引言

钛合金作为一种新型轻质金属资料,拥有强度高
、
、耐侵蚀性好
、
、密度低
、
、委顿强度高档良好机能，宽泛利用于航空航天领域[1]。。工业出产领域轻量化和智能化的发展趋向[2-3]越发推动了钛合金的宽泛利用。。钛合金的利用必然涉及到焊接工艺。。钛合金的焊接步骤重要蕴含传统的手工钨极惰性气体；；(tungsten inert gas,TIG)焊和溶解极惰性气体；；(melt inert-gas,MIG)焊4]以及电子束焊接5]和激光焊接。。手工TIG焊的焊接速度慢，处置大坡口焊件时需较高的热输入,以至接头区域过热,从而劣化其力学与耐侵蚀机能[6];MIG焊虽可在低热输入下进行,但其接头易产生气孔缺点[7];电子束焊接钛合金时,接头区域的组织与残存应力散布显著不均匀问题,加之其严苛的真空环境要求,共同极大地限度了该工艺在大尺寸结构件上的利用[8-10]。。相比之下,激光焊接拥有能量密度高
、
、热输入低
、
、焊接速度快
、
、焊缝深宽比大
、
、变形小等优势，同时钛合金的低热导率使得激光焊接过程中的热量不能迅速扩散，从而减小了热影响区宽度。。因而，激光焊接在航空领域钛合金薄板
、
、精密部件的制作中展示出辽阔的远景[11-13]。。

目前,针对厚度大于4.75mmTC4钛合金中厚板的激光焊接已发展了较多钻研[14-16],然而在厚度小于4.75mm薄板激光自熔焊方面，尤其是对其工艺参数的索求仍相对不及。。由于薄板自熔焊熔池较浅，焊接过程中工艺参数的细小颠簸易对焊缝成形质量产生显著影响，因而系统钻研其工艺窗口极度必要。。作者选取激光焊接步骤对2mm厚的TC4钛合金薄板进行对接试验，钻研了激光热输入和功率密度对焊缝成形质量以及接头显微组织和拉伸机能等的影响，以得到较优的工艺参数，结合拉伸断口描摹分析接头的拉伸断裂机理。。

1
、
、试样制备与试验步骤

母材为尺寸200mmx60mmx2mm的TC4钛合金薄板,化学成分(质量分数/%)为5.50~6.75Al,3.5~4.5V,0.3Fe,0.08C,0.05N,0.15H,0.2O,0.4其他,余Ti。。选取砂纸去除钛合金薄板理论氧化层,并用无水乙醇洗濯后，选用NFMC型陆续光纤激光器对钛合金薄板进行激光焊接,焊接间隙为0,选取LSK05-08型Thyssenkrupp激光头，激光中心波长为1080nm,光斑直径为0.6mm(面积为0.2827mm²),活动执行机构为FanucR-2000IB/210F型机械人,；；て逦叽侩财,气体流量为20L·min^-1。。为钻研激光热输入和激光功率密度(激光功率除以光斑面积)对焊缝成形质量的影响，设置如表1所示的焊接工艺参数，其中激光热输入为激光功率除以焊接速度，激光热输入与激光功率密度成正比
、
、与焊接速度成反比。。

表1激光焊接工艺参数

Table 1Laser welding process parameters

选取线切割步骤在接头上以焊缝为中心截取金相试样,经镶嵌
、
、打磨
、
、抛光后,选取Keller试剂(HF
、
、HNO₃
、
、H₂O的体积比为1:5:44)侵蚀后,选取Axio Vert A1型光学显微镜观察接头分歧区域的显微组织。。依照GB/T228.1一2021《金属资料拉伸试验第1部门:室温试验步骤》,选取线切割步骤在接头上以焊缝为中心垂直于焊接方向以及在母材上截取如图1所示的拉伸试样,选取MTS Exceed E45型单向拉伸机进行室温拉伸试验，拉伸速度为30mm·min^-1,在接头分歧区域制备3个平行试样。。

2
、
、试验了局与会商

2.1焊缝成形质量

由图2能够看出,分歧工艺参数得到的接头均已焊透，焊缝理论无毛刺
、
、气孔
、
、飞溅
、
、裂纹等缺点，焊缝正面和背面宽度靠近，注明焊缝质量优良。。

由图3能够看出:试验参数下，接头焊缝均呈X形，这是由于在焊接过程中，匙孔中产生的金属蒸气从上
、
、下理论喷出，加强了熔池上
、
、下理论的热对流，使得焊缝上
、
、下理论的宽度大于中央腰部的宽度，最终形成了X形焊缝;焊缝上
、
、下理论的熔宽靠近，焊缝中心区域的高度存在较大差距。。A1工艺下固然激光功率密度较低，但为使激光热输入恒定，焊接速度也处于较低程度，因而激光对金属的烧蚀作用显著，导致焊缝上理论出现显著的下凹，形成未焊满景象;随着焊接速度的增长，为使激光热输入恒定，激光功率密度同步增大，该未焊满景象被解除，焊缝上部出现余高;A6工艺固然焊接速度较快,但为维持激光热输入恒定，激光功率也偏大，烧蚀作用仍旧显著，余高隐没并进一步出现未焊满景象。？？？芍，当激光热输入一按时，激光功率密度过大或过小均会导致熔池金属的蒸发显著，使得焊缝出现未焊满景象。。B1
、
、B2和B3工艺下焊缝均出现未焊满景象，这是由于此时焊接速度相对较慢，激光热输入过大导致烧蚀严重，熔池金属蒸发较多;随着焊接速度增大，激光热输入降低，未焊满景象隐没，且在焊缝上部产生余高，焊缝状态优良。？？？芍，当激光功率密度一按时，相对较低的焊接速度会产生过高的激光热输入，导致熔池烧蚀严重，焊缝出现未焊满景象。。

通过度析焊缝腰部高度(焊缝腰部到焊缝下理论的距离)来钻研分歧工艺参数下焊缝截面状态的差距。。由图4能够看出，随着激光功率密度和焊接速度的提高，焊缝腰部高度降低，焊缝下半部面积相应减小。：：：阜煅扛叨戎匾芗す舛匀鄢氐拇┩改芰τ跋:当激光穿透作用加强时，更多金属蒸气从下理论喷出，从而导致焊缝腰部高度增大。。通常，该能力随焊接热输入增长而增大，当热输入不变时，随激光功率(激光功率密度)的增长而加强，随焊接速度增大而减弱。。凭据焊缝腰部高度的变动揣摩，在激光热输入恒按时，激光对熔池的穿透作用并未随激光功率密度的增长而加强，而是随焊接速度的提高而减弱，这注明焊接速度成为影响焊缝腰部高度的重要成分。。A5和B4工艺下焊缝腰部高度最靠近板材厚度的1/2(1mm),此时接头两侧受到的拉应力能够均匀地分配到焊缝上半部和下半部，焊缝中不易产生应力集中，接头的拉伸机能较好。。

2.2显微组织

分歧工艺下接头均由母材(BM)
、
、热影响区(HAZ)和焊缝(WZ)组成，且母材和热影响区的组织类似,以A3工艺下的接头为例对母材和热影响区组织进行分析。。由图5能够看出:母材由α+β两相称轴晶组织组成，β相散布在a基体上，呈相间散布;热影响区组织由初生a相
、
、β相和α'马氏体组成。。在激光焊接过程中，热影响区温度升高，近焊缝处的a相转变为粗壮β相，形成单一β组织，近母材处仍为α+β两相组织。。在随后的急剧冷却中，靠近母材侧的β相转变为分列比力杂乱的藐小针状α'马氏体，等轴晶描摹也随之隐没;靠近焊缝侧的β相转变天生的α'马氏体针更长，且分列不再杂乱，而是沿统一方向呈集束状散布，晶粒更粗壮，起头出现高温β柱状晶的描摹。。

由图6能够看出，分歧工艺下焊缝组织均由粗壮的高温β柱状晶和网篮状α'针状马氏体组成。。激光焊接的冷却速度较快，在急剧冷却过程中，β相会通过切变相变产生晶格重构形成马氏体。。接头焊缝中的柱状晶内部组织均由α'针状马氏体组成,这是由于针状马氏体容易形核并向晶粒内部长大形成一次α'马氏体。。随着冷却过程的进行，组织中还会形成一系列藐小的二次α'针状马氏体，而二次α'针状马氏体遇到晶界或一次马氏体味终场长大，从而形成网篮组织。。随着激光功率密度增大或激光热输入降低，焊缝的晶粒细化水平提高，二次α'马氏体形成的网篮组织更多。。这是由于在试验设置的参数前提下，激光功率密度增大或激光热输入降低均陪伴着焊接速度增大，而焊接速度增大会导致熔池在高温区域停顿的功夫变短，加热和冷却过程越发短暂，使得α'针状马氏体越发藐小,同时晶粒细化水平的提高使得α'针状马氏体在β晶界和β晶内形核的地位增多,从而形成更多的网篮组织。。

2.3拉伸机能与断裂机理

由图7能够看出:在激光热输入肯定的前提下，随着激光功率密度增大，接头的抗拉强度先降后增再降，当激光功率密度为1.17x10⁶W·cm^-2(A5工艺)时，抗拉强度最高，为1126MPa，达到母材抗拉强度的92.32%;在激光功率密度肯定的前提下，随着激光热输入降低，接头的抗拉强度先增后降，当激光热输入为550J·cm^-1(B4工艺)时，抗拉强度最高,为1041 MPa,达到母材抗拉强度的85.41%。。A5和B4工艺下接头优异的拉伸机能与焊缝腰部高度靠近板材厚度1/2有关，同时这两个工艺下焊缝的晶粒细化水平较高，网篮组织也较多，而网篮组织对焊缝的拉伸机能有显著的加强作用。。

由图8可知，母材在拉伸过程中先产生弹性变形，真应力线性增大，屈服后真应力先略微上升后略微降落，最后真应力迅速降低，试样产生断裂，断裂机理为韧性断裂;接头在拉伸过程中,随着变形量的增长,真应力均匀增大,直到试样断裂,拉伸曲线中不存在屈服平台，断裂机理为脆性断裂。。

由图9能够看出:A5和B4工艺下接头拉伸试样均在焊缝处断裂，未产生显著的宏观塑性变形，断口相对齐平且断面垂直于拉伸方向，可知断裂机理为脆性断裂;母材拉伸试样断裂区域存在显著的颈缩景象，断面和拉伸方向呈45°，可知断裂机理为韧性断裂。。

由图10能够看出:母材拉伸断口存在显著的韧窝，注明母材产生微孔荟萃型韧性断裂;A5和B4工艺下接头拉伸断口存在显著的解理台阶,这是由于裂纹沿着特定的晶面
、
、滑移面或孪晶面扩大，形成一簇相互平行
、
、位于分歧高度的晶面而形成的，注明接头产生脆性断裂。。

3
、
、结论

(1)分歧工艺下制备得到TC4钛合金接头的焊缝成形质量优良，焊缝均呈X形，上
、
、下理论熔宽靠近。。在激光热输入固定在600J·cm^-1下激光功率密度小于0.95x10⁶W·cm^-2或大于1.17x10⁶W·cm^-2时以及在激光功率密度固定在1.10x10⁶W·cm^-2下激光热输入大于550J·cm^-1时，焊缝出现未焊满景象。。随着激光功率密度增大或激光热输入降低，焊缝腰部高度降低，当激光功率密度为1.17x10⁶W·cm^-2
、
、热输入为600J·cm^-1和激光功率密度为1.10x10⁶W·cm^-2
、
、热输入为550J·cm^-1下焊缝腰部高度靠近合金板厚度的1/2。。

(2)分歧工艺下接头均由母材
、
、热影响区和焊缝组成，母材由α+β两相称轴晶组织组成，热影响区由初生α相
、
、β相和α'马氏体组成，焊缝由粗壮的高温β柱状晶和网篮状α'针状马氏体组成;随着激光功率密度增大或激光热输入降低，焊缝的晶粒细化水平提高，二次α'马氏体形成的网篮组织增多。。

(3)在激光热输入600J·cm^-1下，随着激光功率密度增大，接头的抗拉强度先降后增再降，当激光功率密度为1.17x10⁶W·cm^-2时，抗拉强度最高，为1126MPa;在激光功率密度1.1x10⁶W·cm^-2下，随着激光热输入降低，接头的抗拉强度先增后降，当激光热输入为550J·cm^-1时，抗拉强度最高，为1041MPa;接头拉伸时均在焊缝处断裂，断口由解理面组成，断裂机理为脆性断裂。。

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（注，原文标题：：：TC4钛合金薄板的激光焊接工艺优化及接头拉伸断裂机理）

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