引言

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、焊接性能出色等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域［1-2］。薄壁鈦合金構(gòu)件作為一種重要的應(yīng)用形式，其連接和成形至關(guān)重要。相較于鉚接，焊接能夠整體提升構(gòu)件性能，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)重量。與其他焊接方法相比，激光焊能量密度高、熱源集中、焊接速度快，更加適合薄壁鈦合金的焊接，激光焊接的接頭性能好，焊縫質(zhì)量高，結(jié)構(gòu)變形量小，更能滿足工程應(yīng)用。但由于薄壁構(gòu)件容易扭曲變形以及鈦合金較低的彈性模量和熱導(dǎo)率，導(dǎo)致薄壁鈦合金構(gòu)件焊接后的殘余應(yīng)力和變形問題制約了其在某些高精度場合的應(yīng)用［3-4］。

由于焊接殘余應(yīng)力與變形的根源在于焊縫形成過程中加熱與冷卻溫度不均［5］，因此可以采用溫差拉伸法（如預(yù)熱法、在線冷卻法）來控制殘余應(yīng)力和變形。預(yù)熱法是將焊接零件在焊接前加熱至適宜溫度使其產(chǎn)生熱應(yīng)力以抵消焊接產(chǎn)生的應(yīng)力［6］，但會(huì)受制于焊縫結(jié)構(gòu)和加熱設(shè)備；在線冷卻法則擺脫了焊縫結(jié)構(gòu)的限制，可以在焊接過程中在線同步進(jìn)行強(qiáng)制冷卻［3，7］。剛性固定法是通過增加熱影響區(qū)的剛度來抑制變形量，這往往需要專用的焊接夾具，不僅成本高周期長，而且抑制效果有限。預(yù)變形法［8］是在焊接前使待焊零件產(chǎn)生適當(dāng)變形或應(yīng)力來抵消焊接產(chǎn)生的變形和應(yīng)力，但預(yù)變形量和預(yù)拉伸應(yīng)力的大小和方向很難精確預(yù)測。

在目前的研究及應(yīng)用中，關(guān)于薄壁鈦合金激光焊接應(yīng)力與變形控制的相關(guān)研究較少，本文應(yīng)用水霧在線冷卻法對(duì)1.2mm厚TC4鈦合金激光焊接變形及殘余應(yīng)力控制進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以證實(shí)該方法的有效性和可行性。

1、冷卻原理、試驗(yàn)設(shè)備及工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1水霧在線冷卻法

水霧冷卻技術(shù)借助噴嘴將水霧化后均勻噴射至待冷卻熱源的表面，在表面上形成一層薄液膜，依靠液膜的蒸發(fā)、對(duì)流、液滴的沖擊和核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰等相變過程帶走熱源表面的熱量。由于霧化后的水滴具有較大動(dòng)能且液膜對(duì)流和蒸發(fā)相變同時(shí)存在，因此水霧冷卻技術(shù)可以應(yīng)用于具有極高熱流密度的場景，理論上可達(dá)1000W/cm2［9］。水霧冷卻技術(shù)還具有傳熱系數(shù)高、冷卻工質(zhì)用量小、與固體表面無接觸熱阻、冷卻均勻等優(yōu)點(diǎn)。采用水霧冷卻技術(shù)與激光焊接技術(shù)相結(jié)合，當(dāng)激光照射在焊縫處形成熔池時(shí)，水霧噴嘴通過高壓氣體將蒸餾水霧化噴射在焊縫處形成液滴，并迅速形成一層液膜，隨后液膜在后續(xù)噴射下劇烈擾動(dòng)，傳熱熱阻減小，冷卻效率提高。如圖1所示，連續(xù)噴射的水霧使液膜厚度從中心到邊緣先增大后減小，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的過程中，冷卻熱流密度先增大然后迅速減小，其具體過程為：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)液滴到達(dá)表面后迅速形成液膜，此時(shí)的溫差、相變量和熱流密度相對(duì)較大，而后液膜覆蓋整個(gè)熱源表面，相變量減少，熱流密度下降，氣相對(duì)熱流密度的貢獻(xiàn)減小，但與傳統(tǒng)換熱的熱流密度相比仍比較大［10］。焊接熱源在液膜和氣流的作用下帶走了一部分熱量，減小了焊縫處的溫度梯度，從而可減小板材的焊后殘余應(yīng)力，提高焊接接頭質(zhì)量。

不同的水霧冷卻參數(shù)對(duì)焊接過程中的應(yīng)力應(yīng)變場分布情況影響不同，對(duì)接頭焊縫質(zhì)量的改善效果也不同，因此有必要針對(duì)性地研究不同水霧冷卻參數(shù)對(duì)薄板激光焊接接頭應(yīng)力變形的影響規(guī)律，獲取最佳的水霧冷卻條件以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄板激光焊接過程中殘余應(yīng)力和變形的有效控制。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

激光焊接水霧冷卻系統(tǒng)圍繞激光焊接設(shè)備展開，其中包括供液部件、管路部件、控制部件、測量系統(tǒng)，試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。選用最大功率達(dá)12kW的TruDisk12003碟片式激光器，配置PrecitecYW52焊接頭，使用KUKAKR60HA高精度焊接機(jī)器人。

在試驗(yàn)過程中，先由激光焊接設(shè)備對(duì)焊縫進(jìn)行焊接，在控制部件中設(shè)定該工況下焊縫表面的凝固溫度，水霧機(jī)通過高壓氣體使蒸餾水經(jīng)供液部件與管路部件在噴頭處霧化，隨后噴灑在已凝固的焊縫表面進(jìn)行冷卻。通過壓力閥調(diào)整水霧壓力，改變焊縫冷卻溫度，以探究水霧冷卻對(duì)焊縫成形的影響及當(dāng)前焊接參數(shù)下最佳水霧冷卻參數(shù)。水霧在線冷卻系統(tǒng)如圖3所示。殘余應(yīng)力測試采用盲孔法，采用ZS21B型殘余應(yīng)力檢測儀，如圖4所示。

焊接變形測試采用三維檢測技術(shù)，通過手持激光三維掃描儀在焊前和焊后掃描焊件得到其三維數(shù)據(jù)，在電腦軟件中同步進(jìn)行模型重建，所測得的變形數(shù)據(jù)與試樣原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出試樣的變形云圖。其原理及操作如圖5所示。

微觀形貌的檢測由制取的焊接接頭橫截面金相試樣經(jīng)過打磨拋光腐蝕后通過金相顯微鏡觀察并拍照獲得，腐蝕劑為Kroll試劑（化學(xué)成分為HF、HNO3和H2O，體積配比為2∶l∶20），使用的金相顯微鏡為MR-5000光學(xué)顯微鏡。

1.3工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用的TC4薄板尺寸規(guī)格為500mm×100mm×1.2mm，接口形式為對(duì)接，無坡口，對(duì)合修配間隙為0mm，激光入射角度為90°，激光無擺動(dòng)。薄板焊縫兩側(cè)通過金屬塊壓緊，焊前對(duì)待焊試板進(jìn)行表面清理并打磨焊縫兩側(cè)約15mm區(qū)域，去除氧化層的同時(shí)增加待焊區(qū)域的表面粗糙度，以增加焊縫區(qū)域?qū)す饽芰康奈?，同時(shí)在焊接時(shí)在焊縫正反面通氬氣進(jìn)行保護(hù)。為了探索水霧在線冷卻對(duì)薄板激光焊接殘余應(yīng)力和變形的影響規(guī)律，在實(shí)際工藝試驗(yàn)中采用相同的焊接工藝參數(shù)，將水霧壓力作為水霧在線冷卻試驗(yàn)的單一變量，如表1所示，無水霧冷卻的試樣編號(hào)1-0，有水霧冷卻的試樣編號(hào)分別為1-1，1-2，1-3。

如圖6所示，在焊接過程中保持水霧噴嘴距焊接接頭的距離為150mm，通過調(diào)整壓力來控制水霧流量和動(dòng)能，進(jìn)行不同水霧冷卻參數(shù)下的激光焊接試驗(yàn)，檢測焊接接頭變形和殘余應(yīng)力分布情況并觀察微觀組織形貌，探究水霧冷卻參數(shù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1TC4激光焊接試驗(yàn)殘余應(yīng)力及變形量焊接試樣如圖7所示?？紤]到平板對(duì)接結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)，殘余應(yīng)力測試點(diǎn)位置的選取如圖8所示，分別為：焊縫中心（1號(hào)點(diǎn)）、焊縫中心兩側(cè)1mm的位置（2號(hào)點(diǎn)）以及焊縫中心兩側(cè)5mm的位置（3號(hào)點(diǎn)），1、2、3號(hào)點(diǎn)間距15mm。殘余應(yīng)力測試結(jié)果如圖9所示，對(duì)比3種不同水霧冷卻參數(shù)的試樣，殘余應(yīng)力都呈現(xiàn)出焊縫＞熱影響區(qū)＞母材的趨勢，且比無水霧冷卻的殘余應(yīng)力小，其中水霧冷卻0.4MPa時(shí)焊縫處殘余應(yīng)力最小，比無水霧冷卻的試樣殘余應(yīng)力降低29.0%，說明水霧冷卻對(duì)平板對(duì)接試樣的殘余應(yīng)力控制有一定優(yōu)化效果，且選擇適當(dāng)?shù)乃F冷卻參數(shù)，能進(jìn)一步改善控制效果。圖10為試樣的變形測試云圖，從圖中可以看出，試樣的整體變形趨勢為中間部位變形較大，兩邊部位變形較小且變形方向與中間部位相反。

為便于對(duì)比變形結(jié)果，在試樣焊縫、焊縫一端以及焊縫中間的部位選取3條路徑進(jìn)行分析，如圖11~圖14所示，分別為1-0試樣、1-1試樣、1-2試樣、1-3試樣變形測量選取路徑及各路徑變形結(jié)果。

對(duì)比3種不同水霧冷卻參數(shù)的試樣，變形的主要形式為較為明顯的兩側(cè)翹曲變形和焊縫拱曲變形，其中試樣1-2即水霧壓力0.4MPa的總體變形最小，約降低17.6%，如圖15所示。

2.2TC4鈦合金激光焊接試驗(yàn)微觀組織分析

與傳統(tǒng)焊接方法不同，激光焊獲得的焊縫冷卻速度快，故其熱影響區(qū)沒有明顯的粗晶區(qū)，如圖16所示是光學(xué)顯微鏡下焊接接頭熱影響區(qū)微觀組織。由圖可知，焊接接頭的熱影響區(qū)由初生αp相和少部分針狀馬氏體α′組成，這是由于熱影響區(qū)的加熱溫度大都在β相轉(zhuǎn)變溫度（720~980℃）范圍，加熱峰值超過相變點(diǎn)溫度產(chǎn)生αp→β相變的組織較少，且在熔合區(qū)傳熱的影響下冷卻速度較慢，使得αp相無法完全轉(zhuǎn)變，而已轉(zhuǎn)變的αp相由于在高溫停留時(shí)間過短，生長受限，最終僅形成了微量細(xì)小的針狀馬氏體α′［11］。對(duì)比兩種試樣可知，水霧冷卻條件下的試樣熱影響區(qū)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的αp相更少，這是因?yàn)樵陔S焊激冷的條件下焊接接頭冷卻速度加快，焊縫及熱影響區(qū)的熱量被冷卻介質(zhì)快速帶走，熱影響區(qū)的加熱峰值及停留時(shí)間均降低，不再具備組織轉(zhuǎn)變條件。激光焊接時(shí)焊接區(qū)域經(jīng)過快速加熱和冷卻后產(chǎn)生凝固和結(jié)晶，這個(gè)過程促進(jìn)了柱狀晶的形成。

焊接工藝參數(shù)和冷卻條件不同時(shí)，焊接的熱輸入量和持續(xù)時(shí)間也不同。熱輸入量增大且時(shí)間充分時(shí)，焊縫中不同區(qū)域形成的β柱狀晶相對(duì)于熱輸入量較小或時(shí)間不足時(shí)更加粗大，且密集交錯(cuò)，方向性差［12］。與熱影響區(qū)相比，焊縫區(qū)熱輸入量大且冷卻速度快，β柱狀晶數(shù)量增多，在β柱狀晶內(nèi)部及周圍，存在更多呈條狀或網(wǎng)狀分布的針狀馬氏體，試樣1-0和試樣1-3的焊縫區(qū)顯微組織如圖17所示。

由圖可知，兩種試樣焊縫區(qū)在冷卻過程中焊縫顯微組織均發(fā)生馬氏體相變，β柱狀晶尺寸較大且內(nèi)部馬氏體針密集，呈條狀或網(wǎng)狀分布。由于熱輸入量較大且冷卻速度相對(duì)緩慢，焊縫中部的柱狀晶尺寸比焊縫下部的柱狀晶尺寸大［13］。

對(duì)比有無水霧冷卻的試樣可知，有水霧冷卻的1-3試樣焊縫的網(wǎng)籃狀組織尺寸更加細(xì)小，分布也更加規(guī)整有序，而無水霧冷卻的1-0試樣焊縫的馬氏體明顯粗大，且相互交叉，方向性差。這是因?yàn)闊o水霧壓力冷卻的焊縫區(qū)域的冷卻速度較慢，產(chǎn)生的過冷度較小，使得晶核只能在晶界產(chǎn)生并長大成晶界αgb，同時(shí)由于生長速度也較慢，形核驅(qū)動(dòng)力不足以形成連續(xù)的晶界［14］，而在水霧冷卻的條件下焊縫區(qū)的溫度梯度增大，冷卻速率加快，使得馬氏體相變過程更加快速有序［15］，晶粒生長方向更加趨于一致，進(jìn)而形成了更多尺寸細(xì)小、排列有序的針狀馬氏體，這說明水霧冷卻對(duì)顯微組織有一定的細(xì)化作用，對(duì)焊接的力學(xué)性能可起到提升作用。

3、結(jié)論

（1）在水霧在線冷卻條件下，激光焊接后殘余應(yīng)力均較無水霧冷卻明顯下降，平板對(duì)接試樣應(yīng)力變化趨勢一致，殘余應(yīng)力為焊縫區(qū)＞熱影響區(qū)＞母材區(qū)。

（2）殘余應(yīng)力與水霧壓力并無線性關(guān)系，其中水霧壓力0.2MPa下的殘余應(yīng)力值略高于水霧壓力0.4MPa和水霧壓力0.6MPa，在0.4MPa下殘余應(yīng)力最小，降至82.9MPa，較無水霧冷卻降低29%。

（3）對(duì)比3種不同水霧冷卻參數(shù)的試樣，變形的主要形式為兩側(cè)翹曲變形，其中水霧冷卻壓力為0.4MPa時(shí)總體變形最小，較無水霧冷卻降低17.6%；而在水霧壓力0.2MPa及0.6MPa下試樣的焊后變形均較0.4MPa時(shí)大，表明水霧冷卻條件下焊后變形先隨水霧壓力的增大而減小，后隨水霧壓力的增大而增大。

（4）通過觀察水霧在線冷卻下的焊縫微觀組織可知，水霧冷卻可促進(jìn)馬氏體相變，使焊縫的網(wǎng)籃狀組織更加規(guī)整有序，焊縫質(zhì)量提高。

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