2023年11月，大连理工大学材料学院、辽宁省先进焊接与连接技术重点实验室在JMR&T上发表题为“Evolution of bonding mechanism and fracture mechanism of Ti alloy-steel joint by dual-beam laser welding using Mg-RE (RE=Gd, Y) filler”（使用Mg-RE（RE=Gd, Y）焊料双光束激光焊接钛合金-钢接头的结合机理及断裂机理）的文章。该研究创新性地采用含稀土镁合金（Mg-RE）作为焊料，并提出了一种新型的同轴连续脉冲双光束激光焊接TC4钛合金与QP 980高强钢的方法。该研究对比分析了单光束和双光束激光焊接接头的焊缝形貌、显微组织和力学性能。探究了了激光束能量密度对复合材料结合机制和断裂机制的影响。该工作得到国家自然科学基金（52375308和51975090）的资助。
钛合金-钢构件由于具有重量轻、强度高的优点，具有巨大的工程效益，近年来备受关注。TC4-QP980高强度钢（QP980）构件的应用在汽车工业和航空航天领域有很多用途。因为TC 4密度低，比强度高，但价格昂贵，而QP980成本相对较低，综合力学性能优异。然而，由于钛和铁之间存在巨大的物理和化学差异，钛合金和钢的直接连接是困难的。在熔池冷却过程中，由于两者的热膨胀系数不同而导致焊接裂纹，并且Fe-Ti脆性金属间化合物（IMC）的重新形成导致接头强度显著降低。TC4-QP980构件在科学和工业过程中的进一步应用受到Fe-Ti IMC的限制，这导致了如何抑制Fe-Ti IMC形成的研究激增。 采用合适的热源和过渡金属层是钛/钢异种材料熔化焊抑制金属间化合物生成、提高接头力学性能的有效方法。激光是最常用的高能束焊接热源之一，但单一激光焊接的稳定性较差。并且有研究表明双光束激光焊接工艺稳定性好，焊缝成形好，抗拉性能得以提高。 在本研究中，采用了一种新颖的同轴连续脉冲双光束激光焊接（CPLW）方法，研究了含稀土镁合金（Mg-RE）的TC4钛合金与QP980高强钢搭接接头的显微组织和力学性能。对比研究了单光束和双光束激光焊接时焊缝形貌、显微组织和力学性能的变化。考虑了激光束能量密度（脉冲激光的功率（Pp）和连续激光的功率（Pc））对接头力学性能的影响。最后，研究了连接机理随激光功率的变化规律，以及连接机理与断裂机理的关系，分析总结了连续激光和脉冲激光在复合材料激光焊接中的作用。
主要实验数据如下：
图1 (a) CPLW焊接工艺示意图以及同轴连续脉冲双光束激光热源的光学原理图: (b) 两束不同激光的传播; (c) 两束不同激光的光斑尺寸; (d)和(e)连续脉冲激光的能量分布
图2. (a)~(c) 三种模式下接头的OM图像; (d) TC4/QP980搭接接头的横截面形貌参数
图3 TC4/QP980搭接接头(a)S8和(b)S9接头的EPMA图像以及(c)界面I和(d)界面II的TEM图像
图4 (a) S8接头I界面元素分布图及三种模式下I界面(b)~(p)线分析曲线
图5 (a) 三种模式下S8接头Ⅱ界面元素分布图及Ⅰ界面(b)~(p)线分析曲线
图6 (a)TC4/QP980搭接接头的受力分析和(b)-(e)三种方式下接头的拉伸剪切载荷和最大拉应力比较
图7 接头的四种断裂路径和断口的SEM形貌
图8 激光功率-连接机理-断裂机理关系示意图
图9 (a) 对1~15号试样Mg-RE/QP980界面结合层厚度, (b) C
Gd-距离和C
Y-距离的拟合曲线以及(c)和(d) φ
Gd和φ
Y的相对值
图10 (a)试样1~15的Mg-RE/TC4界面结合层厚度、(b) C
Ti -距离拟合曲线和(c) φ
Ti相对值
主要研究结论如下:
提出了一种新型的同轴连续脉冲双光束激光焊接工艺，以稀土镁合金（Mg-RE）为焊料，实现了TC4钛合金与QP980高强钢的焊接。对比研究了单光束和双光束激光焊接接头的焊缝形貌、显微组织和力学性能，建立了激光功率-连接机制-断裂机制的关系。
主要结论如下：
1. 双光束激光焊接的焊缝比单光束激光焊接的焊缝均匀，宏观缺陷少。双光束激光焊接接头的抗拉强度较高，最大拉伸剪切载荷是单光束激光焊接接头的1.24倍。
2. Mg-RE与QP980的结合主要依靠Gd和Y的扩散。随着连续激光功率的增加，Gd和Y的扩散速度约为脉冲激光功率的两倍。Gd和Y通过Fe晶界扩散形成扩散结合，随着功率的增加，Gd和Y超过在Fe中的溶解度极限，与Fe和Mg形成反应扩散层。
3. Zr在Mg-RE与TC4的结合中起着关键作用。Zr与Ti发生互扩散，促进了Ti向Mg-RE的扩散和Mg、Gd、Y向TC4的扩散。脉冲激光产生的高瞬时温度对Mg-RE/QP980钢结合层元素的扩散影响较大。随着脉冲激光功率的增加，Ti的扩散速度比连续激光功率的增加快约1.5倍。
4. 断裂途径有四种，均为脆性断裂。在低功率下，接头在Mg-RE与QP980钢或TC4的界面处断裂。在高功率下，接头在焊缝处断裂，抗拉强度最大，达到303 N/mm。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.12.083
