序言

钛及钛合金因具有强度高、抗蚀性好、低温性能好及焊接性优异等多项优点，，，，，，，普遍地应用于航天、汽车、化学工业等领域中，，，，，，，因此对钛合金焊接的相关研究也十分普遍[1]。。。。。。。。而由于钛及钛合金在高温下具有较高活性，，，，，，，气氛的侵入会造成许多问题，，，，，，，焊接历程中对焊缝及熔池的保；；；；；び任饕猍2-3]。。。。。。。。

现在关于中厚板TC4钛合金常接纳TIG、电子束等焊接要领[4]，，，，，，，其中TIG焊接历程中由于受到保；；；；；て蘸痛慷鹊纫蛩氐南拗疲，，，，，常带来氢、氧或氮含量增添，，，，，，，使焊后焊缝区氧化或爆发气孔及裂纹，，，，，，，造成焊接讨论的力学性能大大下降的征象。。。。。。。。并且TIG焊焊接厚板通常接纳多层焊，，，，，，，因此保存焊接速率慢，，，，，，，剩余应力大，，，，，，，焊缝组织粗大，，，，，，，焊缝夹钨等缺陷[5-6]。。。。。。。。 而电子束焊受限于真空室尺寸，，，，，，，难以实现大厚件焊接，，，，，，，并且焊接历程需要高真空，，，，，，，影响焊接效率[7]。。。。。。。。

激光焊接作为一种生长逐渐成熟的高能束焊接方法，，，，，，，其能量密度高、加热集中、焊接速率快、焊缝成形好、焊件变形小、易实现自动化生产，，，，，，，在钛合金厚板焊接领域的应用也逐渐增多[8]。。。。。。。。但通例激光焊接历程中也有羽辉等问题保存，，，，，，，对入射激光爆发折射、散射、吸收等影响，，，，，，，影响了焊接历程的稳固性，，，，，，，造成熔池波动，，，，，，，飞溅等问题[9]。。。。。。。。对钛合金焊接问题尤其显着，，，，，，，钛合金激光焊接很是易爆发外貌氧化、咬边、气孔和裂纹问题[10]。。。。。。。。

上个世纪80年月，，，，，，，大阪大学提出了真空激光焊接的要领[11]，，，，，，，真空可以抑制羽辉，，，，，，，提高激光能量使用率，，，，，，，增添焊缝熔深。。。。。。。。增强焊接历程的稳固性，，，，，，，改善焊缝成形，，，，，，，镌汰工艺气孔等缺陷。。。。。。。。并且能提升焊缝的保；；；；；ばЧ。。。。。。。。并且真空激光焊接对真空度要求低，，，，，，，并且能够实现局部负压焊接，，，，，，，一定水平上挣脱了真空度和真空仓对焊接历程的限制。。。。。。。。

文中以20mm厚TC4钛合金为研究工具，，，，，，，举行大气和真空情形下的激光焊接，，，，，，，系统研究了差别焊接情形下焊缝的形貌、微观组织及力学性能的差别，，，，，，，对TC4钛合金真空激光焊接的特征举行较完整的剖析，，，，，，，为真空激光焊接在工业上的应用提供参考。。。。。。。。

1、试验要领

1.1试验质料

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，，，，，，，其母材组织既保存等轴初生α组织(图1中白色部分)，，，，，，，又保存片状α+β组织(图1中玄色部分)，，，，，，，具有优异的综协力学性能。。。。。。。。TC4的微观组织如图1所示，，，，，，，其主要化学因素及力学性能见表1。。。。。。。。

1.2试验要领

焊接要领为平板堆焊，，，，，，，激光入射角度始终坚持10°。。。。。。。。大气和真空情形下整体试验装置如图2、图3所示。。。。。。。。试验所用激光器为IPG公司生产的YLS-30000光纤激光器，，，，，，，具有输出功率高、事情波长规模广以及使用寿命长等优点，，，，，，，最大输出功率30kW，，，，，，，聚焦光斑直径600μm。。。。。。。。试验所用机械人为高柔性KR-2型KUKA机械人，，，，，，，所用激秃顶为HIGHYAG激秃顶。。。。。。。。

试验所用真空装置的最低真空度为6。。。。。。。。6×10^?4Pa。。。。。。。。浚？？？？？梢酝ü粤Φ牡缙刂葡低成柚煤附铀俾。。。。。。。。真空舱的行走机构有一个自由度，，，，，，，行程可凌驾250mm。。。。。。。。真空舱前后有视察口，，，，，，，上方也有保；；；；；ぞ灯。。。。。。。。相关研究批注[8]，，，，，，，真空度对焊接特征的影响保存临界值10Pa，，，，，，，当凌驾该临界值时，，，，，，，焊接特征改变不大，，，，，，，故而接纳10Pa的真空情形对钛合金举行试验。。。。。。。。

2、试验效果与剖析

2.1大气情形焊接、真空情形激光焊接焊缝成形较量

焊缝的外貌成形是焊缝成形最直观的反应。。。。。。。。在焊接速率v=1m/min、离焦量f=?6mm时，，，，，，，差别功率下TC4钛合金板在大气和真空情形下单激光堆焊焊缝外貌成形划分如表2、表3所示。。。。。。。。

视察在大气情形下激光焊接TC4厚板的焊缝外貌，，，，，，，可以发明功率在5kW以下焊接焊缝外貌灼烁且具有金属光泽，，，，，，，焊缝成形优异；；；；；；在7~10kW功率下焊接的焊缝外貌光洁度降低，，，，，，，焊接历程中最先泛起较量大的飞溅，，，，，，，焊缝外貌部分泛起蓝紫色，，，，，，，泛起了焊缝氧化。。。。。。。。剖析其缘故原由是由于激光功率在5kW以下时，，，，，，，羽辉尺寸较。。。。。。。。，，，，，熔池波动也较。。。。。。。。，，，，，激光、羽辉、母材之间的能量耦合稳固，，，，，，，匙孔巨细和熔池流动也较量稳固，，，，，，，以是焊缝成形较量匀称。。。。。。。。随着激光功率的增添，，，，，，，羽辉尺寸增大，，，，，，，波动越发强烈，，，，，，，造成熔池波动强烈，，，，，，，爆发飞溅，，，，，，，影响保；；；；；て；；；；；；ばЧ，，，，，卷入外部气体，，，，，，，造成焊缝氧化[12]。。。。。。。。

当情形压力为10Pa时，，，，，，，由于真空情形激光焊接特征[12]，，，，，，，焊缝熔深显著增添，，，，，，，因此试验最大功率限制在10kW以内。。。。。。。。此时焊缝外貌成形有着一定的改善，，，，，，，焊缝外貌升沉减。。。。。。。。，，，，，焊缝变得匀称，，，，，，，飞溅镌汰。。。。。。。。并且由于真空情形下无气体对焊接历程的滋扰，，，，，，，焊缝外貌灼烁且具有金属光泽，，，，，，，这说明真空情形对焊缝实现了优异的焊接保；；；；；。。。。。。。。从外貌成形看获得了一样平常激光焊接无法获得的外貌成形优异的焊缝。。。。。。。。并且焊缝在8kW功率下实现稳固的全熔透，，，，，，，继续增添功率到10kW时，，，，，，，焊缝背面依然没有严重的下塌，，，，，，，焊接工艺窗口较量宽。。。。。。。。

2.2大气情形焊接、真空情形激光焊接焊缝宏观形貌较量

将大气和真空情形下焊接的焊缝举行处置惩罚，，，，，，，获得焊缝的宏观形貌，，，，，，，划分如图4、图5所示，，，，，，，对焊缝的熔深、熔宽举行丈量，，，，，，，绘制图6、图7。。。。。。。。

视察图4发明在大气情形下，，，，，，，激光功率的增添导致能量密度与热输入的增添，，，，，，，焊缝熔深有显着的增添，，，，，，，同时由于羽辉对激光的散射作用，，，，，，，焊缝熔宽也大幅度增添，，，，，，，并且随着焊接功率的提高，，，，，，，熔深增添的速率一直减慢。。。。。。。。其缘故原由是随着激光功率增添，，，，，，，熔池温度升高，，，，，，，质料气化增多，，，，，，，羽辉尺寸增大，，，，，，，其对激光能量的吸收增多，，，，，，，使抵达质料外貌能量增添幅度减慢，，，，，，，熔深增添幅度减慢[13]。。。。。。。。

在真空情形下，，，，，，，随激光功率的增添，，，，，，，焊缝熔深增添显著而熔宽转变不显着，，，，，，，与大气情形下转变纪律并不相同。。。。。。。。剖析其缘故原由是由于真空情形下，，，，，，，对羽辉有较大的抑制作用，，，，，，，其电子密度、电子温度与体积均减。。。。。。。。，，，，，一方面，，，，，，，羽辉对激光的吸收系数减。。。。。。。。，，，，，吸收率降低，，，，，，，这样可镌汰羽辉对激光的阻碍作用，，，，，，，提高了能量的使用率[14]。。。。。。。。另一方面，，，，，，，爆发的羽辉也并浓度差别较大，，，，，，，爆发了负透镜效应，，，，，，，在真空情形下对羽辉体积的抑制使得负透镜效应削弱，，，，，，，羽辉对入射激光的屏障作用也削弱，，，，，，，激光作用的区域减。。。。。。。。，，，，，能量集中，，，，，，，最后熔深增添的同时熔宽转变不大[15]。。。。。。。。

2.3大气情形焊接、真空情形激光焊接焊缝微观组织较量

大气情形和真空情形焊缝熔深差别大，，，，，，，说明焊缝内部获得激光能量差别，，，，，，，一定导致组织上的差别，，，，，，，对7kW下大气和真空情形焊缝组织举行视察，，，，，，，视察获得的大气、真空情形焊接焊缝组织划分如图8、图9所示。。。。。。。。

TC4钛合金在激光焊接升温历程中爆发β相变，，，，，，，β晶粒迅速长大粗化，，，，，，，由于焊缝冷却较快，，，，，，，在快速冷却的历程中，，，，，，，高温下的β相不可转变为原来α相，，，，，，，而是转变为与原α相晶体结构相同的α′马氏体。。。。。。。。在TC4合金因素中β稳固元素浓度较低，，，，，，，在相变历程中将爆发β→α′马氏体的转变，，，，，，，形成α′马氏体组织。。。。。。。。

大气情形焊接焊缝呈“丁”字形，，，，，，，热影响区宽度大，，，，，，，焊缝内能视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渐增大，，，，，，，并最先逐渐泛起α′针状马氏体。。。。。。。。真空情形下焊接焊缝呈“手指”形，，，，，，，热影响区宽度与大气情形焊接焊缝相比宽度显着降低，，，，，，，焊缝内同样可以视察到β柱状晶和α′针状马氏体，，，，，，，焊缝组织与大气情形焊接焊缝组织差别不大。。。。。。。。热影响区宽度与大气情形焊缝相比显着减。。。。。。。。，，，，，从母材到焊缝晶粒逐渐增大。。。。。。。。

2.4大气情形焊接、真空情形激光焊接焊缝硬度测试

对焊缝举行硬度剖析，，，，，，，用HVS-1000Z型显微硬度计对焊缝、热影响区和母材举行显微硬度测试，，，，，，，装备操作参数：载荷0。。。。。。。。2kg，，，，，，，加载时间10s。。。。。。。。划分对大气(等距0。。。。。。。。5mm)、真空情形(等距0。。。。。。。。25mm)焊接焊缝举行熔宽偏向的显微硬度测试，，，，，，，测试位置及效果划分如图10、图11所示。。。。。。。。

通过视察图10和图11可以看出，，，，，，，无论是在大气情形照旧在真空情形下，，，，，，，整个焊缝的硬度纪律是相同的。。。。。。。。焊缝显微硬度呈马鞍形漫衍，，，，，，，焊缝处于高硬度区，，，，，，，为马氏体组织淬硬组织的群集区域，，，，，，，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渐降低。。。。。。。。热影响区靠近熔合线位置显微硬度最髙，，，，，，，主要是由于该区域温度梯度髙、冷却速率快、淬硬倾向大，，，，，，，既保存α′针状马氏体，，，，，，，又由于没有爆发重熔，，，，，，，保存等轴晶粒。。。。。。。。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，，，，，，，剖析其缘故原由是由于焊缝上部接触外部气体，，，，，，，散热条件更好，，，，，，，冷却速率更快，，，，，，，形成的马氏体越发麋集，，，，，，，硬度更高。。。。。。。。而真空情形焊缝由于无外部气体滋扰，，，，，，，硬度值在深度偏向区别不大。。。。。。。。

对大气(等距0。。。。。。。。5mm)、真空情形(等距0。。。。。。。。5mm)焊接焊缝举行熔深偏向的显微硬度测试，，，，，，，测试位置及效果如图12所示。。。。。。。。随着距焊缝顶端距离的增添，，，，，，，大气焊缝硬度略有降低，，，，，，，真空情形焊缝硬度较量匀称。。。。。。。。大气情形焊缝平均硬度约为390HV，，，，，，，高于真空情形焊缝平均显微硬度360HV。。。。。。。。剖析其缘故原由是大气情形下焊缝冷却速率更快，，，，，，，形成的针状马氏体越发麋集，，，，，，，提高了焊缝硬度。。。。。。。。

2.5焊缝拉伸强度测试

为了评价焊接讨论基本力学性能，，，，，，，选取激光功率7kW的真空情形与大气情形焊缝举行拉伸试验，，，，，，，为了包管试验效果的可靠性，，，，，，，从上至下切取3个试件，，，，，，，真空情形试件为编号1，，，，，，，2，，，，，，，3，，，，，，，大气情形试件编号为4，，，，，，，5，，，，，，，6，，，，，，，然后使用扫描电镜对断口举行SEM剖析，，，，，，，确定其断裂机制。。。。。。。。拉伸试验试件尺寸如图13所示，，，，，，，断裂位置如图14所示，，，，，，，对拉伸试验提取效果绘制了如图15所示的抗拉强度条形图，，，，，，，拉伸断口如图16所示。。。。。。。。

对大气与真空情形焊接焊缝举行抗拉强度测试，，，，，，，发明拉伸试件所有断裂于母材部位，，，，，，，说明焊缝的强度优异且高于母材，，，，，，，试件的抗拉强度为960~980MPa。。。。。。。。视察拉伸曲线发明，，，，，，，拉伸试件爆发弹性变形后进入屈服，，，，，，，但不保存显着的屈服台阶，，，，，，，直接进入塑性变形阶段并最终断裂。。。。。。。。

对焊缝断口举行剖析，，，，，，，断口形貌为呈网络状漫衍的韧窝，，，，，，，其形态细。。。。。。。。，，，，，匀称，，，，，，，且凹坑较深。。。。。。。。韧窝的形因素为朴陋、形核、生长、集聚和断裂4个历程。。。。。。。。在受较小作用力的时间，，，，，，，第二相粒子会阻碍位错的移动，，，，，，，当外力继续增大，，，，，，，位错最先泛起滑移，，，，，，，接着第二相粒子与晶粒疏散直至爆发裂纹撕裂，，，，，，，形成朴陋，，，，，，，导致裂纹的扩展。。。。。。。。这些朴陋在滑移和撕裂的作用下最终爆发断裂，，，，，，，形成凹坑形状。。。。。。。。视察发明，，，，，，，断口上有大宗细小的呈网状漫衍的韧窝，，，，，，，韧窝较为麋集。。。。。。。。因此，，，，，，，推断该焊接讨论拉伸试样的断口为韧性断口。。。。。。。。

2.6真空情形对焊缝质量影响缘故原由剖析

激光焊接属于熔焊要领，，，，，，，熔焊都是在焊接热源的作用下完成的，，，，，，，激光束就是激光焊接的热源，，，，，，，差别工艺参数下激光能量在焊缝各区域的漫衍爆发改变，，，，，，，导致整个焊缝各区域焊接热循环的改变，，，，，，，使得整个焊缝组织爆发改变。。。。。。。。真空情形激光焊接与通例激光焊接相比，，，，，，，焊接热循环的改变的影响因素主要有两方面，，，，，，，一方面是等离子体被抑制对激光能量的影响，，，，，，，一方面是情形压力改变对散热条件的影响。。。。。。。。

在通例激光深熔焊历程中，，，，，，，激光束照射在焊接质料外貌，，，，，，，使焊接质料在短时间内爆发强烈的气化征象，，，，，，，形成匙孔。。。。。。。。匙孔会向外喷出大宗的金属蒸气，，，，，，，这些金属蒸气中的金属气体原子以及保；；；；；て械钠宸肿踊嵩诩す獾母吣芰孔饔孟卤⒌缋耄，，，，，形成一团致密的光致等离子体。。。。。。。。等离子体对激光爆发折射、散射、吸收作用，，，，，，，使激光束的能量密度降低。。。。。。。。真空情形可以抑制焊接历程中的等离子体，，，，，，，镌汰由于等离子体折射、散射以及吸收造成的激光能量消耗，，，，，，，提高焊接历程热输入，，，，，，，进而增添焊缝熔深。。。。。。。。真空度改变会导致工件散热条件改变[15]。。。。。。。。在大气情形下，，，，，，，保；；；；；て牧鞫峒铀俸阜於ゲ慷粤骰蝗龋，，，，，冷却速率较快。。。。。。。。在真空情形下，，，，，，，由于真空度的提高，，，，，，，气体分子镌汰，，，，，，，对流换热的载体镌汰，，，，，，，散热效率也就会下降。。。。。。。。气体分子在真空舱内壁与试板之间举行对流换热，，，，，，，认真空度提高时，，，，，，，对流换热效率将逐渐降低直至靠近为0，，，，，，，散热大部分靠热辐射与热传导举行，，，，，，，试件的整体散热速率下降，，，，，，，焊缝冷却速率下降，，，，，，，使得焊缝组织转变，，，，，，，详细原理图如图17所示。。。。。。。。

3、结论

(1)真空情形可显着改善TC4钛合金激光焊接工艺特征，，，，，，，相较于大气情形，，，，，，，焊缝由“丁字”形变为“手指”形，，，，，，，焊缝熔深显著增添，，，，，，，焊缝外貌成形显着改善。。。。。。。。

(2)真空情形焊缝组织与大气情形焊缝组织种类差别不大，，，，，，，均为α′针状马氏体。。。。。。。。大气情形焊缝热影响区宽度大，，，，，，，保存更多α′针状马氏体。。。。。。。。真空情形下热影响区宽度显着减。。。。。。。。，，，，，从母材到焊缝晶粒逐渐长大，，，，，，，保存更多的α′针状马氏体。。。。。。。。

(3)无论是在大气情形照旧在真空情形下，，，，，，，整个焊缝的硬度趋势类似。。。。。。。。焊缝显微硬度呈马鞍形漫衍，，，，，，，焊缝处于高硬度区，，，，，，，大气情形焊缝平均硬度约为390HV，，，，，，，高于真空情形焊缝平均显微硬度360HV。。。。。。。。对焊缝举行抗拉强度测试，，，，，，，差别情形下焊缝的拉伸试件所有断裂于母材部位，，，，，，，试件的抗拉强度为960~980MPa。。。。。。。。

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第一作者：孟圣昊，，，，，，，博士研究生；；；；；；主要研究偏向为激光焊接手艺；；；；；； Email：mengshenghao2011@163.com.

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