基于水雾在线冷却的钛合金激光焊接应力变形研究

引言

钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性好、焊接性能出色等优势，已被广泛应用于航天航空等领域［1-2］。薄壁钛合金构件作为一种重要的应用形式，其连接和成形至关重要。相较于铆接，焊接能够整体提升构件性能，同时降低结构重量。与其他焊接方法相比，激光焊能量密度高、热源集中、焊接速度快，更加适合薄壁钛合金的焊接，激光焊接的接头性能好，焊缝质量高，结构变形量小，更能满足工程应用。但由于薄壁构件容易扭曲变形以及钛合金较低的弹性模量和热导率，导致薄壁钛合金构件焊接后的残余应力和变形问题制约了其在某些高精度场合的应用［3-4］。

由于焊接残余应力与变形的根源在于焊缝形成过程中加热与冷却温度不均［5］，因此可以采用温差拉伸法（如预热法、在线冷却法）来控制残余应力和变形。预热法是将焊接零件在焊接前加热至适宜温度使其产生热应力以抵消焊接产生的应力［6］，但会受制于焊缝结构和加热设备；在线冷却法则摆脱了焊缝结构的限制，可以在焊接过程中在线同步进行强制冷却［3，7］。刚性固定法是通过增加热影响区的刚度来抑制变形量，这往往需要专用的焊接夹具，不仅成本高周期长，而且抑制效果有限。预变形法［8］是在焊接前使待焊零件产生适当变形或应力来抵消焊接产生的变形和应力，但预变形量和预拉伸应力的大小和方向很难精确预测。

在目前的研究及应用中，关于薄壁钛合金激光焊接应力与变形控制的相关研究较少，本文应用水雾在线冷却法对1.2mm厚TC4钛合金激光焊接变形及残余应力控制进行了试验研究，以证实该方法的有效性和可行性。

1、冷却原理、试验设备及工艺试验设计

1.1水雾在线冷却法

水雾冷却技术借助喷嘴将水雾化后均匀喷射至待冷却热源的表面，在表面上形成一层薄液膜，依靠液膜的蒸发、对流、液滴的冲击和核态沸腾、膜态沸腾等相变过程带走热源表面的热量。由于雾化后的水滴具有较大动能且液膜对流和蒸发相变同时存在，因此水雾冷却技术可以应用于具有极高热流密度的场景，理论上可达1000W/cm2［9］。水雾冷却技术还具有传热系数高、冷却工质用量小、与固体表面无接触热阻、冷却均匀等优点。采用水雾冷却技术与激光焊接技术相结合，当激光照射在焊缝处形成熔池时，水雾喷嘴通过高压气体将蒸馏水雾化喷射在焊缝处形成液滴，并迅速形成一层液膜，随后液膜在后续喷射下剧烈扰动，传热热阻减小，冷却效率提高。如图1所示，连续喷射的水雾使液膜厚度从中心到边缘先增大后减小，在短时间内达到稳定的过程中，冷却热流密度先增大然后迅速减小，其具体过程为：当第一个液滴到达表面后迅速形成液膜，此时的温差、相变量和热流密度相对较大，而后液膜覆盖整个热源表面，相变量减少，热流密度下降，气相对热流密度的贡献减小，但与传统换热的热流密度相比仍比较大［10］。焊接热源在液膜和气流的作用下带走了一部分热量，减小了焊缝处的温度梯度，从而可减小板材的焊后残余应力，提高焊接接头质量。

不同的水雾冷却参数对焊接过程中的应力应变场分布情况影响不同，对接头焊缝质量的改善效果也不同，因此有必要针对性地研究不同水雾冷却参数对薄板激光焊接接头应力变形的影响规律，获取最佳的水雾冷却条件以实现对薄板激光焊接过程中残余应力和变形的有效控制。

1.2试验设备

激光焊接水雾冷却系统围绕激光焊接设备展开，其中包括供液部件、管路部件、控制部件、测量系统，试验平台如图2所示。选用最大功率达12kW的TruDisk12003碟片式激光器，配置PrecitecYW52焊接头，使用KUKAKR60HA高精度焊接机器人。

在试验过程中，先由激光焊接设备对焊缝进行焊接，在控制部件中设定该工况下焊缝表面的凝固温度，水雾机通过高压气体使蒸馏水经供液部件与管路部件在喷头处雾化，随后喷洒在已凝固的焊缝表面进行冷却。通过压力阀调整水雾压力，改变焊缝冷却温度，以探究水雾冷却对焊缝成形的影响及当前焊接参数下最佳水雾冷却参数。水雾在线冷却系统如图3所示。残余应力测试采用盲孔法，采用ZS21B型残余应力检测仪，如图4所示。

焊接变形测试采用三维检测技术，通过手持激光三维扫描仪在焊前和焊后扫描焊件得到其三维数据，在电脑软件中同步进行模型重建，所测得的变形数据与试样原始数据进行对比，得出试样的变形云图。其原理及操作如图5所示。

微观形貌的检测由制取的焊接接头横截面金相试样经过打磨抛光腐蚀后通过金相显微镜观察并拍照获得，腐蚀剂为Kroll试剂（化学成分为HF、HNO3和H2O，体积配比为2∶l∶20），使用的金相显微镜为MR-5000光学显微镜。

1.3工艺试验设计

采用的TC4薄板尺寸规格为500mm×100mm×1.2mm，接口形式为对接，无坡口，对合修配间隙为0mm，激光入射角度为90°，激光无摆动。薄板焊缝两侧通过金属块压紧，焊前对待焊试板进行表面清理并打磨焊缝两侧约15mm区域，去除氧化层的同时增加待焊区域的表面粗糙度，以增加焊缝区域对激光能量的吸收，同时在焊接时在焊缝正反面通氩气进行保护。为了探索水雾在线冷却对薄板激光焊接残余应力和变形的影响规律，在实际工艺试验中采用相同的焊接工艺参数，将水雾压力作为水雾在线冷却试验的单一变量，如表1所示，无水雾冷却的试样编号1-0，有水雾冷却的试样编号分别为1-1，1-2，1-3。

如图6所示，在焊接过程中保持水雾喷嘴距焊接接头的距离为150mm，通过调整压力来控制水雾流量和动能，进行不同水雾冷却参数下的激光焊接试验，检测焊接接头变形和残余应力分布情况并观察微观组织形貌，探究水雾冷却参数对焊接接头质量的影响。

2、试验结果及分析

2.1TC4激光焊接试验残余应力及变形量焊接试样如图7所示。考虑到平板对接结构焊接残余应力的分布特点，残余应力测试点位置的选取如图8所示，分别为：焊缝中心（1号点）、焊缝中心两侧1mm的位置（2号点）以及焊缝中心两侧5mm的位置（3号点），1、2、3号点间距15mm。残余应力测试结果如图9所示，对比3种不同水雾冷却参数的试样，残余应力都呈现出焊缝＞热影响区＞母材的趋势，且比无水雾冷却的残余应力小，其中水雾冷却0.4MPa时焊缝处残余应力最小，比无水雾冷却的试样残余应力降低29.0%，说明水雾冷却对平板对接试样的残余应力控制有一定优化效果，且选择适当的水雾冷却参数，能进一步改善控制效果。图10为试样的变形测试云图，从图中可以看出，试样的整体变形趋势为中间部位变形较大，两边部位变形较小且变形方向与中间部位相反。

为便于对比变形结果，在试样焊缝、焊缝一端以及焊缝中间的部位选取3条路径进行分析，如图11~图14所示，分别为1-0试样、1-1试样、1-2试样、1-3试样变形测量选取路径及各路径变形结果。

对比3种不同水雾冷却参数的试样，变形的主要形式为较为明显的两侧翘曲变形和焊缝拱曲变形，其中试样1-2即水雾压力0.4MPa的总体变形最小，约降低17.6%，如图15所示。

2.2TC4钛合金激光焊接试验微观组织分析

与传统焊接方法不同，激光焊获得的焊缝冷却速度快，故其热影响区没有明显的粗晶区，如图16所示是光学显微镜下焊接接头热影响区微观组织。由图可知，焊接接头的热影响区由初生αp相和少部分针状马氏体α′组成，这是由于热影响区的加热温度大都在β相转变温度（720~980℃）范围，加热峰值超过相变点温度产生αp→β相变的组织较少，且在熔合区传热的影响下冷却速度较慢，使得αp相无法完全转变，而已转变的αp相由于在高温停留时间过短，生长受限，最终仅形成了微量细小的针状马氏体α′［11］。对比两种试样可知，水雾冷却条件下的试样热影响区发生组织转变的αp相更少，这是因为在随焊激冷的条件下焊接接头冷却速度加快，焊缝及热影响区的热量被冷却介质快速带走，热影响区的加热峰值及停留时间均降低，不再具备组织转变条件。激光焊接时焊接区域经过快速加热和冷却后产生凝固和结晶，这个过程促进了柱状晶的形成。

焊接工艺参数和冷却条件不同时，焊接的热输入量和持续时间也不同。热输入量增大且时间充分时，焊缝中不同区域形成的β柱状晶相对于热输入量较小或时间不足时更加粗大，且密集交错，方向性差［12］。与热影响区相比，焊缝区热输入量大且冷却速度快，β柱状晶数量增多，在β柱状晶内部及周围，存在更多呈条状或网状分布的针状马氏体，试样1-0和试样1-3的焊缝区显微组织如图17所示。

由图可知，两种试样焊缝区在冷却过程中焊缝显微组织均发生马氏体相变，β柱状晶尺寸较大且内部马氏体针密集，呈条状或网状分布。由于热输入量较大且冷却速度相对缓慢，焊缝中部的柱状晶尺寸比焊缝下部的柱状晶尺寸大［13］。

对比有无水雾冷却的试样可知，有水雾冷却的1-3试样焊缝的网篮状组织尺寸更加细小，分布也更加规整有序，而无水雾冷却的1-0试样焊缝的马氏体明显粗大，且相互交叉，方向性差。这是因为无水雾压力冷却的焊缝区域的冷却速度较慢，产生的过冷度较小，使得晶核只能在晶界产生并长大成晶界αgb，同时由于生长速度也较慢，形核驱动力不足以形成连续的晶界［14］，而在水雾冷却的条件下焊缝区的温度梯度增大，冷却速率加快，使得马氏体相变过程更加快速有序［15］，晶粒生长方向更加趋于一致，进而形成了更多尺寸细小、排列有序的针状马氏体，这说明水雾冷却对显微组织有一定的细化作用，对焊接的力学性能可起到提升作用。

3、结论

（1）在水雾在线冷却条件下，激光焊接后残余应力均较无水雾冷却明显下降，平板对接试样应力变化趋势一致，残余应力为焊缝区＞热影响区＞母材区。

（2）残余应力与水雾压力并无线性关系，其中水雾压力0.2MPa下的残余应力值略高于水雾压力0.4MPa和水雾压力0.6MPa，在0.4MPa下残余应力最小，降至82.9MPa，较无水雾冷却降低29%。

（3）对比3种不同水雾冷却参数的试样，变形的主要形式为两侧翘曲变形，其中水雾冷却压力为0.4MPa时总体变形最小，较无水雾冷却降低17.6%；而在水雾压力0.2MPa及0.6MPa下试样的焊后变形均较0.4MPa时大，表明水雾冷却条件下焊后变形先随水雾压力的增大而减小，后随水雾压力的增大而增大。

（4）通过观察水雾在线冷却下的焊缝微观组织可知，水雾冷却可促进马氏体相变，使焊缝的网篮状组织更加规整有序，焊缝质量提高。

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