1、钛合金及其利用

为了提高飞行器机能，降低自身沉量，航空航天及车辆造作等领域越来越多地使用新资料、新结构
。钛合金资料因其拥有幼密度、高比强度、高比模量、高靠得住性等特点，同时有优良的耐侵蚀机能、耐热机能、中温强度和低温韧性，且比不锈钢质轻，被宽泛利用于各个领域产品的造作中，成为各先进飞机造作的首要金属 选材
。其中，TC4（Ti-6Al-4V）钛合金是一种α+β型双相钛合金，经热处置后拥有优良的综合力学机能，强度较高，塑性优良，屈服强度超过900MPa，在钛合金行业中的使用量占到60%左右
。例如，在某机型中，钛合金用量占结构总质量的41%，TC4钛合金占其中的86%
。钛合金的焊接结构，由于TC4钛合金的可焊性较好，其焊接组件多用于承力结构、发起机结构及高温环境工作的复杂结构
。

2、激光焊接技术

激光焊接工艺利用高能量密度的激光束作为热源，拥有热输入量较幼、能量密度较高、焊接变形幼蹬着点
。由于激光焊接加热和冷却均以极快的速度实现，焊缝凝固形成的晶；嵩椒⒚暧
。

搭接接头的激光穿透焊接技术是一种新鲜而怪异的激光焊接工艺，它利用激光束对双层搭接板材进行熔融穿透，实现双层资料之间的冶金衔接
。与传统的对接结构焊接成形工艺相比，该技术可能实现双层资料的单面焊接双面成形，且能有效保险蒙皮的表表齐全性，因而可利用于对表表气动表形齐全性、结构齐全性要求较高的领域；同时该项技术拥有出产效能高、焊缝成形成效好、衔接结构减沉显著蹬着点
。

目前已有的有关钻研重要集中在不锈钢或铝合金板的搭接激光焊接方面
。杨茹娟[1]针对6016铝合金板 搭接接头摆动激光焊接时易出现裂纹的问题，进行了非线性瞬态热传导过程分析，成立了薄板铝合金搭接 接头摆动激光焊接熔池传扰纂流动行为的数值分析模型，并定量分析了从激光靠近时，起头溶解的幼熔池到 蒸发反作使劲足够大时，熔池产生幼孔以及幼孔的描摹与地位变动的过程；白陈明等[2]针对换热器板片电阻点焊引起的飞溅问题，提出了奥氏体不锈钢的非熔透型激光叠焊步骤，试验发现低焊接速度和高激光功率均导致焊缝表表不平坦和飞溅等景象，低；て辶髁康贾潞阜焐媳肀聿趸，而；て辶髁抗蟮

致结合面宽度变窄并降低焊缝的力学机能，超声辅助能够显著降低焊缝气孔率；张帆等[3]钻研了搭接间隙对光纤激光焊接镀锌钢板焊缝成形和接头机械机能的影响，分析了预留间隙法解决镀锌钢板搭接激光焊中高压锌蒸气对焊缝的不良影响的机理，钻研了局批注，对于1.35mm板厚的HC260LAD+Z100MB镀锌钢板搭接激光焊，间隙大于0.1mm时能够很好地抑造锌蒸气造成的焊接缺点，间隙约为0.15mm时焊缝熔深达到最大值，而4kW激光功率对间隙的容忍度较大
。

对于双层钛合金板的搭接激光焊接技术，尚未有深刻索求，关于钛合金双层结构对焊接参数与缺点节造的问题还短缺钻研
。文章针对双层TC4钛合金薄板激光焊接接头，钻研了分歧焊接参数对焊缝宏观成形、焊接变形及焊缝质量的影响，从而对有关结构的激光焊接现实出产有肯定的领导意思
。

3、试验资料及步骤

3.1试验资料

试样的资料选取厚度为1.0mm、2.0mm的TC4钛合金薄板，沉叠为1.0+2.0的搭接接头，如图1所示
。

3.2焊接规划

文章选取激光穿透焊接工艺，使用激光束将沉叠的两层板材同时穿透
。试验选取的焊接参数，如表1所示
。

3.3仿照仿真

从激光焊接的现实机理启程，基于激光热源模型成立的思想，让热源的热流密度重要集中于匙孔周围，得到了与现实熔池描摹类似度较高的激光热源模型
。选取高斯圆柱体热源和面热源叠加的热源模型，组合热源模型体现了能量在厚度方向上的衰减法规，既能表征熔池状态，又能体现幼孔穿透效应[4]
。

文章选择弹塑性有限元模型，选用的试验件几何模型如图2所示，选取的焊接方向如图3所示
。对于弹塑 性有限元法的非线性求解过程，选择非线性求解能力较强的有限元仿照软件MSC.Marc
。

4、试验了局分析

4.1仿真了局

4.1.1焊接温度场

热循环曲线，如图4所示.由图4可知当焊接热源移动至采样点地点横截面处，各点温度险些同时起头上升
。但分歧地位节点升温速度分歧，距焊缝中心距离由远到近，升温速度逐步增大，其中，焊缝中心的升温速度远高于焊缝边缘，而距焊缝中心较远处的金属升温极度缓慢
。

在整个热循环曲线中，焊缝中心的温度峰值最高，达到了2948.21℃，而焊缝边缘的温度显著较其更低，最 高温度仅为804.65℃，这是由于激光加热作用高度集中
。而在随后的冷却阶段，焊缝区域的温杜字迅速降低
。

4.1.2焊接变形仿真

焊接变形会直接影响焊件的状态与尺寸精度，更为严沉时还会影响其装配或服役成效
。利用数值仿照的步骤预测构件焊后变形，可优化焊接方向和焊接挨次，从而达到减幼变形的主张
。焊接方向别离选取从一端到另一端、从两端到中央、从中央到两端三种
。其中，从中央向两端焊接时，其最大变形幼于其他两种焊接方向
。从中央向两端焊接时，试验件焊接变形情况，焊后整体最大变形为1.53mm，X方向（沿焊缝方向）的最大变形为0.10mm，Y方向的最大变形仅为0.09mm
。由此可得焊接变形重要是Z向变形，且中部部位的变形最大
。

4.2焊接接头宏观描摹

由于双层板的焊接必要较大的功率，导致焊缝正面的宽度较宽
。经丈量，焊缝正面均匀宽度约6mm，背面均匀宽度约2mm
。同时，由于焊接热输入较大，焊缝正面两侧的咬边也较为显著
。

焊缝正面的起点均有较显著的凸起，而终点均有显著的凹陷
。这是由于激光焊接过程中，试件表表在激光 束直接照射下受热迅速升温，体积产生膨胀
。由于激光束的能量密度比力集中，周围资料温度梯度较大，对直接照射区形成压应力；当激光束持续移作为用，试件表表温度持续升高、压应力增大，而资料的屈服极限随升温而降低，当其降低到肯定水平，屈服极限幼于周边压应力，将造成熔池上表表左近资料产生屈服变形，在压应力作用下向焊缝处荟萃，当激光束移动脱离后，此处冷却，并产生堆积
。而对于双层板材的穿透焊接，其焊接肇始点的幼孔尚未不变形成，熔池的流动处于过渡状态，其资料堆积就更显著
。而对于焊缝终点，其是激光束关关的地位，其热输入较焊缝起点和中央相比更幼，且熔池未能充分流动，资料不及以填充熔池，因而产生凹陷
。

4.3焊接接头微观描摹

对焊缝、扰装响区及母材进行金相检测，观察其显微组织特点，得到的金相组织，如图5所示
。

TC4钛合金退火状态的母材，显微组织描摹是典型的等轴α+β两相合金，组织中晶粒藐幼，以α相为基体，β相散布在α相天堑处，组织的晶粒均呈等轴或拉长状，如图5（a）所示
。

焊缝熔合区中心部位组织出现了较大的转变，在等轴的α+β基体组织内部析出了针状的α′组织，如图5（b）所示
。焊接过程使得钛合金部门溶解形成熔池，由于吹气；ず阜，同时也加快了冷却速度
。在结晶温度以上急剧冷却，并且在相转变温度（996±14℃）以上急剧冷却时β0→α′，α′为钛过鼓和的针状马氏体
。晶粒粗壮的原始β相界清澈可见
。分歧焊接工艺参数下，焊缝的组织一样，只是晶粒组织的大幼有别，这是由于在分歧的焊接参数下，能量输入的凹凸差距，使得原始β相出现了分歧水平的长大
。

4.4焊接缺点节造

由于双层板材之间存在固态与气态的相界面，对激光束的能量密度造成衰减，因而较低的能量密度较难将双层板材同时焊透
。而较高的热输入又会造成匙孔的孔径变大，易使；て宕雍阜毂趁姹还牒阜煨纬善
。因而，对焊接参数的调整必要实现对焊接缺点的节造
。

激光焊接焊缝的气孔重要是凝固的熔池将；て⒔鹗粽羝蛘呖掌牒阜炷诓慷纬，因而针对此问题，重要通过调整；て昂附硬问，使熔池可能达到梦想的深宽比、温度散布和流动状态
。

经过正交试验，发现实现焊透的最幼热输入为离焦量6mm，焊接速度1700mm/min及激光功率2400W，而满足一级焊缝质量尺度且焊缝成形不变的最优焊接参数领域，如表2所示
。

4.5力学机能检测

对搭接接头焊接试件进行剪切力测试，其剪切强度较不变，且均不低于母材的抗拉强度
。数据如图6所示
。

结论

结合以上试验了局，发现对于双层TC4钛合金薄板的搭接激光穿透焊接，必要比通常对接接头更大的热输入，即更高的激光功率
。而面对高功率引起的焊接缺点，重要通过焊接速度及离焦量进行调整
。焊缝正面 两侧的咬边较为显著，焊缝正面的起点均有较显著的凸起，而终点均有显著的凹陷，均为高热输入引起，可 通过设置引入、引出板进行处置
。面对热输入造成的焊接变形，可通过调整焊接方向进行节造
。而搭接激光穿透焊缝的剪切力，不低于母材的拉伸强度
。

参考文件

[1]杨茹娟.薄板铝合金搭接接头摆动激光焊接热场和流场的数值分析[D].赤峰：山东大学，2020.

[2]白陈明.奥氏体不锈钢非熔透激光叠焊工艺钻研[D].长春：长春理工大学，2019.

[3]张帆，李芳，王诗恩，等.镀锌钢板搭接光纤激光焊接中搭接间隙的钻研[J].中国激光，2014，41（10）：113-118.

[4]郑文健.铝合金T型接头双束激光双侧同步焊接的数值仿照钻研[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.