1、序言

钛合金因其具有比强度高、耐高温、耐侵蚀等特点，，，，，，，使其在航空航天、石油化工、船舶制造、生物医药等领域获得普遍应用[1-3]。。。。。由于钛合金原质料本钱较高，，，，，，，外洋70%-80%的钛合金质料用于航空航天领域，，，，，，，我国航空航天领域对钛合金的需求也特殊大，，，，，，，现在我国先进航行器的钛合金用量在20%-30%左右，，，，，，，而飞机发念头上的钛合金用量甚至在30%以上。。。。。随着飞机设计理念逐渐向轻量化、长寿命偏向生长，，，，，，，钛合金的应用将进一步扩大。。。。。在航空航天等领域，，，，，，，钛合金大都为飞机的蒙皮、承力框、钣金零件的形式泛起。。。。。而关于钛合金的毗连手艺，，，，，，，主要以焊接、铆接为主，，，，，，，其中焊接要领主要由激光焊、电子束焊、等离子弧焊和钨极氩弧焊等[4-6]。。。。。

需凭证零件的差别，，，，，，，选择合适的毗连要领实现零件的整体化制造。。。。。

激光焊接手艺，，，，，，，作为现代制造业中的一项先进手艺，，，，，，，依附其奇异的优势和普遍的应用领域，，，，，，，正在逐渐成为工业制造的主要工具。。。。。激光焊接手艺使用高能量的激光束作为热源，，，，，，，对工件举行局部加热，，，，，，，使工件内部熔化并快速冷却，，，，，，，从而实现零件的焊接。。。。。与古板的焊接要领相比，，，，，，，激光焊接手艺具有焊接速率快、变形小、焊接强度高等优点，，，，，，，更高的能量密度和更精准的成形控制，，，，，，，使其成为零件的高质量毗连主要手艺之一。。。。。

现在钛合金激光焊接手艺已被企业、高校、科研院所普遍研究[7-9]，，，，，，，尤其在钛合金薄壁零件激光焊接领域，，，，，，，其中主要包括钛合金对接焊、T型焊等，，，，，，，质料主要由TC4[10,11]、TC6[12]、TC11[13]、TA1[14]、TA4[15]、Ti75[16]等，，，，，，，探索的偏向主要有焊缝的组织、焊接讨论性能、变形控制等领域。。。。。而关于钛合金激光点焊手艺的研究相对较少，，，，，，，吕涛[17]等人研究了差别焊点形状对TC4钛合金力学性能的影响，，，，，，，以为焊点的抗剪载荷与熔合面面积有关，，，，，，，双排断续焊点具有更高的抗剪载荷。。。。。陶汪[18]等人对304不锈钢激光点焊工艺举行了研究，，，，，，，探明晰激光功率、焊接一连时间、离焦量和间隙对焊点形态及尺寸的影响纪律。。。。。

孙逸铭[19]等人对TC4钛/5052铝异种金属激光点焊工艺特征开展了研究，，，，，，，剖析了工艺参数对缩孔、气孔、裂纹等缺陷的影响。。。。。汪芦婷等人[20]接纳脉冲激光对GH4145激光点焊工艺举行了探索，，，，，，，效果外貌讨论处拉伸剪切力、硬度均低于母材,功率增大有助于提高讨论的抗拉强度。。。。。

综上所述，，，，，，，现在对TC4钛合金激光点焊的研究较少，，，，，，，且研究内容简单。。。。。

本文将接纳一连激光对TC4钛合金的激光点焊工艺开展研究，，，，，，，探讨焊接功率、焊接速率、离焦量对焊点熔核直径、外貌质量和力学性能的影响，，，，，，，使用场发射扫描电镜对焊点组织举行视察剖析。。。。。

2、试验

2.1试验质料

试验质料为1.2mm和1.5mm厚度的TC4钛合金板材，，，，，，，其化学因素如表1所示。。。。。接纳激光切割制件，，，，，，，尺寸为25mm×100mm×1.2mm和25mm×100mm×1.5mm，，，，，，，搭接区面积为25mm×25mm，，，，，，，焊点位于搭接区域中心，，，，，，，上板厚度为1.2mm，，，，，，，下板厚度为1.5m，，，，，，，搭接形式见图1。。。。。

2.2试验焊接

激光点焊试验使用TRUMPF-6001光纤激光器，，，，，，，发射波长为1030nm、光束质量为8mm·mrad，，，，，，，光纤芯径为200μm，，，，，，，光斑直径为0.64mm、焦距为310mm。。。。。；；；；等丝刂葡低澄狵ukaKR-C4，，，，，，，重复定位精度≤±0.05mm，，，，，，，通过KUKASmartPAD示教器对焊点填充轨迹举行编程。。。。。焊接历程接纳专用夹具，，，，，，，可包管上下板材搭接区间隙≤0.1mm，，，，，，，激光焊枪轴线与零件外貌笔直，，，，，，，焊接前，，，，，，，需对搭接区举行机械打磨，，，，，，，经丙酮擦拭后装置到激光点焊夹具上。。。。。焊接熔池主要依赖焊枪的摆动完成填充，，，，，，，轨迹形式为螺旋线，，，，，，，凭证现实履历，，，，，，，螺旋线直径与熔核直径呈正相关，，，，，，，参考HB5427-89《钛及钛合金电阻点焊和焊缝质量磨练》，，，，，，，1.2mm+1.5mm，，，，，，，熔核直径不应小于4.5mm，，，，，，，因此设置螺旋线外圆直径为4.5mm，，，，，，，旋转圈数设置为4周，，，，，，，经盘算得螺距为0.5mm，，，，，，，轨迹示意图见图2所示。。。。。

激光点焊的主要工艺参数为激光功率、离焦量和焊接速率，，，，，，，激光功率转变的步长为10W，，，，，，，离焦量转变的步长为1mm，，，，，，，焊接速率转变的步长为0.01m/s，，，，，，，对1.2mm+1.5mm组合的TC4钛合金举行工艺试验，，，，，，，详细试验参数见表2。。。。。参考HB5427-89《钛及钛合金电阻点焊和焊缝质量磨练》，，，，，，，评价激光焊点质量的方法主要有焊点外貌凹陷值（S≤0.18mm）、熔核直径（D≥4.5mm）及拉伸-剪切性能（I≥8.336kN/点），，，，，，，试验接纳简单变量法，，，，，，，主要影响因素及水平如表2所示。。。。。

2.3金相试验

将焊点沿中心线横向剖开，，，，，，，接纳环氧树脂将其镶嵌好，，，，，，，待凝固后接纳SiC砂纸打磨截面至2000目，，，，，，，然后举行抛光处置惩罚，，，，，，，再举行超声波洗濯，，，，，，，最后用无水乙醇擦拭后封存。。。。。接纳OlympusOLS4000激光共聚焦3D显微镜对截面举行金相视察。。。。。

2.4性能试验

用Landmark100质料试验机对差别参数讨论举行拉伸-剪切试验，，，，，，，拉伸速率设定为15mm/min，，，，，，，参照GB/2651-2008《焊接讨论拉伸试验要领》，，，，，，，划分对差别试验参数的试验件举行拉伸-剪切试验。。。。。接纳撕破试验，，，，，，，测定差别焊接参数条件下的熔核直径。。。。。接纳深度千分尺测定焊点外貌凹陷深度，，，，，，，精度0.001mm。。。。。

3、效果与剖析

3.1焊点组织剖析

图3为激光点焊在最佳参数条件下的焊点正图和剖面图，，，，，，，焊点为圆形，，，，，，，外貌呈银白色金属光泽，，，，，，，外貌平滑无咬边，，，，，，，无显着凹陷。。。。。焊点剖面图整体呈半球形，，，，，，，焊点外貌宽度约为8mm，，，，，，，熔深约为2mm，，，，，，，随着熔深的增添，，，，，，，熔池宽度逐渐减。。。。。，，，，，，在两层中心位置熔池有显着的缩短征象，，，，，，，主要由于搭接间隙阻碍了热量向下层转达。。。。。焊点的剖面图可分为熔融区、热影响区和母材区三个区域。。。。。母材区域主要由典范的α相和β相组成，，，，，，，尺寸较为匀称。。。。。热影响区域靠近母材一侧的主要为细晶区，，，，，，，靠近熔融区一侧的主要为粗晶区，，，，，，，粗晶区主要由α相、针状马氏体α’相和β相，，，，，，，这是由于热影响区距热源中心位置距离差别，，，，，，，温度差别较大导致的。。。。。在熔融区，，，，，，，主要由针状马氏体α’相和β相组成，，，，，，，且β相的晶粒显着要大一些，，，，，，，与热影响区相比，，，，，，，熔融区中针状马氏体α’相是数目更多，，，，，，，这主要是由于激光焊接的历程中，，，，，，，熔池温度远高于TC4钛合金中β相转变温度（975℃），，，，，，，当温度高于975℃时，，，，，，，母材中的α相完全转化为β相，，，，，，，当激光关闭后，，，，，，，熔池急速冷却，，，，，，，其冷却速率远大于α相的临界冷却速率，，，，，，，没有充分的条件使得α相再次析出，，，，，，，取而代之的大宗的粗大针状马氏体α’相，，，，，，，最终以α’+β相冷却至室温。。。。。

3.2离焦量对焊点质量的影响

在钛合金激光点焊历程中，，，，，，，为实现两层薄板之间高质量毗连，，，，，，，需通过调解激光束的焦点位置来改善激光的穿透性。。。。。当激光束的焦点在事人情之上，，，，，，，界说为正离焦，，，，，，，数值为正，，，，，，，当激光束的焦点在事情外貌之下，，，，，，，界说为负离焦，，，，，，，如图4所示。。。。。离焦量的巨细直接决议了激光光斑的直径和能量密度。。。。。当离焦量向负偏向或正偏向增添时，，，，，，，光斑直径会增大，，，，，，，而能量密度则会降低。。。。。相反，，，，，，，当离焦量向焦点偏向靠近时，，，，，，，光斑直径减。。。。。，，，，，，能量密度增高。。。。。这种转变对焊点的熔深和熔宽爆发直接影响。。。。。合理控制离焦量，，，，，，，可准确控制整个焊点的熔深，，，，，，，确保熔深位置在底层薄板厚度的中心而非穿透，，，，，，，这样可有用包管焊点背部平整、平滑。。。。。

激光功率为830W，，，，，，，焊接速率为0.06m/s时，，，，，，，差别离焦量下1.2mm+1.5mm组合的TC4板材焊点熔合宏观形貌和熔核直径转变如图5所示。。。。。

由图5可知，，，，，，，熔核形貌主要呈圆形或近圆形，，，，，，，当离焦量为0mm时，，，，，，，熔核尺寸最大，，，，，，，但形貌更不规整，，，，，，，其主要由于在焦点位置焊接，，，，，，，熔池温度较高，，，，，，，在焊枪快速按螺旋线轨迹运动时，，，，，，，熔池搅拌强烈所导致。。。。。；；；；诖耍，，，，，，当事人情远离焦点时，，，，，，，熔池更为稳固，，，，，，，从-1，，，，，，，+1，，，，，，，+2mm离焦量条件下可以看出，，，，，，，熔核更趋于圆形，，，，，，，说明该条件下熔宽和熔深更匀称。。。。。当离焦量继续增添时，，，，，，，激光束的穿透能力衰减，，，，，，，熔深随之降低，，，，，，，上板的液态金属不可完全润湿下板，，，，，，，导致熔核尺寸。。。。。，，，，，，形状不规则。。。。。熔核尺寸呈先增大后减小的趋势，，，，，，，在+2mm和-2mm的离焦量下，，，，，，，熔核尺寸和形貌最优异，，，，，，，在控制其他参数稳固时，，，，，，，更倾向于选择合适的负离焦量，，，，，，，主要由于负离焦量的情形下，，，，，，，焦点在事人情以下，，，，，，，从事人情向下，，，，，，，激光束的能量密度是越来越高的，，，，，，，在包管合适熔宽的同时更有利于包管激光焊点的熔深。。。。。

3.3激光功率对焊点质量影响

激光功率是影响焊点质量的要害因素之一，，，，，，，激光功率的巨细直接决议焊接历程中的能量密度，，，，，，，大功率使得焊接质料能在更高温度下快速熔化，，，，，，，从而实现更深的熔深和更宽的熔宽。。。。。过高的激光功率会太过烧损焊缝区的合金元素，，，，，，，导致焊缝的强度和机械性能下降，，，，，，，而过低的激光功率则会导致焊点未熔透，，，，，，，无熔核形成进而影响焊接质量。。。。。当离焦量为-2mm、焊接速率为0.06m/s，，，，，，，激光功率划分为850W、860W、870W、880W、890W、900W时，，，，，，，激光焊点的熔核尺寸依次为4.08mm、4.52mm、5.06mm、5.16mm、5.51mm、5.58mm，，，，，，，其1.2mm+1.5mm组合下，，，，，，，标准最小熔核尺寸为4.50mm，，，，，，，差别激光功率下的焊点熔核形貌及尺寸如图6所示。。。。。

可知，，，，，，，随着激光功率的增添，，，，，，，熔核直径呈增添趋势，，，，，，，并且熔核的规则水平也趋于优异，，，，，，，激光功率越高，，，，，，，熔池温度越高，，，，，，，熔池内金属液流动更好，，，，，，，热量能够更好地转达到下板，，，，，，，且润湿性较好，，，，，，，而熔核直径则由刚熔透、小而不规则的熔核逐渐变为趋于螺旋线外径极限的圆形规则熔核。。。。。

激光功率不但影响焊点的熔核尺寸，，，，，，，并且对焊点外貌凹陷也有一定的影响，，，，，，，当离焦量为-2mm、焊接速率为0.06m/s，，，，，，，激光功率划分为900W、910W、920W、930W时，，，，，，，焊点外貌凹陷划分为0.22mm、0.21mm、0.19mm、0.26mm，，，，，，，差别激光功率下的焊点外貌情形如图7所示。。。。。

由图可知，，，，，，，焊点外貌凹陷值先降低后增添，，，，，，，当功率为920W时效果最佳。。。。。激光功率增添，，，，，，，可有用提高熔池流动性，，，，，，，也使得金属液向下渗透，，，，，，，进而焊点更趋于平整，，，，，，，但当功率过高时，，，，，，，熔池流动性太好，，，，，，，甚至呈欢喜状态，，，，，，，在熔池快速冷却时，，，，，，，欢喜的金属液没来得及恢复平整便已凝固，，，，，，，进而导致熔池呈旋涡状，，，，，，，其旋涡中心位置凹陷较深，，，，，，，降低了焊点外貌整体质量。。。。。

3.4焊接速率对焊点质量影响

焊接速率是影响激光束能量密度的要害因素之一，，，，，，，通常情形下，，，，，，，激光能量密度由激光功率、激光作用时间和激光作用面积配合决议，，，，，，，其中激光作用面积，，，，，，，即激光光斑直径与焊道长    度的乘积，，，，，，，详细公式如下：

其中E为激光能量密度，，，，，，，P为激光功率，，，，，，，S为激光作用面积，，，，，，，d为激光光斑直径，，，，，，，v为焊接速率。。。。。由公式可知，，，，，，，在离焦量一定的条件下，，，，，，，光斑直径为定值，，，，，，，激光功率与焊接速率成反比例。。。。。

离焦量为-2mm，，，，，，，焊接速率为0.04mm/s、0.05mm/s、0.06mm/s，，，，，，，激光功率为900W、910W、920W、930W时，，，，，，，焊点外貌质量及凹陷值如图8所示。。。。。由图可知，，，，，，，随着焊接速率增添，，，，，，，焊点外貌凹陷情形显着获得改善，，，，，，，但响应的，，，，，，，焊点外貌直径逐渐变小。。。。。由于激光能量密度的差别，，，，，，，可分为激光热导焊和激光熔深焊，，，，，，，在激光功率一准时，，，，，，，焊接速率的加速导致激光束作用在焊点外貌的能量密度降低，，，，，，，焊接模式由激光熔深焊转变为激光热导焊，，，，，，，使得熔池整体温度降低，，，，，，，进而导致熔宽变窄。。。。。

3.5力学性能剖析

在离焦量为-2mm，，，，，，，焊接速率为0.06m/s的条件下，，，，，，，对差别焊接功率对抗剪试样举行了最大拉剪力试验，，，，，，，测试的效果及对应的熔核尺寸关系图见图9。。。。？？？？？梢钥闯觯，，，，，，随着输出功率的逐渐增添，，，，，，，激光焊点的焊接讨论所能遭受剪切力的能力逐渐增添，，，，，，，在860W以上的试样，，，，，，，其抗剪强度值均知足标准要求。。。。。相对应的熔核直径的转变纪律与抗剪强度的转变基本坚持一致，，，，，，，这说明抗剪强度的巨细基本取决于熔核直径的尺寸巨细。。。。。

为了比照激光点焊与电阻点焊两种钛合金常用毗连工艺的抗剪强度，，，，，，，在包管熔核直径一致（均为5.5±0.2mm）的条件下，，，，，，，划分举行了5组比照试验，，，，，，，其中激光点焊的工艺参数是焊接功率为900W，，，，，，，离焦量为-2mm，，，，，，，焊接速率为0.06m/s；；；；；电阻点焊的工艺参数是电极压力为3.3kN，，，，，，，预压时间为0.02s，，，，，，，焊接时间为0.14s，，，，，，，焊接电流为5.8-6.0kA，，，，，，，保压时间为0.01s，，，，，，，电极直径为7mm。。。。。划分对两种毗连工艺的试验举行抗剪强度测试，，，，，，，测试效果如图10所示。。。。。由图可知，，，，，，，激光点焊和电阻点焊的抗剪强度均知足标准要求，，，，，，，其中电阻点焊的抗剪强度要比激光点焊的抗剪强度横跨26.5%，，，，，，，这主要由于两种工艺原理的差别性，，，，，，，电阻点焊在焊接历程中使用坚持压力，，，，，，，且熔核呈上下等宽的贯串状，，，，，，，而激光点焊在焊接历程中仅依赖金属液的重力及激光的攻击力来实现熔核的形成，，，，，，，且熔核成半圆形，，，，，，，且不贯串，，，，，，，因此性能要稍差一些，，，，，，，但激光点焊能够有用包管焊点背面无任何压痕，，，，，，，这也是电阻点焊无法实现的，，，，，，，因此，，，，，，，两种手艺可凭证零件需求举行选择，，，，，，，均可包管零件的有用毗连。。。。。

4、结论

本文通过激光点焊试验对TC4钛合金板举行的工艺试验，，，，，，，并接纳场发射扫描电子显微镜、光学显微镜、抗剪强度试验等手段，，，，，，，剖析了离焦量、焊接功率和焊接速率对焊点内部、外貌质量和力学性能的影响纪律，，，，，，，并得出以下结论：

（1）离焦量越靠近焦点时，，，，，，，激光点焊的熔核直径越大，，，，，，，但在焦点处焊接，，，，，，，对焊点外貌凹陷的影响较大；；；；；激光功率越高，，，，，，，熔核直径越大，，，，，，，激光点焊试验的力学性能越好。。。。。

（2）焊接速率有利于改善焊点的外貌质量凹陷情形，，，，，，，焊接速率越快，，，，，，，作用在焊点外貌的能量密度越低，，，，，，，焊点外貌直径越。。。。。，，，，，，外貌凹陷越小。。。。。

（3）通过比照激光点焊和电阻点焊试样抗剪强度性能，，，，，，，在相同熔核尺寸条件下，，，，，，，电阻点焊的抗剪强度要高于激光点焊抗剪强度26.5%，，，，，，，但激光点焊具有焊点背面无压痕的优势。。。。。

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