TC4金字塔点阵结构的激光焊接及其平压性能

doi:10.11901/1005.3093.2020.286

TC4金字塔点阵结构的激光焊接及其平压性能

刘玮, 王辉, 褚兴荣^,, 王延刚, 高军

山东大学(威海)机电与信息工程学院威海 264209

Manufacturing Process and Compression Performance of TC4 Pyramid Lattice Structure with Laser Welding

LIU Wei, WANG Hui, CHU Xingrong^,, WANG Yangang, GAO Jun

School of Mechatronics and Information Engineering, Shandong University (Weihai), Weihai 264209, China

通讯作者: 褚兴荣，副教授，xrchu@sdu.edu.cn，研究方向为精确塑性成型工艺

收稿日期: 2020-07-13 修回日期: 2020-08-17 网络出版日期: 2021-09-07

基金资助:

山东省自然科学基金. ZR2019MEE008
山东省重点研发计划. 2019TSLH0103

Corresponding authors: CHU Xingrong, Tel:(0631)5688338, E-mail:xrchu@sdu.edu.cn

Received: 2020-07-13 Revised: 2020-08-17 Online: 2021-09-07

作者简介 About authors

刘玮，女，1993年生，硕士生

摘要

基于用高温节点下压法成形的TC4钛合金芯体，用面芯激光焊接制备了钛合金金字塔点阵结构。用响应曲面法优化激光焊接参数，实现了点阵结构面芯连接，分析焊接节点的微观组织并进行了点阵结构平压实验。结果表明：激光功率对焊接效果有显著的影响。点阵结构面芯激光焊接的优化工艺参数为：上面板的焊接功率为1.4 kW，下面板的焊接功率为1.2 kW，离焦量为30 mm，停留时间为1 s。在激光焊接热影响区发生了马氏体转变，分布着大量的针状马氏体；熔焊区的组织为粗大β相+针状α相。在焊接节点处，从熔焊区到母材的显微硬度随着马氏体相的减少而降低。根据平压实验结果分析了金字塔点阵结构变形和破坏的规律，桁架杆失效断裂发生在热影响区。用激光焊接制备的TC4钛合金点阵结构，其平压强度为3.09 MPa，平压模量为153.25 MPa。

关键词： 金属材料 ; 金字塔点阵结构 ; 激光焊接 ; 微观组织 ; 平压性能

Abstract

Based on the TC4 Ti-alloy core formed by alternating pin-press method at high-temperature, the laser welding connection process of the panel and the core was investigated in order to manufacture the pyramid lattice structure of Ti-alloy. The laser welding parameters were optimized by response surface method, the plane and core of lattice structure were connected, the microstructures of welding joints were examined, and the compression performance of lattice structure was investigated. The results show that the laser power has the most significant influence on the welding result. The optimized parameters of laser welding of lattice structure face core were as follows: welding power of upper panel was 1.4 kW, welding power of lower panel was 1.2 kW, defocusing quantity was 30mm, and residence time was 1 s. The martensite transformation of Ti-alloy occurred, and a large number of acicular martensite phases distributed in the heat affected zone of laser welding. The microstructure of welding zone was coarse β phase and acicular α phase. The microhardness decreased from the weld zone to the base metal in the welding joints with the decreasing of martensite phase. Based on the compression process recorded by the camera the deformation and failure process of the pyramid lattice structure were analyzed. The failure fracture of truss rod occurred in the heat-affected zone. The compression pressure strength and modulus of the TC4 Ti-alloy lattice structure manufactured by laser welding were 3.09 MPa and 153.25 MPa, respectively.

Keywords： metallic materials ; pyramid lattice structure ; laser welding ; microstructure ; compression performance

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本文引用格式

刘玮, 王辉, 褚兴荣, 王延刚, 高军. TC4金字塔点阵结构的激光焊接及其平压性能. 材料研究学报[J], 2021, 35(8): 623-631 DOI:10.11901/1005.3093.2020.286

LIU Wei, WANG Hui, CHU Xingrong, WANG Yangang, GAO Jun. Manufacturing Process and Compression Performance of TC4 Pyramid Lattice Structure with Laser Welding. Chinese Journal of Materials Research[J], 2021, 35(8): 623-631 DOI:10.11901/1005.3093.2020.286

金字塔点阵结构是一种三维夹层结构，其点阵芯体由单元形状为金字塔的桁架杆阵列排布而成，具有质量轻、比强度高、比刚度高、抗冲击、耐腐蚀和吸能降噪等特性 ^[1~4]。TC4钛合金的韧性好、疲劳强度高、高温塑性较好，大量应用于航空航天等领域^[5~7]。采用节点下压法^[8]，在高温条件下通过成形销相对运动可将弯曲节点处的局部变形转化为桁架杆整体长度上的拉伸变形，制备出力学性能优良的钛合金金字塔点阵芯体。用节点下压法制备金字塔点阵芯体的效率高，可大规模生产。

点阵结构性能的提高受许多因素制约，如点阵材料、芯体制备方法等，其中面板与芯体的连接质量是影响其性能的重要因素^[9]。点阵结构的面芯连接，可使用胶接、钎焊、超塑成形/扩散连接等方法^{[10, 11]}。与传统焊接方法相比，激光焊接是一种高效精密的焊接方法，使用高能量密度的激光束作为热源，有加工速度和效率高、焊接变形小、工艺灵活、污染小、缺陷少等优点^[12]。可根据微观组织分析和力学性能测试评价焊接节点的质量^[13]，焊接参数的选择对焊接接头的微观组织、缺陷的产生和力学性能有重要的影响^[14~16]。因此，得到优化的激光焊接参数非常有必要。Quazi等^[17]研究了激光参数对钛合金与钢、铝、镁等不同工程合金焊接的影响，发现高功率有利于抑制脆性IMC的生成。Xu等^[18]分析了用不同速度激光焊接TC4钛合金接头的微观组织和力学性能，研究了显微硬度与晶粒取向的关系。结果表明：随着焊接速度的的提高显微硬度的梯度增大。张颖云等^[19]用正交试验法研究了焊接参数对1.2 mm TC4激光焊接焊缝力学性能的影响，有效控制了孔洞的出现。Gao等^[20]优化0.8 mm厚TC4薄板的激光焊接工艺参数，抑制了焊接气孔的生长。Kumar等^[21]研究了激光焊接2 mm钛合金中保护气体的有效性，证明氩气能使熔池免于污染。

基于激光焊接钛合金的优势，本文以TC4钛合金为面板、以用节点下压法成形的TC4金字塔点阵为芯体研究激光功率、离焦量和停留时间对面芯连接中焊点直径的影响。进行点阵结构的面芯连接制备钛合金金字塔点阵结构，分析焊接节点的微观组织以得到熔焊区、热影响区和母材区的组织变化和显微硬度的分布规律。进行点阵结构的平压实验以得到桁架杆的变形和失效规律。

1 实验方法

实验用TC4钛合金板材的厚度为1.1 mm，其成分列于表1。TC4钛合金的常温塑性较差，在750~850℃伸长率较高，成形能力较好，可满足点阵芯体成形的要求^{[22, 23]}。实验中在800℃、下压速度为1 mm/min的条件下，用节点下压法制备成形高度为15 mm的金字塔点阵芯体，如图1所示。

表1 TC4钛合金的成分

Table 1 Composition of TC4 (mass fraction/%)

Element	Al	V	Fe	C	O	Ti
Content	6.0	4.1	0.19	0.02	0.16	Bal.

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图1

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图1 用高温节点下压法制备的金字塔点阵芯体

Fig.1 Pyramid lattice core manufactured by high-temperature alternating pin-press method (a) schematic, (b) pyramid lattice core

使用TLR-6000型光纤激光器进行激光焊接，激光波长为1070 nm，聚焦光斑直径为0.2 mm，最大输出功率6 kW，保护气体为氩气。使用快速夹具加持待焊试件，如图2所示。

图2

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图2 焊接设备和快速夹具

Fig.2 Welding equipment and fast fixture

进行激光焊接前，使用丙酮溶液清洗芯体和面板表面的油污，酸洗以去除氧化膜。焊接时将试件固定在快速夹具上，激光垂直于试件表面，用氩气45°侧吹保护焊点区域，防止钛合金高温氧化，送气速度为10 L/min。图3a给出了下面板焊接完成后的示意图，图3b给出了上面板焊接示意图。焊接点阵结构和面板时，先焊下面板再焊上面板，下面板对应5个节点，上面板对应4个节点。按照先中间后四周的顺序，焊接下面板和节点。

图3

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图3 点阵芯体的焊接

Fig.3 Welding of the lattice structure (a) lower panel, (b) upper panel

TC4点阵芯体与面板的激光焊接，即芯体节点平面与面板的激光搭接焊，搭接件的激光焊强度随焊接面积的增加而增大，待焊点阵芯体节点的平面区域如图3所示，尺寸为4 mm×4 mm。点焊的焊接区域为圆形，焊点直径为4 mm对应的焊接参数为较佳参数。为了得到尺寸合适、性能良好的焊接接头，必须精确控制激光焊的热输入。实验中优化了焊接热输入的主要影响因素激光功率、离焦量和停留时间。Box-Behnken design (BBD)是一种适合三因素三水平的高效实验设计方法，所需实验较少。为了得到理想的焊点直径，选用BBD实验设计方法优化焊接参数。选用尺寸为50 mm×10 mm×1.1 mm的TC4钛合金试件进行搭接点焊和拉剪实验，并测量拉断后断裂面的焊点直径。

为了评价芯体和面板的激光焊接质量，对点阵结构焊后节点区域进行线切割、打磨、抛光和腐蚀，然后用金相显微镜观察各处的微观组织。实验的腐蚀液是成分为3% HF+6% HNO₃+90% H₂O(均为体积分数)的Koll’s试剂。为了分析接头处微观硬度的分布规律，用400#砂纸打磨试件表面，用MHV-1000Z+LCD显微维氏硬度计测量试件的显微硬度，载荷为0.1 kg，保载时间为10 s。分别在距焊接中心0、2、3、4、5 mm处各取三个点，测量其显微硬度取其平均值。

使用MTS-E45万能试验机测量点阵结构的平压性能，使用球形支座以保证压缩载荷始终沿垂直点阵面板方向。参考国标《GB/T 1453-2005夹层结构或芯子平压性能试验方法》，采用位移加载方式，下压位移为10 mm，加载速度为0.5 mm/min，使用摄像机全程录像。

2 结果和讨论

2.1 用响应曲面法优化焊接参数

实验中激光功率区间为1~2 kW，离焦量区间为20~40 mm，停留时间区间为0.5~1.5 s^[24]。响应曲面法的分析因素和水平列于表2。根据Design-Expert软件设计实验方案，总共需要三因素三水平共17组实验，方案安排和实验结果列于表3，搭焊试件的照片在图4中给出。

表2 用响应曲面法分析激光焊接的参数因素和水平

Table 2 Factors and levels of the optimization of laser welding parameter by response surface method

Label	Factors	Levels
Label	Factors	-1	0	1
A	Laser power/kW	1	1.5	2
B	Defocus quantity/mm	20	30	40
C	Residence time/s	0.5	1	1.5

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表3 激光焊接参数优化响应曲面的实验设计和结果

Table 3 Experimental design and results of the optimization of laser welding parameter by response surface method

No.	Laser power /kW	Defocus quantity /mm	Residence time/s	Diameter of solder spot /mm
1	-1	1	0	1.85
2	1	0	1	4.06
3	0	0	0	2.21
4	0	0	0	2.53
5	1	0	-1	1.93
6	-1	0	1	1.83
7	0	-1	1	7.43
8	0	0	0	2.67
9	-1	0	-1	1.19
10	0	0	0	2.3
11	0	-1	-1	4.58
12	-1	-1	0	3.35
13	0	1	1	3.23
14	0	1	-1	0.89
15	1	-1	0	8.6
16	0	0	0	2.3
17	1	1	0	2.32

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图4

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图4 响应曲面实验的点焊试件

Fig.4 Spot welding test pieces of response surface experiment

通过Design-Expert将功率、离焦量与停留时间对焊点直径D的影响进行回归分析，得到焊点直径D与激光功率A、离焦量B和停留时间C的函数关系，其多元二次回归方程为

\begin{array}{l} D = 2.40 + 1.09 \times A - 1.96 \times B + 1.00 \times C \\ - 1.20 \times A B + 0.37 \times A C - 0.13 \times B C \\ - 0.076 \times A^{2} + 1.70 \times B^{2} - 0.073 \times C^{2} \end{array}

(1)

对回归方程进行方差分析以确定功率、离焦量和停留时间对焊点直径影响的显著性和对焊点直径预测的精度，方差分析结果列于表4。

表4 焊点直径数学模型的方差分析表

Table 4 Variance analysis of the solder joint diameter mathematical model

Source	Sum of squares	Degree of freedom	Mean square	F value	P value
Model	66.61	9	7.40	28.39	0.0001
A	9.44	1	9.44	36.21	0.0005
B	30.69	1	30.69	117.74	<0.0001
C	7.92	1	7.92	30.38	0.0009
AB	5.71	1	5.71	21.91	0.0023
AC	0.56	1	0.56	2.13	0.189
BC	0.065	1	0.065	0.25	0.6328
A²	0.024	1	0.024	0.093	0.7689
B²	12.23	1	12.23	46.90	0.0002
C²	0.023	1	0.023	0.087	0.7763
Residual	1.82	7	0.26	-	-
Lack of fit	1.68	3	0.56	15.34	0.0117
Pure error	0.15	4	0.036	-	-
Cor total	65.44	16	-	-	-

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用F值检验样本的结果代表总体的真实程度，与拟合方程显著性成正相关。该模型的F值为28.39，说明其拟合程度较好。P值为假设几率，其大小反映各因素和模型对响应值影响的显著性。P值为0.0001，说明干扰产生如此大F值的几率只有0.01%。P值小于0.05说明该项目的影响是显著的，因此项目A、B、C、AB、B²是显著项目；P值大于0.1000表明该项目的影响不显著，因此AC、BC、A²、C²的影响是不显著的。将不显著的项去除以提高模型精度，得到简化后的回归方程

\begin{array}{l} D = 2.40 + 1.09 \times A - 1.96 \times B + 1.00 \times C \\ - 1.20 \times A B + 1.70 \times B^{2} \end{array}

(2)

计算结果表明，该模型的决定系数为R²=0.9636，接近线性关系，表明该模型的拟合精度较高。校正决定系数为R²_adj=0.9470，表明各个参数对焊点直径有显著的影响，模型具有较高的指导意义，可用于预测和分析焊点的直径。焊点直径与离焦量和功率的响应曲面及等高线图，在图5中给出。由图5b可见，纵坐标方向等高线较为密集，可知激光功率对焊点直径有最为显著的影响。

图5

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图5 焊点直径、功率和离焦量的响应曲面和等高线

Fig.5 Response surface and contour map of welding spot diameter, laser power and defocus quantity

金字塔型点阵芯体节点与面板焊接时的散热条件比较差(对比焊接拉伸试件)，即在工艺参数相同的条件下焊接点阵芯体与面板时焊点直径与热影响区域更大。同时，焊接芯体与上、下面板时的散热条件也不同，焊接下面板时的散热条件比较差，如图3所示。因此，需要确定一组基础焊接参数，再通过试焊确定最终的焊接参数，使焊接点阵芯体与面板时的焊点直径约为4 mm。对激光焊接参数响应曲面模型的分析结果表明，该模型的显著性高，具有较好的预测精度，因此用该数学模型优选焊接参数。设焊点直径的取值范围为3 mm~4 mm以优化出基础焊接参数，约束函数为

\{\begin{array}{l} 1 k W < A < 2 k W \\ 20 m m < B < 40 m m \\ 0.5 s < C < 1.5 s \end{array}

(3)

使用Design-Expert软件可得优化条件为A=1.745 kW，B=29.293 mm，C=1.097 s。焊接上下面板时的散热条件不同，因功率的影响最显著而选择B=30 mm，C=1 s，调整功率参数后确定最终的焊接参数为：焊接上面板的功率为1.4 kW，离焦量为30 mm，停留时间为1 s；焊接下面板的功率为1.2 kW，离焦量为30 mm，停留时间为1 s。基于优化的焊接参数通过激光焊接点阵芯体和面板所得的TC4金字塔三维点阵结构，如图6所示。图6b、c分别给出了图6a中的上下面板。激光焊接对面板表面形貌的影响较大，在焊点周围出现金属堆积，在焊点中心出现下塌。上面板表面的质量比下面板差，因为焊接上面板时激光束直接照射面板，热输入较高。

图6

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图6 激光焊TC4 1×1单元点阵结构

Fig.6 Laser welding TC4 1×1 unit lattice structure (a) pyramid lattice structure connected by laser weld-ing, (b) upper panel, (c) lower panel

2.2 对焊接节点的微观组织

TC4是α+β双相钛合金，从图7可见TC4板材未加工时的原始组织，由等轴α组织及其中分布的点状β组织组成。

图7

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图7 TC4钛合金的原始金相组织

Fig.7 Original metallography of TC4

图8a~d给出了与图6所示激光焊接TC4 1×1单元点阵结构中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ区域对应的微观组织。从图8a可见，与原始组织相比，只参与高温芯体成形的母材区其微观组织晶粒更加细化，为分布均匀的等轴α相+β相组织。由图8b可见，热影响区受热传导影响其温度高于相变温度。在高温下α相转变成高温β相，高温β相在冷却过程中析出若干平行针状马氏体组织。由图8c可以看出，熔焊区主要由粗大的β相组成，其中镶嵌有针状的α相。其原因是，熔焊区的热量输入最高，大量α相转变为β相，β相晶粒受热长大成大尺寸晶粒，焊后急冷时有更多的针状α相从β相中析出。由图8d可以看出，母材区和熔焊区之间为热影响区，热影响区的长度约为1.424 mm，晶粒比母材区的粗大。

图8

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图8 不同区域的微观组织

Fig.8 Microstructure in different zone (a) base material zone, (b) heat affected zone, (c) welding zone, (d) plastic hinge zone

测试了从焊接中心沿芯体板截面的显微硬度，图9给出了焊接接头区域的显微硬度分布。可以看出，焊接中心区域的显微硬度为581HV，母材的硬度为319HV，而热影响区的显微硬度在二者之间，且越靠近熔焊区硬度越高。针状马氏体相中有较高密度的位错和较多的孪晶，其中大量的相界使接头的硬度提高。这表明，焊接接头的硬度与针状马氏体的含量有关。在焊接过程中熔焊区的温度最高，越靠近熔焊区针状马氏体的含量越高(图8)，因此焊接中心的显微硬度高于热影响区，热影响区的显微硬度高于母材。使钛合金马氏体转化的快速冷却，产生了更多的晶格缺陷^[18]。还有研究^[25]表明，钛合金塑性下降的原因之一是晶粒粗大。与母材相比，熔焊区和热影响区的晶粒较为粗大，塑性较低。因此，受力时点阵结构的破坏可能先发生在熔焊区或热影响区。

图9

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图9 激光焊接点阵结构接头处显微硬度的分布

Fig.9 Distribution of microhardness at the joint of laser welded lattice structure

2.3 激光焊接点阵结构的平压性能

为了分析平压试验中点阵结构的变形规律，用摄像机对试验过程录像，得到的关键点图像如图10所示，压缩过程中的载荷-位移曲线如图11所示。图10a~d记录的关键点图像与图11中的(a)~(d)对应。在0~(a)阶段，芯体桁架杆受压发生弹性变形，力-位移曲线直线上升；在(a)~(b)阶段，一根桁架杆发生塑性屈服变形，曲线下降；在(b)~(c)阶段，屈服的桁架杆与下面板接触形成支撑，一部分圧缩变形由面板承受，力值上升；在(c)~(d)阶段，其他桁架杆屈服且熔焊区受力逐渐脱焊，曲线呈锯齿状波动直到节点附近热影响区发生断裂时停止实验。

图10

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图10 激光焊接点阵压缩实验中金字塔点阵的失效过程

Fig.10 Failure process during compression of laser welding lattice structure

图11

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图11 激光焊点阵结构的压缩载荷位移曲线

Fig.11 Compression load displacement curve of laser welding lattice structure

桁架杆断裂的位置在热影响区。桁架杆断裂，可能是平压实验加载时载荷的不连续性和焊接缺陷造成^[16]。微观分析结果表明，在热影响区分布着大量针状马氏体。针状马氏体的显微硬度较高，且晶粒粗大、塑性较差，受力时易发生破坏。这是实验中断裂发生在热影响区的原因。在压缩过程中一根桁架杆先屈服，可能是成形后的芯体有缺陷或激光焊接产生的热变形造成的。

参照国标中对夹心结构平压强度和平压弹性模量(以下简称平压模量)计算的规定，点阵结构的平压强度可表示为

σ = \frac{p}{F}

(4)

式中σ为点阵结构平压强度(MPa)；p为破坏载荷(N)；F为点阵结构横截面积(mm²)。点阵结构的平压模量(MPa)为

E = \frac{Δ P \cdot (h - 2 t_{f})}{Δ h \cdot F}

(5)

式中∆P为载荷-位移曲线上直线段的载荷增量(N)；h为点阵结构厚度(mm)；t_f为面板厚度(mm)；∆h为对应于∆P的压缩变形增量(mm)。计算结果表明，激光焊点阵结构的平压强度为3.09 MPa，平压模量为153.25 MPa。

3 结论

(1) 用响应曲面法优化TC4钛合金金字塔点阵结构激光焊接工艺参数，激光功率、离焦量和停留时间对焊接直径的影响都非常显著，以激光功率的影响为最。点阵结构面芯激光焊接的优化参数为：上面板焊接功率1.4 kW，离焦量30 mm，停留时间为1 s；下面板焊接功率1.2 kW，离焦量30 mm，停留时间1 s。

(2) 在焊接节点的热影响区发生钛合金马氏体转变，分布着大量针状马氏体，使其显微硬度高于母材。熔焊区组织的变化明显，双相等轴晶转变为镶嵌大量针状马氏体相的粗晶粒β相，其显微硬度更高为581HV。针状马氏体含量影响焊接显微硬度，从熔焊区到母材的显微硬度随着马氏体相的减少而降低。

(3) TC4钛合金金字塔点阵结构的平压可分为明显的四个变形阶段：桁架杆弹性变形、塑性屈曲、接触面板形成支撑和支撑屈服阶段。芯体成形和连接效果的影响，使各桁架杆的变形不同。在平压实验中，桁架杆的失效断裂发生在热影响区。用激光焊接制备的TC4钛合金金字塔点阵结构，其平压强度为3.09 MPa，平压模量为153.25 MPa。

参考文献

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被引期刊影响因子

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Gibson

L J

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. Cellular solids: structure and properties [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1997