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]。。。而由于钛及钛合金在高温下拥有较高活性，，空气的侵入会造成很多问题，，焊接过程中对焊缝及熔池的珍视尤为重要[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珍视空气和纯度等成分的限度，，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。。。并且TIG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]。。。但通例激光焊接过程中也有羽辉等问题存在，，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]。。。对钛合金焊接问题尤其显著，，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。。。加强焊接过程的不变性，，改善焊缝成形，，削减工艺气孔等缺点。。。并且能提升焊缝的珍视成效。。。并且真空激光焊接对真空度要求低，，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。。。TC4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。。。TC4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°。。。大气和真空环境下整体试验装置如图2、、图3所示。。。试验所用激光器为IPG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。。。试验所用机械报答高柔性KR-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。。。真空舱的行走机构有一个自由度，，行程可超过250mm。。。真空舱前后有观察口，，上方也有珍视镜片。。。有关钻研批注[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。。。在焊接速度v=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。。。分析其原因是由于激光功率在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。。。随着激光功率的增长，，羽辉尺寸增大，，颠簸越发剧烈，，造成熔池颠簸剧烈，，产生飞溅，，影响珍视气珍视成效，，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。。。此时焊缝理论成形有着肯定的改善，，焊缝理论升沉减小，，焊缝变得均匀，，飞溅削减。。。并且由于真空环境下无气体对焊接过程的滋扰，，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珍视。。。从理论成形看获得了通常激光焊接无法获得的理论成形优良的焊缝。。。并且焊缝在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。。。其原因是随着激光功率增长，，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。。。分析其原因是由于真空环境下，，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]。。。另一方面，，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。。。在TC4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。。。真空环境下焊接焊缝呈“手指”形，，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。。。热影响区宽度与大气环境焊缝相比显著减小，，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。。。别离对大气(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。。。从熔合线、、热影响区至母材显微硬度逐步降低。。。热影响区靠近熔合线地位显微硬度最髙，，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。。。如图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。。。而真空环境焊缝由于无外部气体滋扰，，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。。。随着距焊缝顶端距离的增长，，大气焊缝硬度略有降低，，真空环境焊缝硬度比力均匀。。。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。。。分析其原因是大气环境下焊缝冷却速度更快，，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。。。拉伸试验试件尺寸如图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。。。观察拉伸曲线发现，，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。。。韧窝的形成分为浮泛、、形核、、成长、、集聚和断裂4个过程。。。在受较小作使劲的时辰，，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。。。这些浮泛在滑移和扯破的作用下最终产生断裂，，形成凹坑状态。。。观察发现，，断口上有大量藐小的呈网状散布的韧窝，，韧窝较为密集。。。因而，，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。。。真空环境激光焊接与通例激光焊接相比，，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。。。匙孔会向外喷出大量的金属蒸气，，这些金属蒸气中的金属气体原子以及珍视气中的气体分子会在激光的高能量作用下产生电离，，形成一团致密的光致等离子体。。。等离子体对激光产生折射、、散射、、吸收作用，，使激光束的能量密度降低。。。真空环境能够克制焊接过程中的等离子体，，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。。。真空度扭转会导致工件散热前提扭转[15]。。。在大气环境下，，珍视气的流动会加快焊缝顶部对流换热，，冷却速度较快。。。在真空环境下，，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。。。气体分子在真空舱内壁与试板之间进行对流换热，，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。。。大气环境焊缝热影响区宽度大，，存在更多α′针状马氏体。。。真空环境下热影响区宽度显著减小，，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。。。对焊缝进行抗拉强度测试，，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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