序言

钛及钛合金因拥有强度高、、抗蚀性好、、低温机能好及焊接性优异等多项利益，，，宽泛地利用于航天、、汽车、、化学工业等领域中，，，因而对钛合金焊接的有关钻研也极度宽泛[1]。！！！６捎陬鸭邦押辖鹪诟呶孪掠涤薪细呋钚，，，空气的侵入会造成很多问题，，，焊接过程中对焊缝及熔池的；；び任匾猍2-3]。！！！

目前对于中厚板TC4钛合金常选取TIG、、电子束等焊接步骤[4]，，，其中TIG焊接过程中由于受到；；た掌痛慷鹊瘸煞值南薅，，，常带来氢、、氧或氮含量增长，，，使焊后焊缝区氧化或产生气孔及裂纹，，，造成焊接接头的力学机能大大降落的景象。！！！２⑶襎IG焊焊接厚板通常选取多层焊，，，因而存在焊接速度慢，，，残存应力大，，，焊缝组织粗壮，，，焊缝夹钨等缺点[5-6]。！！！ 而电子束焊受限于真空室尺寸，，，难以实现大厚件焊接，，，并且焊接过程必要高真空，，，影响焊接效能[7]。！！！

激光焊接作为一种发展逐步成熟的高能束焊接方式，，，其能量密度高、、加热集中、、焊接速度快、、焊缝成形好、、焊件变形小、、易实现自动化出产，，，在钛合金厚板焊接领域的利用也逐步增多[8]。！！！５ɡす夂附庸讨幸灿杏鸹缘任侍獯嬖，，，对入射激光产生折射、、散射、、吸收等影响，，，影响了焊接过程的不变性，，，造成熔池颠簸，，，飞溅等问题[9]。！！！６灶押辖鸷附游侍庥绕湎灾，，，钛合金激光焊接极度易产生理论氧化、、咬边、、气孔和裂纹问题[10]。！！！

上个世纪80年代，，，大阪大学提出了真空激光焊接的步骤[11]，，，真空能够克制羽辉，，，提高激光能量利用率，，，增长焊缝熔深。！！！＜忧亢附庸痰牟槐湫，，，改善焊缝成形，，，削减工艺气孔等缺点。！！！２⑶夷芴嵘阜斓谋；；こ尚。！！！２⑶艺婵占す夂附佣哉婵斩纫蟮，，，并且可能实现部门负压焊接，，，肯定水平上脱节了真空度和真空仓对焊接过程的限度。！！！

文中以20mm厚TC4钛合金为钻研对象，，，进行大气和真空环境下的激光焊接，，，系统钻研了分歧焊接环境下焊缝的描摹、、微观组织及力学机能的差距，，，对TC4钛合金真空激光焊接的个性进行较齐全的分析，，，为真空激光焊接在工业上的利用提供参考。！！！

1、、试验步骤

1.1试验资料

试验选择尺寸为200mm×200mm×20mm的TC4钛合金轧制板材。！！！C4钛合金的组成为Ti-6Al-4V，，，属于α+β型双态钛合金，，，其母材组织既存在等轴初生α组织(图1中白色部门)，，，又存在片状α+β组织(图1中玄色部门)，，，拥有优良的综合力学机能。！！！C4的微观组织如图1所示，，，其重要化学成分及力学机能见表1。！！！

1.2试验步骤

焊接步骤为平板堆焊，，，激光入射角度始终维持10°。！！！４笃驼婵栈肪诚抡迨匝樽爸萌缤2、、图3所示。！！！Ｊ匝樗眉す馄魑狪PG公司出产的YLS-30000光纤激光器，，，拥有输出功率高、、工作波长领域广以及使用寿命长等利益，，，最大输出功率30kW，，，聚焦光斑直径600μm。！！！Ｊ匝樗没当ù鸶呷嵝訩R-2型KUKA机械人，，，所用激光头为HIGHYAG激光头。！！！

试验所用真空装置的最低真空度为6。！！！6×10^?4Pa。！！！Ｄ芄煌ü懒⒌牡缙谥葡低成柚煤附铀俣。！！！Ｕ婵詹盏男凶呋褂幸桓鲎杂啥，，，行程可超过250mm。！！！Ｕ婵詹涨昂笥泄鄄炜，，，上方也有；；ぞ灯。！！！Ｓ泄刈暄信8]，，，真空度对焊接个性的影响存在临界值10Pa，，，当超过该临界值时，，，焊接个性扭转不大，，，故而选取10Pa的真空环境对钛合金进行试验。！！！

2、、试验了局与分析

2.1大气环境焊接、、真空环境激光焊接焊缝成形比力

焊缝的理论成形是焊缝成形最直观的反映。！！！Ｔ诤附铀俣葀=1m/min、、离焦量f=?6mm时，，，分歧功率下TC4钛合金板在大气和真空环境下单激光堆焊焊缝理论成形别离如表2、、表3所示。！！！

观察在大气环境下激光焊接TC4厚板的焊缝理论，，，能够发现功率在5kW以下焊接焊缝理论光亮且拥有金属光泽，，，焊缝成形优良；；在7~10kW功率下焊接的焊缝理论光洁度降低，，，焊接过程中起头出现比力大的飞溅，，，焊缝理论部门出现蓝紫色，，，出现了焊缝氧化。！！！７治銎湓蚴怯捎诩す夤β试5kW以下时，，，羽辉尺寸较小，，，熔池颠簸也较小，，，激光、、羽辉、、母材之间的能量耦合不变，，，匙孔巨细和熔池流动也比力不变，，，所以焊缝成形比力均匀。！！！Ｋ孀偶す夤β实脑龀，，，羽辉尺寸增大，，，颠簸越发剧烈，，，造成熔池颠簸剧烈，，，产生飞溅，，，影响；；て；；こ尚，，，卷入外部气体，，，造成焊缝氧化[12]。！！！

当环境压力为10Pa时，，，由于真空环境激光焊接个性[12]，，，焊缝熔深显著增长，，，因而试验最大功率限度在10kW以内。！！！４耸焙阜炖砺鄢尚斡凶趴隙ǖ母纳，，，焊缝理论升沉减小，，，焊缝变得均匀，，，飞溅削减。！！！２⑶矣捎谡婵栈肪诚挛奁宥院附庸痰淖倘，，，焊缝理论光亮且拥有金属光泽，，，这注明真空环境对焊缝实现了优良的焊接；；。！！！４永砺鄢尚慰椿竦昧送ǔ＜す夂附游薹ɑ竦玫睦砺鄢尚斡帕嫉暮阜。！！！２⑶液阜煸8kW功率下实现不变的全熔透，，，持续增长功率到10kW时，，，焊缝背面依然没有严重的下塌，，，焊接工艺窗口比力宽。！！！

2.2大气环境焊接、、真空环境激光焊接焊缝宏观描摹比力

将大气和真空环境下焊接的焊缝进行处置，，，得到焊缝的宏观描摹，，，别离如图4、、图5所示，，，对焊缝的熔深、、熔宽进行丈量，，，绘制图6、、图7。！！！

观察图4发此刻大气环境下，，，激光功率的增长导致能量密度与热输入的增长，，，焊缝熔深有显著的增长，，，同时由于羽辉对激光的散射作用，，，焊缝熔宽也大幅度增长，，，并且随着焊接功率的提高，，，熔深增长的速度不休减慢。！！！Ｆ湓蚴撬孀偶す夤β试龀，，，熔池温度升高，，，资料气化增多，，，羽辉尺寸增大，，，其对激光能量的吸收增多，，，使达到资料理论能量增长幅度减慢，，，熔深增长幅度减慢[13]。！！！

在真空环境下，，，随激光功率的增长，，，焊缝熔深增长显著而熔宽变动不显著，，，与大气环境下变动法规并不一样。！！！７治銎湓蚴怯捎谡婵栈肪诚，，，对羽辉有较大的克制作用，，，其电子密度、、电子温度与体积均减小，，，一方面，，，羽辉对激光的吸收系数减小，，，吸收率降低，，，这样可削减羽辉对激光的故障作用，，，提高了能量的利用率[14]。！！！Ａ硪环矫，，，产生的羽辉也并浓度差距较大，，，产生了负透镜效应，，，在真空环境下对羽辉体积的克制使得负透镜效应减弱，，，羽辉对入射激光的屏蔽作用也减弱，，，激光作用的区域减小，，，能量集中，，，最后熔深增长的同时熔宽变动不大[15]。！！！

2.3大气环境焊接、、真空环境激光焊接焊缝微观组织比力

大气环境和真空环境焊缝熔深差距大，，，注明焊缝内部获得激光能量分歧，，，必然导致组织上的差距，，，对7kW下大气和真空环境焊缝组织进行观察，，，观察得到的大气、、真空环境焊接焊缝组织别离如图8、、图9所示。！！！

TC4钛合金在激光焊接升温过程中产生β相变，，，β晶粒迅速长大粗化，，，由于焊缝冷却较快，，，在急剧冷却的过程中，，，高温下的β相不能转变为原来α相，，，而是转变为与原α相晶体结构一样的α′马氏体。！！！Ｔ赥C4合金成分中β不变元素浓度较低，，，在相变过程中将产生β→α′马氏体的转变，，，形成α′马氏体组织。！！！

大气环境焊接焊缝呈“丁”字形，，，热影响区宽度大，，，焊缝内能观察到熔池冷却形成的β柱状晶和α′针状马氏体，，，热影响区从母材到焊缝晶粒逐步增大，，，并起头逐步出现α′针状马氏体。！！！Ｕ婵栈肪诚潞附雍阜斐省笆种浮毙，，，热影响区宽度与大气环境焊接焊缝相比宽度显著降低，，，焊缝内同样能够观察到β柱状晶和α′针状马氏体，，，焊缝组织与大气环境焊接焊缝组织差距不大。！！！Ｈ扔跋烨矶扔氪笃肪澈阜煜啾认灾跣，，，从母材到焊缝晶粒逐步增大。！！！

2.4大气环境焊接、、真空环境激光焊接焊缝硬度测试

对焊缝进行硬度分析，，，用HVS-1000Z型显微硬度计对焊缝、、热影响区和母材进行显微硬度测试，，，设备操作参数：：载荷0。！！！2kg，，，加载功夫10s。！！！１鹄攵源笃(等距0。！！！5mm)、、真空环境(等距0。！！！25mm)焊接焊缝进行熔宽方向的显微硬度测试，，，测试地位及了局别离如图10、、图11所示。！！！

通过观察图10和图11能够看出，，，无论是在大气环境还是在真空环境下，，，整个焊缝的硬度法规是一样的。！！！：：阜煜晕⒂捕瘸事戆靶紊⒉，，，焊缝处于高硬度区，，，为马氏体组织淬硬组织的荟萃区域，，，如图8、、图9所示，，，焊缝区组织为α′针状马氏体。！！！４尤酆舷、、热影响区至母材显微硬度逐步降低。！！！Ｈ扔跋烨拷酆舷叩匚幌晕⒂捕茸铙{，，，重要是由于该区域温度梯度髙、、冷却速度快、、淬硬偏差大，，，既存在α′针状马氏体，，，又由于没有产生重熔，，，存在等轴晶粒。！！！Ｈ缤8b、、图8c和图9b所示。！！！

大气焊缝上部硬度略高于下部焊缝硬度，，，分析其原因是由于焊缝上部接触外部气体，，，散热前提更好，，，冷却速度更快，，，形成的马氏体越发密集，，，硬度更高。！！！６婵栈肪澈阜煊捎谖尥獠科遄倘，，，硬度值在深度方向区别不大。！！！

对大气(等距0。！！！5mm)、、真空环境(等距0。！！！5mm)焊接焊缝进行熔深方向的显微硬度测试，，，测试地位及了局如图12所示。！！！Ｋ孀啪嗪阜於ザ司嗬氲脑龀，，，大气焊缝硬度略有降低，，，真空环境焊缝硬度比力均匀。！！！４笃肪澈阜炀扔捕仍嘉390HV，，，高于真空环境焊缝均匀显微硬度360HV。！！！７治銎湓蚴谴笃肪诚潞阜炖淙此俣雀，，，形成的针状马氏体越发密集，，，提高了焊缝硬度。！！！

2.5焊缝拉伸强度测试

为了评价焊接接头根基力学机能，，，拔取激光功率7kW的真空环境与大气环境焊缝进行拉伸试验，，，为了保障试验了局的靠得住性，，，从上至下切取3个试件，，，真空环境试件为编号1，，，2，，，3，，，大气环境试件编号为4，，，5，，，6，，，而后利用扫描电镜对断口进行SEM分析，，，确定其断裂机制。！！！＠焓匝槭约尺寸如图13所示，，，断裂地位如图14所示，，，对拉伸试验提取了局绘制了如图15所示的抗拉强度条形图，，，拉伸断口如图16所示。！！！

对大气与真空环境焊接焊缝进行抗拉强度测试，，，发现拉伸试件全数断裂于母材部位，，，注明焊缝的强度优良且高于母材，，，试件的抗拉强度为960~980MPa。！！！９鄄炖烨叻⑾，，，拉伸试件产生弹性变形后进入屈服，，，但不存在显著的屈服台阶，，，直接进入塑性变形阶段并最终断裂。！！！

对焊缝断口进行分析，，，断口描摹为呈网络状散布的韧窝，，，其状态藐小，，，均匀，，，且凹坑较深。！！！Ｈ臀训男纬煞治》、、形核、、成长、、集聚和断裂4个过程。！！！Ｔ谑芙闲∽魇咕⒌氖背，，，第二相粒子会故障位错的移动，，，当外力持续增大，，，位错起头出现滑移，，，接着第二相粒子与晶粒分离直至产生裂纹扯破，，，形成浮泛，，，导致裂纹的扩大。！！！Ｕ庑└》涸诨坪统镀频淖饔孟伦钪詹狭，，，形成凹坑状态。！！！９鄄旆⑾，，，断口上有大量藐小的呈网状散布的韧窝，，，韧窝较为密集。！！！Ｒ蚨，，，揣度该焊接接头拉伸试样的断口为韧性断口。！！！

2.6真空环境对焊缝质量影响原因分析

激光焊接属于熔焊步骤，，，熔焊都是在焊接热源的作用下实现的，，，激光束就是激光焊接的热源，，，分歧工艺参数下激光能量在焊缝各区域的散布产生扭转，，，导致整个焊缝各区域焊接热循环的扭转，，，使得整个焊缝组织产生扭转。！！！Ｕ婵栈肪臣す夂附佑胪ɡす夂附酉啾，，，焊接热循环的扭转的影响成分重要有两方面，，，一方面是等离子体被克制对激光能量的影响，，，一方面是环境压力扭转对散热前提的影响。！！！

在通例激光深熔焊过程中，，，激光束照射在焊接资料理论，，，使焊接资料在短功夫内产生剧烈的气化景象，，，形成匙孔。！！！３卓谆嵯蛲馀绯龃罅康慕鹗粽羝，，，这些金属蒸气中的金属气体原子以及；；て械钠宸肿踊嵩诩す獾母吣芰孔饔孟虏缋，，，形成一团致密的光致等离子体。！！！５壤胱犹宥约す獠凵、、散射、、吸收作用，，，使激光束的能量密度降低。！！！Ｕ婵栈肪衬芄豢酥坪附庸讨械牡壤胱犹，，，削减由于等离子体折射、、散射以及吸收造成的激光能量损耗，，，提高焊接过程热输入，，，进而增长焊缝熔深。！！！Ｕ婵斩扰ぷ岬贾鹿ぜ散热前提扭转[15]。！！！Ｔ诖笃肪诚，，，；；て牧鞫峒涌旌阜於ゲ慷粤骰蝗，，，冷却速度较快。！！！Ｔ谡婵栈肪诚，，，由于真空度的提高，，，气体分子削减，，，对流换热的载体削减，，，散热效能也就会降落。！！！Ｆ宸肿釉谡婵詹漳诒谟胧园逯浣卸粤骰蝗，，，当真空度提高时，，，对流换热效能将逐步降低直至靠近为0，，，散热大部门靠热辐射与热传导进行，，，试件的整体散热速度降落，，，焊缝冷却速度降落，，，使得焊缝组织转变，，，具体道理图如图17所示。！！！

3、、结论

(1)真空环境可显著改善TC4钛合金激光焊接工艺个性，，，相较于大气环境，，，焊缝由“丁字”形变为“手指”形，，，焊缝熔深显著增长，，，焊缝理论成形显著改善。！！！

(2)真空环境焊缝组织与大气环境焊缝组织种类差距不大，，，均为α′针状马氏体。！！！４笃肪澈阜烊扔跋烨矶却，，，存在更多α′针状马氏体。！！！Ｕ婵栈肪诚氯扔跋烨矶认灾跣，，，从母材到焊缝晶粒逐步长大，，，存在更多的α′针状马氏体。！！！

(3)无论是在大气环境还是在真空环境下，，，整个焊缝的硬度趋向类似。！！！：：阜煜晕⒂捕瘸事戆靶紊⒉，，，焊缝处于高硬度区，，，大气环境焊缝均匀硬度约为390HV，，，高于真空环境焊缝均匀显微硬度360HV。！！！６院阜旖锌估慷炔馐，，，分歧环境下焊缝的拉伸试件全数断裂于母材部位，，，试件的抗拉强度为960~980MPa。！！！

参考文件

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第一作者：：孟圣昊，，，博士钻研生；；重要钻研方向为激光焊接技术；； Email：：mengshenghao2011@163.com.

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