前言

钛及钛合金因其具有密度低、高比强度、耐冷热性能好、抗阻尼性能强、抗攻击韧性高、耐疲劳性强及弹性模量低等优点，，，，，，，，且在宽温域及高温情形中具有较好力学性能，，，，，，，，被誉为航空航天航行器及装备的制造中不可或缺的质料[1-3]。。。。。。在钛合金零部件的加工制造历程中，，，，，，，，不可阻止的需要机械加工和毗连，，，，，，，，为了镌汰质料铺张和降低加工本钱，，，，，，，，熔焊手艺是一种降本增效的毗连工艺。。。。。。然而，，，，，，，，由于钛合金的高熔点，，，，，，，，且在高温下易于与氧、氮等化学元素爆发化学反应，，，，，，，，引起焊接裂纹和气孔等焊接缺陷[4]，，，，，，，，同时还会爆发延迟裂纹，，，，，，，，这是由于与氢元素爆发化学反应。。。。。。以是，，，，，，，，钛合金的焊接历程中保存严肃的挑战。。。。。。

关于钛合金质料和零部件，，，，，，，，古板的熔化焊接要领主要是钨极氩弧焊（TIG）[2]、熔化极气体；；；；；；ず福∕IG/MAG）[5]、等离子弧焊（PAW）[6-7]及电子束焊（EBW）[8]等要领。。。。。。TIG，，，，，，，，MIG/MAG保存焊接热输入大、焊接效率低、质料使用率较低、生产周期长等问题；；；；；；PAW虽然焊接效率较TIG，，，，，，，，MIG/MAG有所提升，，，，，，，，依然保存上述问题；；；；；；EBW能量密度高、焊接质量好，，，，，，，，可是需要在真空情形下作业，，，，，，，，抽真空大大的降低焊接效率。。。。。。激光焊作为一种新型的高能束焊接手艺，，，，，，，，具有高效率、高能量密度、讨论质量好、穿透能力强、焊接速率快、热影响区小及焊接变形小等优点，，，，，，，，因而，，，，，，，，关于钛合金构件，，，，，，，，接纳激光焊接手艺具有很大的优越性[9-11]。。。。。。不过，，，，，，，，焊缝的焊接质量受到焊接热循环的影响是一个重大的物理化学反应历程，，，，，，，，为了获得优异的焊接讨论，，，，，，，，需要探讨焊接工艺及焊接微观组织和力学性能的相互影响，，，，，，，，该文接纳光纤激光器对3mm TC4钛合金板材举行激光焊接试验，，，，，，，，研究了焊接讨论的显微组织、显微硬度及力学性能。。。。。。

1、试验质料与要领

试验选用德国IPG公司的光纤激光器，，，，，，，，装备型号为YLS-3000，，，，，，，，输出功率最大功率为3.0kW，，，，，，，，瑞利长度为10.3mm，，，，，，，，波长为1.07μm，，，，，，，，光纤直径为300μm，，，，，，，，离焦量为+10mm，，，，，，，，零离焦时的光斑直径为0.72mm。。。。。。试验质料接纳TC4钛合金薄板，，，，，，，，尺寸为100mm×50mm×3.0mm，，，，，，，，其化学因素见表1。。。。。。为了包管焊接试板干燥整齐，，，，，，，，焊前对钛合金薄板举行烘干、角磨机打磨、酒精洗濯去除外貌氧化膜和污染物。。。。。。焊接工艺参数见表2。。。。。。

试验完毕后，，，，，，，，对TC4钛合金试板线切割，，，，，，，，获取金相试样，，，，，，，，微观硬度试样和拉伸试样切割，，，，，，，，其中母材与焊接讨论的拉伸试样尺寸，，，，，，，，如图1(a)所示，，，，，，，，焊缝位于试样中心区域。。。。。。金相和SEM显微组织接纳Keller试剂侵蚀为HF:HNO₃:H₂O=1:5:44。。。。。。焊接讨论的物相使用X射线衍射仪（XRD）精准地举行定性及定量剖析，，，，，，，，测试参数：角度规模2θ=20°～100°，，，，，，，，扫描步长为0.02°。。。。。。在沿焊缝的横截面上以0.3mm的距离2.94N（300g）的力举行显微硬度测试，，，，，，，，测试15s。。。。。。室温拉伸试验在Zwick-Z100万能试验机上举行，，，，，，，，加载拉伸速率为0.5mm/min。。。。。。凭证GB/T2653—2008和GB/T2650—2008对焊接讨论举行弯曲与攻击性能测试，，，，，，，，其中攻击试样为55mm×10mm×2.5mm，，，，，，，，如图1(b)所示。。。。。。断口形貌接纳SEM举行视察，，，，，，，，团结EDS剖析夹杂物等。。。。。。

2、试验效果与讨论

2.1焊接工艺

差别激光功率下爆发的焊接讨论成形（正面和背面）形貌，，，，，，，，如图2所示。。。。。。当焊接速率为牢靠值（v=20mm/s）时，，，，，，，，随着激光功率（P<2.6kW）的增添，，，，，，，，焊缝的熔深逐渐增添，，，，，，，，从未焊透到烧穿，，，，，，，，爆发外貌凹槽等，，，，，，，，如图2(a)所示。。。。。。焊缝的熔宽增添，，，，，，，，泛起为近似线性纪律，，，，，，，，如图2(b)所示，，，，，，，，这是由于光致等离子体攻击匙孔，，，，，，，，反作用与匙孔周围的金属液向熔池的宽度偏向铺展所致。。。。。。激光焊道灼烁、雅观，，，，，，，，焊缝外貌未泛腾飞溅等缺陷，，，，，，，，这批注：通过优化激光焊接工艺可获得外貌质量较好的TC4焊缝。。。。。。

图3为焊接速率对焊接讨论成形的影响，，，，，，，，由HI=P/v可知，，，，，，，，焊接速率与激光功率对焊缝的成形具有反作用，，，，，，，，此处不做赘述。。。。。。经由工艺优化后，，，，，，，，在激光功率为2.8kW，，，，，，，，焊接速率为20mm/s，，，，，，，，离焦量为+5mm时，，，，，，，，可以获得激光焊接讨论宏观形貌优异，，，，，，，，成形雅观的焊缝，，，，，，，，焊道平滑、平整，，，，，，，，焊缝外貌无飞溅及无裂纹等缺陷，，，，，，，，如图4(a)～图4(b)所示。。。。。。图4(c)为激光焊接TC4讨论的X射线探伤效果。。。。。。磨练批注：焊缝成形优异，，，，，，，，内部无气孔、裂纹、未焊透等缺陷。。。。。。

2.2显微组织

图5为焊接讨论的宏观和微观显微组织形貌特征。。。。。。图5(a)为焊接讨论的显微组织形貌，，，，，，，，可分为3个区域，，，，，，，，划分为焊缝（WZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM）。。。。。。

图5(a)中Ⅰ区可发明焊缝区域内部形成了大宗的拉长的原始β晶粒（类似柱状晶粒），，，，，，，，如图5(b)和图5(e)所示。。。。。。原始β晶粒的内部析出长径比大的针状的马氏体(M)。。。。。。在焊接历程中，，，，，，，，焊接区域内部由下及上在一定规模内形成温度梯度，，，，，，，，高温β晶；；；；；；崴匙盼露忍荻鹊钠蚩焖偕，，，，，，，，最终形成柱状β晶粒。。。。。。当温度降低至低于β相转变温度(Tβ)时，，，，，，，，理论上会爆发β→α+β的固态相变，，，，，，，，但由于焊接讨论位置熔池区域较小，，，，，，，，熔体冷却速率极快，，，，，，，，导致高温β相来缺乏完成固态相转变形成α相，，，，，，，，而是仅仅爆发切边相变，，，，，，，，形成马氏体相。。。。。。在马氏体相形成历程中，，，，，，，，不爆发原子的扩散，，，，，，，，仅爆发原子近距离的迁徙。。。。。。图5(a)中Ⅱ区的热影响区中保存显着的组织转变的分界线，，，，，，，，靠近焊缝组织一侧的组织为内部散布着大宗马氏体相的β晶粒，，，，，，，，在靠近基体区域一侧为拉长的初生α晶粒，，，，，，，，如图5(c)和图5(f)所示。。。。。。此区域内的β晶粒尺寸显着小于焊缝区域中β晶粒尺寸，，，，，，，，主要是由于其靠近母材，，，，，，，，冷却速率较快导致的。。。。。。图5(a)中Ⅲ区母材中主要漫衍着被压扁拉长的初生α晶粒，，，，，，，，批注母材在钛合金双相区低温段爆发了塑性变形，，，，，，，，如图5(d)和5(g)所示。。。。。。

图6为母材和焊接讨论的显微组织。。。。。。母材为典范的变形组织，，，，，，，，两种形貌的α晶粒，，，，，，，，划分为大尺寸初生α晶粒和尺寸细小的再结晶等轴α晶粒。。。。。。初生α晶粒沿着变形的偏向被压扁拉长，，，，，，，，如图6(a)所示。。。。。。其中初生α晶粒的尺寸（宽度）为8.98μm，，，，，，，，再结晶晶粒的直径为2.46μm，，，，，，，，如图6(b)所示。。。。。。热影响的组织泛起针状马氏体交织排布的特征，，，，，，，，但马氏体的长度（长径比）显着小于焊缝区域。。。。。。这是由于焊接历程中热影响区的温度缺乏以导致合金母材熔化，，，，，，，，只能使α相转变为高温β相，，，，，，，，在冷却历程中，，，，，，，，针状马氏体从高温β相中析出，，，，，，，，由于此时过热度较小，，，，，，，，马氏体相转变的驱动力也较小，，，，，，，，导致马氏体相变规模减小，，，，，，，，最终获得长径较量小的马氏体相，，，，，，，，如图6(c)所示。。。。。。焊缝组织中的针状马氏体交织排布，，，，，，，，泛起典范的网篮组织特征，，，，，，，，内部的马氏体相具有极大的长径比，，，，，，，，宽度抵达亚微米级别，，，，，，，，这有利于焊接讨论部位抗拉强度和蠕变抗力的提升。。。。。。由于电焊熔池区域尺寸较小，，，，，，，，在冷却历程中，，，，，，，，熔池内部的高温熔体快速冷却，，，，，，，，β相来缺乏通过扩散转酿成平衡的α相，，，，，，，，而是通过原子整体有纪律的近程迁徙实现切变相变，，，，，，，，形成交织排布的针状马氏体相，，，，，，，，如图6(d)所示。。。。。。

2.3XRD物相

图7为TC4焊接讨论的XRD图谱。。。。。。XRD图谱中的衍射峰主要包括α?马氏体相差别晶面的衍射峰和微弱的β相（110）晶面的衍射峰。。。。。。以上批注，，，，，，，，焊缝位置的相组成为大宗的α?马氏体相和少量的高温残β相。。。。。。α?马氏体相的形成主要是由于焊接凝固阶段焊缝熔池内部的高温熔体的快速冷却导致，，，，，，，，且由切变相变获得的α?马氏体相界线处依然有少量高温β相残留。。。。。。焊接讨论部位大宗的α?马氏体相的形成致使焊接讨论微观硬度和抗拉强度增添。。。。。。

2.4显微硬度

图8为激光焊接讨论的显微硬度漫衍。。。。。。图8(a)为激光焊接讨论横向显微硬度漫衍，，，，，，，，母材显微硬度值约为360HV，，，，，，，，焊接讨论泛起为驼峰形态，，，，，，，，随着与焊缝中心距离的增添热影响的显微硬度逐渐增添；；；；；；在熔合线区域为硬度最大，，，，，，，，为400HV；；；；；；焊缝的硬度泛起了巨细浮动，，，，，，，，平均硬度约为385HV；；；；；；由于在热循环作用下，，，，，，，，焊缝凝固时泛原由素升沉、能量升沉引起爆发马氏体转变，，，，，，，，β相向针状α?相转变引起微硬度差别。。。。。。

图8(b)为激光焊接讨论的纵向显微硬度漫衍，，，，，，，，焊缝内部区域的硬度均大于母材区域，，，，，，，，团结显微组织和XRD剖析可知，，，，，，，，在激光焊接历程中，，，，，，，，焊缝中形成大宗具有高的位错密度和孪晶的针状α?马氏体的形成引起的。。。。。。

2.5讨论力学性能

为了验证激光焊接讨论的力学性能的优越性，，，，，，，，接纳对焊接讨论举行室温拉伸测试试验，，，，，，，，测试依据为国家标准GB/T2651—2008《焊接讨论拉伸试验要领》测试焊接讨论的综合性能指标，，，，，，，，抗拉强度、屈服强度与断后伸长率等，，，，，，，，最佳工艺参数下的焊接讨论及母材的应力?位移图，，，，，，，，如图9所示。。。。。。焊接讨论的抗拉强度为1030MPa，，，，，，，，屈服强度为937MPa，，，，，，，，断后伸长率达9%，，，，，，，，焊接母材的抗拉强度为1036MPa，，，，，，，，屈服强度为941MPa，，，，，，，，断后伸长率达8.5%，，，，，，，，断裂位置均位于母材区域，，，，，，，，比照拉伸数据批注：激光焊接能够获得优越力学性能的焊接讨论。。。。。。

图10为焊缝拉伸断口形貌。。。。。。断口处差别区域的微观形貌均泛起出韧窝特征。。。。。。关于差别的区域的韧窝的巨细纷歧致，，，，，，，，试板外貌爆发撕裂，，，，，，，，断口约为45°，，，，，，，，剪切断口位置泛起细小塑性等轴的韧窝，，，，，，，，如图10(b)所示；；；；；；在焊缝中心的断面崎岖不平且泛起台阶性形貌，，，，，，，，韧窝深度巨细差别，，，，，，，，说明断裂泛起为韧性断裂，，，，，，，，如图10(c)和图10(d)所示。。。。。。这说明：激光焊接能够获得优越力学性能的焊接讨论，，，，，，，，且能够获得韧窝特征的断口形貌。。。。。。

凭证GB/T2653—2008《焊接讨论弯曲试验要领》对焊接讨论举行弯曲性能测试，，，，，，，，测试曲线和测试效果如图11和表3所示，，，，，，，，焊缝的正弯和背弯在弯曲角10°时没有发明目测微裂纹，，，，，，，，批注：焊接讨论的塑性优异。。。。。。

凭证GB/T2650—2008《焊接讨论攻击试验要领》，，，，，，，，对焊接讨论的差别位置（母材、热影响区和焊缝）举行测试，，，，，，，，每种试样做3个并取平均值，，，，，，，，试验效果如图12所示。。。。。。母材（BM）的攻击性能为7.4J，，，，，，，，高于热影响区（HAZ）和焊缝（WZ），，，，，，，，其中焊缝的攻击性能最低（3.5J）。。。。。。这是由于攻击性能与对应的微观组织亲近相关，，，，，，，，母材区域主要是由等轴的细小α晶粒组成，，，，，，，，而焊缝区域主要为α?马氏体，，，，，，，，而热影响区的攻击性能为6.1J，，，，，，，，由于热影响区爆发了部分组织演变，，，，，，，，因而攻击性能介于母材和焊缝之间。。。。。。

3、结论

（1）激光焊接TC4钛合金能够或的优异的焊缝成形，，，，，，，，焊缝成形雅观平整，，，，，，，，内部无气孔、裂纹、未焊透等缺陷。。。。。。

（2）焊接讨论由母材、热影响区和焊缝组成。。。。。。母材为典范的变形组织，，，，，，，，大尺寸初生α晶粒和尺寸细小的再结晶等轴α晶粒。。。。。。热影响区泛起针状α?马氏体交织排布。。。。。。焊缝组织泛起典范的网篮组织，，，，，，，，为大宗的α?马氏体相和少量的高温残留β相。。。。。。

（3）焊接讨论显微硬度成驼峰漫衍，，，，，，，，由母材到热影响区逐渐增添，，，，，，，，熔合线显微硬度最大，，，，，，，，为400HV。。。。。。焊缝内部区域的硬度均大于母材区域，，，，，，，，这是由于焊缝中形成大宗具有高的位错密度和孪晶的针状α?马氏体的形成。。。。。。

（4）焊接讨论的抗拉强度为1030MPa，，，，，，，，屈服强度为937MPa，，，，，，，，断后伸长率达9%，，，，，，，，与母材相当，，，，，，，，断裂位置位于母材区域，，，，，，，，断口形貌均泛起为韧性断裂模式，，，，，，，，显微组织泛起出巨细纷歧的等轴性韧窝形貌。。。。。。弯曲性能测试批注：焊接讨论的塑性优异；；；；；；攻击性能测试批注：母材的攻击性能高于热影响区和焊缝，，，，，，，，其中焊缝的攻击性能最低（3.5J）；；；；；；这是由于焊缝主要是由大宗的α?马氏体相组成。。。。。。

参考文献

［1］Ou Peng, Cao Zengqiang, Hai Minna, et al. Microstructure and mechanical properties of K-TIG welded dissimilar joints between TC4 and TA17 titanium alloys[J]. Materials Characterization, 2023, 196: 112644.

［2］Zhu Rongtao, Ma Shu, Wang Xiang, et al. Effect of ultrasonic surface rolling process on hydrogen embrittlement behavior of TC4 laser welded joints[J]. Journal of Materials Science,2022, 57: 11997 ? 12011.

［3］Pang Xiaotong, Xiong Zhihui, Sun Junhao, et al. Enhanced strength-ductility synergy in laser additive manufactured TC4 titanium alloy by grain refinement[J]. Materials Letters,2022, 326: 132949.

［4］Wang Zhiwei, Shen Junqi, Hu Shengsun, et al. Investigation of welding crack in laser welding-brazing welded TC4/6061 and TC4/2024 dissimilar butt joints[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 60: 54 ? 60.

［5］Liu Huan, Cheng Zhi, Huang Jihua, et al. Feasibility study of different filler metals on MIG-TIG double-sided arc brazing of titanium alloy-stainless steel[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2019, 47: 183 ? 191.

［6］Yang Mingxuan, Zheng Hao, Qi Bojin, et al. Effect of arc behavior on Ti-6Al-4V welds during high frequency pulsed arc welding[J]. Journal of Materials Processing Techno-logy, 2017, 243: 9 ? 15.

［7］Li Tianqing, Chen Lu, Zhang Yu, et al. Metal flow of weld pool and keyhole evolution in gas focusing plasma arc welding[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2020, 150: 119296.

［8］Li Jianing, Li Jishuai, Qi Wenjun, et al. Characterization and mechanical properties of thick TC4 titanium alloy sheets welded joint by vacuum EBW[J]. Vacuum, 2019, 168:108812.

［9］Chen Jintao, Li Haizhou, Liu Yingzong, et al. Deformation behavior and microstructure characteristics of the laser-welded Ti-6Al-4V joint under variable amplitude fatigue[J].Materials Characterization, 2023, 196: 112606.

［10］Hao Xiaohu, Dong Honggang, Xia Yueqing, et al.Microstructure and mechanical properties of laser welded TC4 titanium alloy/304 stainless steel joint with (CoCrFeNi)100-xCux high-entropy alloy interlayer[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 803: 649 ? 657.

［11］孟圣吴, 司昌健, 任逸群, 等. 中厚板 TC4 钛合金真空情形激光焊接特征 [J]. 焊接学报, 2021, 42(8): 40 ? 47.

Meng Shenghao, Si Changjian, Ren Yiqun, et al. Study on laser welding characteristics of thick wall TC4 titanium alloy in vacuum environment[J]. Transactions of the China Welding Intuition, 2021, 42(8): 40 ? 47.

第一作者： 张 世 伟 ，，，，，，，， 博 士 ，，，，，，，， 工 程 师 ；；；；；； 主 要 从 事 金 属 材 料 焊接 与 连 接 技 术 及 电 弧 增 材 制 造 技 术 的 研 究；；；；；；

zswhit@126.com。。。。。。

本文引用名堂：

张世伟, 王珏, 佀勤学, 等. TC4 钛合金激光自熔焊焊接组织及性能[J]. 焊接, 2024（6）：33 ? 39, 46.

Zhang Shiwei, Wang Jue, Si Haoxue, et al. Microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy by autogenous laser welding[J].Welding & Joining, 2024（6）：33 ? 39, 46.

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