序言

钛脊合金因拥有强度高、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]。而由于钛脊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；び任烈猍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。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、加热集钟注焊接速度快、焊缝成形好、焊件变形幼、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、吸收蹬装响，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表表氧化、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]，真空能够抑造羽辉，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；こ尚。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钛合金轧造板材。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蹬着点，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牡缙谠煜低成柚煤附铀俣。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；ぞ灯。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

焊缝的表表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表表成形别离如表2、表3所示。

观察在大气环境下激光焊接TC4厚板的焊缝表表，能够发现功率在5kW以下焊接焊缝表表光亮且拥有金属光泽，焊缝成形优良；在7~10kW功率下焊接的焊缝表表光洁度降低，焊接过程中起头出现比力大的飞溅，焊缝表表部门出现蓝紫色，出现了焊缝氧化。分析其原因是由于激光功率在5kW以下时，羽辉尺寸较幼，熔池颠簸也较幼，激光、羽辉、母材之间的能量耦合不变，匙孔大幼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；て；こ尚，卷入表部气体，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。此时焊缝表表成形有着肯定的改善，焊缝表表升沉减幼，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，焊缝表表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；。从表表成形看获得了通常激光焊接无法获得的表表成形优良的焊缝。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沉的下塌，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，绘造图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杜纂热输入的增长，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，使达到资料表表能量增长幅度减慢，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，对羽辉有较大的抑造作用，其电子密度、电子温杜纂体积均减幼，一方面，羽辉对激光的吸收系数减幼，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抑造使得负透镜效应减弱，羽辉对入射激光的屏蔽作用也减弱，激光作用的区域减幼，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，扰装响区宽度大，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，扰装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，扰装响区宽杜纂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。扰装响区宽杜纂大气环境焊缝相比显著减幼，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、扰装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。焊缝显微硬度呈马鞍形散布，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、扰装响区至母材显微硬度逐步降低。扰装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，又由于没有产生沉熔，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表部气体，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表部气体滋扰，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，确定其断裂机造。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造了如图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，其状态藐幼，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。在受较幼作使劲的时辰，第二相粒子会故障位错的移动，当表力持续增大，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，断口上有大量藐幼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抑造对激光能量的影响，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表表，使焊接资料在短功夫内产生剧烈的气化景象，形成匙孔。匙孔会向表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；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。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。真空环境能够抑造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，；て牧鞫峒涌旌阜於ゲ慷粤骰蝗，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，倒劓空度提高时，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，焊缝表表成形显著改善。

(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。大气环境焊缝扰装响区宽度大，存在更多α′针状马氏体。真空环境下扰装响区宽度显著减幼，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。焊缝显微硬度呈马鞍形散布，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。

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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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