液氮冷却对TC4钛合金激光焊接微观组织、残余应力与变形的影响.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.7Jul.2023第 53 卷 第 7 期2023 年7 月液氮冷却对TC4钛合金激光焊接微观组织、残余应力与变形的影响叶泽涛1，李悦1，马龙飞1，占小红1，王建峰1，庄明祥21.南京航空航天大学 材料科学与技术学院，江苏 南京 2100162.中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089摘要：针对钛合金薄板激光焊接残余应力与焊接变形大的问题，提出了液氮冷却激光焊接方法，将液氮冷却氩气作为冷却介质作用于试件表面。开展了TC4钛合金锁底结构液氮冷却激光焊接实验，分析了不同冷却条件下TC4钛合金激光焊接接头的微观组织、残余应力与焊接变形。结果表明，相较于自然冷却的激光焊接接头，液氮冷却激光焊接接头热影响区宽度变窄，焊缝中部宽度增大63.7%，下熔宽增大70.5%，焊缝组织更为均匀，焊后变形显著减小，整体变形量降低约5.2%。这是由于液氮冷却熔池后方处于高温的金属急剧冷却，很大程度上补偿了已产生的压缩塑性应变，使得焊接变形减小。关键词：TC4钛合金；锁底结构；激光焊接；液氮冷却；残余应力；焊接变形中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）07-0060-07Effect of Liquid Nitrogen Cooling on Microstructure,Residual Stress and Deformation of TC4 Titanium Alloy Laser WeldingYE Zetao1,LI Yue1,MA Longfei1,ZHAN Xiaohong1,WANG Jianfeng1,ZHUANG Mingxiang21.College of Materials Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China2.Avic Xian Aircraft Industry Group Company Ltd,Xian 710089,ChinaAbstract:Focusing on the problem of large residual stress and welding deformation in laser welding with titanium alloy thin-walled structures,a laser welding method with liquid nitrogen-assisted cooling was proposed for the control of welding deformation,in which liquid nitrogen cooled argon was used as the cooling medium on the surface of the specimen.The laser welding experiment of TC4 titanium alloy lock bottom structure with liquid nitrogen cooling was carried out.The microstructure,residual stress and welding deformation of TC4 titanium alloy laser welded joint under different cooling conditions were analyzed.The results show that compared with the laser welded joint with natural cooling,the width of heat affected zone of liquid nitrogen cooled laser welded joint was narrower,the middle width of weld joint was increased by 63.7%,the down melting width was increased by 70.5%,the weld structure was more uniform,the weld deformation was significantly reduced,and the overall deformation was reduced by about 5.2%.Due to the metal at high temperature behind the molten pool cooled by liquid nitrogen cools rapidly,which compensates the compressive plastic strain to a great extent and reduces the welding deformation.Keywords:TC4 titanium alloy;lock bottom structure;laser welding;liquid nitrogen-assisted cooling;residual stress;welding deformation引用格式：叶泽涛，李悦，马龙飞，等.液氮冷却对TC4钛合金激光焊接微观组织、残余应力与变形的影响 J.电焊机，2023，53（7）：收稿日期：2023-01-20修回日期：2023-06-22基金项目：国防基础科研项目（JCKY2021605B015）作者简介：叶泽涛（1998），男，硕士研究生，主要从事钛合金焊接工艺与仿真研究。通讯作者：占小红（1979），男，博士，教授，博士生导师，主要从事激光加工、增材制造、焊接与先进连接技术与装备，以及材料加工工艺建模与仿真等方面的教研工作。E-mail：xiaohongzhan_。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.0960-66.Citation:YE Zetao,LI Yue,MA Longfei,et al.Effect of Liquid Nitrogen Cooling on Microstructure,Residual Stress and Deformation of TC4 Titanium Alloy Laser WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):60-66.0 前言TC4钛合金作为一种典型的马氏体双相（+）钛合金，具有比强度高、耐腐蚀性、耐高温性等优点，是航空结构中最常用的一种钛合金1-2。激光焊接作为高能束流焊接技术的一种，因其具有能量密度集中、焊缝成形好、焊接速度快、焊接精度高、易实现自动化、生产效率高等优点，广泛应用于各个工业领域3-4。在航空航天领域，特别是飞机关键结构的制造中，激光焊接不仅能够满足飞机结构减重的要求，而且将整体锻造构件采用分段焊接结构代替，能够显著降低制造成本5-6。但由于激光焊接时焊件局部加热到高温，高度集中的瞬态热输入使得焊接过程中会产生较大的内应力，同时热输入的积累使得大尺寸薄板构件的焊接变形量较大，从而影响焊接部件的安全性和寿命，因此实现金属薄壁构件的精密焊接一直是焊接领域一大难题。目前消除焊接残余应力和变形的方法主要是焊后施加外场，应用较为广泛的残余应力消除工艺主要有超声冲击、振动时效、焊后热处理等7-9。传统的控制方法不仅提高了生产成本，还增加了生产工序。液氮冷却主要是指通过液氮冷却氩气，在激光热源的后部进行跟随激冷，在高能激光束加热基体与液氮冷却基体之间形成较大的温度梯度，从而达到减小钛合金薄板激光焊接变形的目的。曹永青10等人研究了液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28wt.%Sn合金组织演变过程，发现液氮冷却激光快速凝固组织主要呈现以外延生长方式为主，深过冷凝固组织主要以自由生长方式为主。肖茂11等人建立了S355J2G3低碳钢T型接头随焊激冷有限元模型，仿真结果表明冷源作用区将形成温度低谷，受周边金属拉伸作用抵消部分变形，从而降低最大残余应力与变形。但目前国内外关于液氮冷却对钛合金焊接结构微观组织的影响鲜有报道，且对残余应力与变形控制研究相对较少。刘西霞12研究了液氮冷却对钛合金平板结构激光焊接变形的影响，发现液氮冷却可有效降低焊件的变形与残余应力。而对于锁底结构，其装夹条件、受冷面积与平板对接结构均存在明显差异，液氮冷却对其微观组织、残余应力与变形的影响仍不明确。因此，本文利用液氮辅助冷却开展2 mm厚TC4钛合金锁底结构激光焊接实验，重点分析液氮冷却对钛合金薄壁构件微观组织、焊接应力与变形的影响。1 实验材料与方法实验采用的TC4钛合金锁底结构尺寸分别为500 mm50 mm1.2 mm和500 mm50 mm2 mm，如图1所示。焊件表面的清洁度对焊缝成形和焊接缺陷的影响很大，为了提高焊缝质量和减少焊接缺陷首先对试件表面进行焊前清理，通过打磨、酸洗、丙酮擦拭等手段去除材料表面氧化层及其他杂质，尤其是待焊区域的氧化皮，增大焊接区域的表面粗糙度，以增加焊接过程中焊缝区域对激光能量的吸收，减少反射的同时改善焊缝清洁度，避免污染。液氮冷却方法首先采用液氮对氩气进行冷却，然后再将冷却后的氩气作为冷却介质作用于试件表面，冷却过程中的热交换主要为保护气与冷铜管、冷铜管与环境介质间的热传导，其热量满足公式：Q=DT/R（式中Q为热量，T为温差，R为热阻）。焊接过程中冷却后的保护气将直接作用于熔池。实验设备包括TruDisk-12003碟片激光器以及KR30HA机器人。在实验过程中，激光器沿着焊接图1TC4锁底结构尺寸Fig.1Schematic of TC4 bottom-locking joint第 7 期叶泽涛，等：液氮冷却对 TC4 钛合金激光焊接微观组织、残余应力与变形的影响60-66.Citation:YE Zetao,LI Yue,MA Longfei,et al.Effect of Liquid Nitrogen Cooling on Microstructure,Residual Stress and Deformation of TC4 Titanium Alloy Laser WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):60-66.0 前言TC4钛合金作为一种典型的马氏体双相（+）钛合金，具有比强度高、耐腐蚀性、耐高温性等优点，是航空结构中最常用的一种钛合金1-2。激光焊接作为高能束流焊接技术的一种，因其具有能量密度集中、焊缝成形好、焊接速度快、焊接精度高、易实现自动化、生产效率高等优点，广泛应用于各个工业领域3-4。在航空航天领域，特别是飞机关键结构的制造中，激光焊接不仅能够满足飞机结构减重的要求，而且将整体锻造构件采用分段焊接结构代替，能够显著降低制造成本5-6。但由于激光焊接时焊件局部加热到高温，高度集中的瞬态热输入使得焊接过程中会产生较大的内应力，同时热输入的积累使得大尺寸薄板构件的焊接变形量较大，从而影响焊接部件的安全性和寿命，因此实现金属薄壁构件的精密焊接一直是焊接领域一大难题。目前消除焊接残余应力和变形的方法主要是焊后施加外场，应用较为广泛的残余应力消除工艺主要有超声冲击、振动时效、焊后热处理等7-9。传统的控制方法不仅提高了生产成本，还增加了生产工序。液氮冷却主要是指通过液氮冷却氩气，在激光热源的后部进行跟随激冷，在高能激光束加热基体与液氮冷却基体之间形成较大的温度梯度，从而达到减小钛合金薄板激光焊接变形的目的。曹永青10等人研究了液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28wt.%Sn合金组织演变过程，发现液氮冷却激光快速凝固组织主要呈现以外延生长方式为主，深过冷凝固组织主要以自由生长方式为主。肖茂11等人建立了S355J2G3低碳钢T型接头随焊激冷有限元模型，仿真结果表明冷源作用区将形成温度低谷，受周边金属拉伸作用抵消部分变形，从而降低最大残余应力与变形。但目前国内外关于液氮冷却对钛合金焊接结构微观组织的影响鲜有报道，且对残余应力与变形控制研究相对较少。刘西霞12研究了液氮冷却对钛合金平板结构激光焊接变形的影响，发现液氮冷却可有效降低焊件的变形与残余应力。而对于锁底结构，其装夹条件、受冷面积与平板对接结构均存在明显差异，液氮冷却对其微观组织、残余应力与变形的影响仍不明确。因此，本文利用液氮辅助冷却开展2 mm厚TC4钛合金锁底结构激光焊接实验，重点分析液氮冷却对钛合金薄壁构件微观组织、焊接应力与变形的影响。1 实验材料与方法实验采用的TC4钛合金锁底结构尺寸分别为500 mm50 mm1.2 mm和500 mm50 mm2 mm，如图1所示。焊件表面的清洁度对焊缝成形和焊接缺陷的影响很大，为了提高焊缝质量和减少焊接缺陷首先对试件表面进行焊前清理，通过打磨、酸洗、丙酮擦拭等手段去除材料表面氧化层及其他杂质，尤其是待焊区域的氧化皮，增大焊接区域的表面粗糙度，以增加焊接过程中焊缝区域对激光能量的吸收，减少反射的同时改善焊缝清洁度，避免污染。液氮冷却方法首先采用液氮对氩气进行冷却，然后再将冷却后的氩气作为冷却介质作用于试件表面，冷却过程中的热交换主要为保护气与冷铜管、冷铜管与环境介质间的热传导，其热量满足公式：Q=DT/R（式中Q为热量，T为温差，R为热阻）。焊接过程中冷却后的保护气将直接作用于熔池。实验设备包括TruDisk-12003碟片激光器以及KR30HA机器人。在实验过程中，激光器沿着焊接图1TC4锁底结构尺寸Fig.1Schematic of TC4 bottom-locking joint612023 年方向移动，激光功率 1 300 W，焊接速度 2 m/min。同时，本实验中气体保护分为正面和背面两部分保护，采用99.99%浓度的纯氩气作为保护气体来保护焊缝，气体流量为20 L/min。背面气体保护通过在夹具上加工直径为10 mm的沟槽，焊接时从一端通入氩气，另一端密封。焊前首先通入保护气体排除内部空气，焊接过程中不断地向沟槽内通入氩气，焊接结束一段时间后再停止通入气体，使得焊缝背面高温区得到充分保护，从而实现激光焊接过程中的背面保护。液氮冷却激光焊接实验如图2所示。本实验中采用由济南博纳机电设备有限公司生产的ZS21B型残余应力检测仪来检测搭接结构的残余应力，通过PRINCE三维扫描仪检测焊件变形。2 实验结果与分析2.1 液氮冷却对TC4焊接接头微观组织的影响图3为不同冷却条件下TC4钛合金锁底对接接头横截面的宏观形貌。可以看出，自然冷却条件下TC4钛合金激光焊接接头焊缝形貌呈现“X”形，液氮冷却激光焊接接头焊缝形貌呈高脚杯形。焊接接头由母材、热影响区和焊缝三个区域组成。在母材与焊缝之间分布着极窄的热影响区，这是由于激光热源能量集中、功率密度较大。为了便于定量分析冷却条件对热影响区及焊缝横截面宏观形貌的影响，对热影响区宽度及焊缝的上熔宽（W1）、下熔（a）三维示意（b）熔池流动特征图2液氮冷却激光焊接实验示意Fig.2Schematic of laser welding cooling in liquid nitrogen（a）自然冷却（b）液氮冷却（c）热影响区宽度（d）焊缝熔宽图3不同冷却条件下焊接接头宏观形貌Fig.3Macromorphology of welded joints under different cooling conditions62第 7 期叶泽涛，等：液氮冷却对 TC4 钛合金激光焊接微观组织、残余应力与变形的影响宽（W3）以及焊缝中部宽度（W2）分别进行测量。可以看出，相较于自然冷却条件，液氮冷却条件下热影响区宽度分布均匀。自然冷却条件下，受限于锁底结构特征，焊缝高温停留时间较长，热影响区焊接热作用增强，导致宽度分布不均匀。相较于自然冷却条件，液氮冷却条件下焊缝上熔宽减小，焊缝中部宽度与下熔宽增大，中部宽度增加63.7%，下熔宽增加70.5%。液氮冷却激光焊接接头沿厚度方向的焊缝宽度相差甚微，这是由于液氮冷却保护气后，气体流动提高，冷却速度加快，焊缝受热均匀。激光焊接是一种快速加热冷却凝固和结晶的过程，在此条件下柱状晶优先发展。柱状晶由熔合线向焊缝中心生长，焊缝组织结晶的主轴方向与最大温度梯度方向一致。图4为不同冷却条件下钛合金锁底结构接头显微组织。在焊缝的不同区域内，柱状晶有着不同的生长方向和尺寸。在焊缝中部接近平直段熔池体积较小，柱状晶从焊缝两侧向焊缝中心相对生长。靠近焊缝上下表面的柱状晶则直接由熔合线向焊缝表面中心弯曲生长。两种冷却条件下，焊缝上部柱状晶尺寸均大于下部柱状晶尺寸，这是由于在焊接过程中，焊缝上部热输入量较大，焊缝冷却速度相对缓慢，柱状晶有足够的时间长大，因而尺寸较为粗大；焊缝下部热输入量相对较小，所以柱状晶组织较细小。与未施加冷却措施的接头组织相比，液氮冷却激光焊接接头焊缝组织柱状晶的数量增多、尺寸变小，且组织更为均匀。这是由于液氮冷却之后，焊接接头的冷却速率加快，更大的温度梯度下晶粒的结晶速率提高且凝固时间缩短，来不及长大便形成数量众多、尺寸细小的晶粒。2.2 液氮冷却对TC4焊接残余应力的影响图5为不同冷却条件下钛合金锁底接头的变形测试结果。考虑到锁底结构焊接残余应力的分布特点，选取点分别为：焊缝中心（1号点）、焊缝中心两侧1 mm的位置（2号点）以及焊缝中心两侧5 mm的位置（3号点）。由于冷却时体积收缩受阻，自然冷却条件下1号点的残余应力水平最高，其应力峰值为127.8 MPa。随着远离焊缝中心，残余应力水平不断下降，2号点的残余应力值为90.8 MPa，3号点的残余应力降至44.2 MPa。而液氮冷却条件下，1号点的残余应力水平最高，应力值为126.7 MPa，较远处母材受热作（a）自然冷却条件下焊缝上部（c）液氮冷却条件下焊缝上部（b）自然冷却条件下焊缝下部（d）液氮冷却条件下焊缝下部图4不同冷却条件下焊接接头微观形貌Fig.4Microstructure of welded joints under different cooling conditions632023 年用较小，体积变化较小，冷却过程中产生较低的应力，因此随着远离焊缝中心，残余应力水平不断降低，3号点的应力值降至43.6 MPa。对比有无液氮冷却的锁底结构焊接试样，可以发现残余应力均呈现焊缝大于热影响区大于母材的趋势，但对残余应力数值的影响不显著。相比于自然冷却条件，液氮冷却的试样残余应力平均降低0.8%。2.3 液氮冷却对TC4焊接变形的影响图6为不同冷却条件下钛合金锁底接头的变形测试结果。从图6b、6d变形测试云图中可以看出，两种冷却条件下整体变形趋势均为，中间部位变形较大，两边部位变形较小，产生的变形方向为z轴正方向。为了进一步分析液氮冷却对焊接变形的影响，分别沿焊接方向（路径1）、垂直于焊接方向（路径2、3）选取3条路径进行变形结果分析，具体路径位置如图7所示。图7a为路径1的变形测试结果，可以看出自然冷却条件下路径1所在部位的变形量大致分布在-3.62+2.93 mm，最大的变形量为3.62 mm，最小的变形量为0.10 mm，两端出现明显的翘曲变形；液氮冷却焊接结构变形量大致分布在-3.43+2.85 mm之间，在选取的测试点中，最大的变形量为3.43 mm，最小的变形量为0.35 mm，两端出现明显的翘曲变形。图7b为路径2的焊接变形测试结果，自然冷却条件下焊接变形量大致分布在-1.0+0.9 mm之间，最大变形量为1.04 mm，最小变形量为0.01 mm，焊缝变形与两侧方向相反，出现z负方向拱曲变形；液氮冷却焊接结构变形量大致分布在-0.3+0.4 mm之间，选取的测试点中，最大变形量为0.43 mm，最小变形量为0.01 mm，焊缝变形与两侧方向相反，出现z负方向拱曲变形。图7c为路径3的焊接变形测试结果，自然冷却条件下焊接变形量大致分布在-1.4+2.6 mm 之间，最大变形量为2.63 mm，最小变形量为0.18 mm，两侧变形大于焊缝处变形；液氮冷却焊接结构变形量大致分布在-1.2+2.8 mm之间，在该路径上选择的测试点中，最大变形量为2.80 mm，最小变形量为0.20 mm，两图5不同冷却条件下残余应力测试结果Fig.5Test results of residual stress under different cooling conditions（a）自然冷却三维扫描点图（c）液氮冷却三维扫描点图（b）自然冷却变形测试云图（d）液氮冷却变形测试云图图6不同冷却条件下变形测试结果Fig.6Deformation test results under different cooling conditions64第 7 期叶泽涛，等：液氮冷却对 TC4 钛合金激光焊接微观组织、残余应力与变形的影响侧变形大于焊缝处变形。比较各路径上的变形量可以看出，路径1上的变形量最大，路径2上的变形量最小，自然冷却试样整体的变形趋势为两边翘曲变形。与自然冷却的试样对比，液氮冷却焊接结构整体变形量降低约5.2%。对于自然冷却措施激光焊接，熔池区域大，温度较高，属于一个高度集中的瞬态热输入过程，其加热与冷却过程是极不均匀而且远离平衡状态，容易产生较大残余应力与焊接变形。而施加液氮冷却使得熔池后方仍处于高温的金属急剧冷却，对熔池与冷源作用区域之间的金属产生强烈的拉伸作用，很大程度上补偿了已产生的压缩塑性应变，使得焊接变形减小。3 结论（1）相较于自然冷却的激光焊接接头，液氮冷却条件下热影响区宽度更为均匀，焊缝上熔宽略微减小，中部宽度增加63.7%，下熔宽增加70.5%。（2）与自然冷却的接头组织相比，液氮冷却激光焊接接头焊缝组织柱状晶的数量增多、尺寸变小，且组织更为均匀。（3）与自然冷却试样相比，液氮冷却条件下焊接残余应力略微降低，平均降低0.8%。（4）不同冷却条件下焊后变形都呈现中间部位变形较大，两边部位变形较小，主要为z轴正向的分布特点。相比于自然冷却，施加液氮冷却的试样焊后变形降低了5.2%。参考文献：1 Yan T，Liu J，Hu K，et al.Microstructure and texture evolution of Ti-6Al-4V alloy T-joint fabricated by dual laser beam bilateral synchronous welding J.Materials Science and Engineering A，2021，822：141426.2 李坤，王威，单际国，等.TC4钛合金光纤激光摆动焊抑制小孔型气孔的原因分析 J.焊接学报，2016，37（11）：43-46+131.LI K，WANG W，SHAN J G，et al.Analysis of keyhole-type pore suppressing in fiber laser welded TC4 titanium alloy with beam weaving J.Transactions of The China Welding Institution，2016，37（11）：43-46+131.3 Qi N，Zhan X H，Chen S，et al.Effect of Laser Power on Tensile Performance of TA15 Laser-Welded Lock Bottom JointJ.Metals and Materials International，2021，27：4645-4656.4 Zhan X H，Liu J Z，Yan T Y，et al.Study on the grain morphology and fracture performance of T-joints for Ti6Al4V alloy manufactured by dual laser beam bilateral synchronous weldingJ.Optics and Laser Technology，2021，141：107153.5 李昊，陈洁，陈磊，等.双光束激光焊接技术在民用飞机上的应用现状及发展 J.航空制造技术，2012，417（21）：50-53.（a）路径1变形结果（b）路径2变形结果（c）路径3变形结果图7不同冷却条件下截面变形量Fig.7Deformation of welded joints under different cooling conditions652023 年LI H，CHEN J，CHEN L，et al.Existing state and development on dual laser-beam bilateral welding technology used in civil aircraft J.Aeronautical Manufacturing Technology，2012，417（21）：50-53.6 陈柯.激光加工技术在钛合金航空结构件制造的应用与展望 J.电焊机，2022，52（08）：1-9.CHEN K.Application and prospect of titanium alloy and its laser processing technology in aeronautic structure manufacturing J.Electric Welding Machine，2022，52（08）：1-9.7 Mikhail M S，Nikolay I G，Yuriy N S.Redistribution of residual stresses in girth weld of a pipe of strength class K60 after ultrasonic impact treatment J.Procedia Structural Integrity，2020，30：149-153.8 王志刚，张建晓，王庆江.振动时效处理和消应力热处理对 304L 不锈钢焊接残余应力的影响 J.电焊机，2022，52（02）：103-108.WANG Z G，ZHANG J X，WANG Q J.Influence of vibration aging treatment and stress relief annealing on welding residual stress of 304L stainless steel J.Electric Welding Machine，2022，52（02）：103-108.9 Deenadayala K，Murali V，Elayaperumal A，et al.Effective role of short time furnace heat treatment and laser treatment on the residual stress and mechanical properties of NiCrBSi-WC weldments produced using plasma transferred arc welding process J .Journal of Materials Research and Technology，2021，15：3492-3513.10 曹永青，林鑫，汪志太，等.液氮冷却条件下激光快速熔凝 Ni-28 wt%Sn 合金组织演变 J.物理学报，2015，64（10）：315-323.CAO Y Q，LIN X，WANG Z T，et al.Microstructural evolution of laser surface remelting Ni-28 wt%Sn alloy under liquid nitrogen cooling J.Acta Physica Sinica，2015，64（10）：315-323.11 肖茂，肖绯雄，王腾飞，等.T型接头随焊激冷数值模拟 J.电焊机，2019，49（08）：87-90.XIAO M，XIAO F X，WANG T F，et al.Numerical simulation of T-joint of welding with trailing coolingJ.Electric Welding Machine，2019，49（08）：87-90.12 刘西霞.钛合金薄板激光焊接变形控制研究 D.湖南：湖南大学，2014.LIU X X.Study on the control of Laser Welding Deformation of Titanium alloy thin sheet D.Hunan：Hunan University，2014.编辑部网址：http：/66