心位置加工5mm的初始孔径d₀，当初始孔附近出现颈缩或裂纹时，扩孔试验结束并记录此时破断孔径d_r，按下式计算扩孔率λ:

扩孔试验及杯突试验结果见表 3及图 4。表 3显示，接头扩孔率及杯突值均低于母材，这是因为母材组织均匀，晶粒尺寸小，晶界面积大，裂纹扩展过程中的阻力大，组织在受力状态下能够实现协调变形，母材具有较好流动性，宏观表现为优异的成型性能。对比图 4中的试验结果来看，接头a和接头d的扩孔率及杯突值均存在异常。离焦量较小时，能量集中度高，光斑功率密度大，“小孔效应”明显，熔池中产生大量的金属蒸气，冲击熔池后壁，引起熔池振荡，造成少量飞溅，焊缝受到污，此时焊缝组织为过熔透组织，因此焊缝质量较差，成形性能差。当离焦量较大时，光斑功率密度小，热输入低，焊缝金属不足以完全熔融，出现未焊透缺陷，同样降低焊缝质量。当出现以上两种情况时，接头在扩孔及杯突试验中，裂纹首先出现在焊缝处。当接头能够实现完全融合，无焊接缺陷时，随着离焦量升高，接头成形性能呈上升趋势，当离焦量为+20mm时，接头成形性能最优。

Figure 4.  Result of hole expanding tests and Erichsen cupping tests

图 5及图 6为接头a、b、c、d焊缝区及热影响区的显微组织。图 5显示，焊缝区显微组织由粗大α晶粒+锯齿状α晶粒+少量针状α晶粒构成。激光焊接能量集中性好，并且钛具有较大的比热容、电阻系数以及较低的热导率，因此晶粒尺寸较为粗大。同时由于激光焊接具有较大的冷却速度，造成温度梯度大，晶粒自两边向熔核中心生长，方向性较强，并呈现多种形态。少量针状晶粒的存在增加了晶界面积，能够减少位错自由运动的路径，这对于接头的成形性能是有利的。离焦量对晶粒尺寸影响较大，随着离焦量的升高，晶粒尺寸呈现下降趋势，离焦量升高，接头热输入降低，因此晶粒尺寸随之降低。接头d出现气孔缺陷，形状为规则的圆形，属于氢气孔。当离焦量过高时，接头能量低，此时熔池液相存在时间变短，冷却速度大，当焊缝中有H析出时，聚集形成的气泡来不及扩散，凝固在焊缝中形成气孔。图 6显示，热影响区组织由不规则的粗大α晶粒+锯齿状α晶粒构成。在焊接热循环的影响下，热影响区的峰值温度低于焊缝区，晶粒获得的能量低，不足以支撑其完全长大，因此其晶粒尺寸远低于焊缝区晶粒。

Figure 5.  Microstructure of weld zone

Figure 6.  Microstructure of HAZ

(1) 接头拉伸性能及成形性能均低于母材，离焦量过低或过高对光斑功率密度影响较大，影响焊缝质量，降低接头成形性能，但不影响接头力学性能。随离焦量升高，接头成形性能呈上升趋势，当离焦量为+20mm时，接头具有最优的拉伸性能及成形性能。

(2) 焊缝区显微组织为粗大α晶粒+锯齿状α晶粒+少量针状α晶粒，针状α晶粒的存在有利于接头成形性能的提高，随离焦量增大，晶粒尺寸逐渐减小，增大至+30mm时，出现气孔缺陷。热影响区显微组织构成为不规则的粗大α晶粒+锯齿状α晶粒，受焊接热循环影响，热影响区晶粒尺寸比焊缝区小。