张颖云，陈素明，李 波

（航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，西安710089）

0 引 言

钛合金具有密度低、比强度高、比模量高、耐腐蚀性好等优良特性，被广泛应用在航空航天、能源、海洋工程等领域[1-2]。目前，钛合金的焊接方式有钎焊、固相焊和熔化焊[3]。由于钎焊焊缝的疲劳性能较差，固相焊在实际工况中限制条件较多，因此在目前的工业生产中钛合金主要焊接方式是熔化焊。在目前航空工业生产中，钛合金主要利用传统的熔化焊方式进行焊接，以用于环控管路、燃油通道等异型导管的制造，生产效率低，焊接变形大，给后期安装带来诸多不便[4-5]。激光焊相对于传统的熔焊焊接方式，具有能量密度高、焊接速度快、热输入小、焊后变形小等优点[6-9]，适合钛合金薄板的焊接。

国内外对钛合金的激光焊接开展了大量的研究工作。英国焊接研究所 （TWI）应用 4 kW YAG 激光器实现6 mm 的Ti-6Al-4V 钛合金的一次焊透，有些钛合金激光器进行的钛合金焊接，焊接速度快，接头质量好，残余应力小[10]。梁春雷等[11]对TC4 钛合金薄板的焊接接头进行了疲劳性能研究，明确了焊接接头的拉伸和疲劳断裂行为，为激光焊接结构件的设计、制造和安全评估提供了依据。由于激光器技术的发展，光纤激光器成为第三代激光器的代表，扩展了激光焊的发展空间，许飞等[12-13]进行了TC4 钛板光纤激光焊和YAG 激光焊的焊接接头性能差异分析，获得了焊接热输入对光纤激光焊接接头宏观形貌与拉伸性能的影响规律。目前，关于光纤激光焊接钛合金方面的报道较少，而关于焊接参数与焊缝的宏观形貌及力学性能的关系方面的研究更少。

本研究分别从单因素试验和正交试验及试验结果分析入手，探究了厚度1.2 mm 薄板钛合金光纤激光焊接参数对焊缝宏观形貌和力学性能的影响。

1 试验材料及设备

试验材料为TC4 钛合金板材，厚度1.2 mm，状态为退火态 （M），其化学成分见表1，力学性能指标见表2。

表1 TC4 钛合金板材化学成分 %

表2 TC4 钛合金板材力学性能

采用单因素试验方法在不同的焊接功率、焊接速度、离焦量及对接间隙下对1.2 mm 钛合金试板进行光纤激光焊接试验，研究焊接参数对焊缝宏观形貌的影响。单因素试验参数见表3。采用正交试验极差分析和方差分析方法探究激光焊接参数对焊接接头力学性能的影响，正交试验参数见表 4。焊后，采用 LEICA M125 型体式显微镜对焊缝的上下表面进行观察，采用AG-250KNG 型电子拉力试验机测试其力学性能。

表3 单因素试验参数

表4 正交试验参数

2 试验结果及讨论

2.1 单因素试验分析

2.1.1 激光功率对焊缝形貌的影响

表5 显示了不同激光功率作用下的焊缝成形数据，图1 显示了正面熔宽和背面熔宽随激光功率升高的变化趋势。从图1、表5 可以看出，正面熔宽依次增大，但是在1.1～1.2 kW 范围内，尺寸变化不大，说明在该焊接功率条件下焊接热输入正好满足薄板焊透，且处于稳定状态，焊缝正面、背面形貌如图2 所示。

表5 不同激光功率下焊缝成形数值

图1 焊缝正面熔宽、背面熔宽及背宽比随激光功率的变化趋势

焊缝的背宽比随功率增大先增加，然后趋于稳定，再稍有增加。焊缝尺寸的均匀度随功率增大稍有变化，从表5 数据可知，激光功率在1.0～1.1 kW 的情况下，焊缝的宽度尺寸变化在同一水平，正面均匀度优于背面，此区间焊缝边缘形貌呈均匀的 “波纹状”，而在1.2 kW 功率下，焊缝外形更平滑连续，当功率为1.3 kW 时，背面均匀度优于正面。从焊缝的宏观形貌看，焊缝呈银亮色，焊缝宽度均匀，未见烧穿和焊缝堆积等缺陷。

图2 1.1 kW 和1.2 kW 功率条件下焊缝正、背面形貌

2.1.2 离焦量对焊缝形貌的影响

不同离焦量下的焊缝形貌特征数据见表6。正面熔宽和背面熔宽随离焦量的变化趋势如图3所示。从图3 可知，正面熔宽和背面熔宽随离焦量的增大而减小，但是在1～2 mm 范围内，焊缝尺寸变化不大，当离焦量达到4 mm 时，出现未焊透现象，说明薄板激光焊选用正离焦方式时，离焦量应控制在一定范围，当超出了最大范围就会出现未焊透现象，也说明离焦量对激光焊接的质量影响较大。这是因为改变离焦量会影响试件表面光斑尺寸，并改变了到达试件表面及小孔内的能量密度[14]，随着焦点位置上移，光束聚焦位置远离工件表面，激光能量密度逐步降低，这样主要的激光能量集中在工件的上表面，试件下表面能量密度不够，无法实现穿透焊，从而导致未焊透[15]。从表6 中的均匀度数据也可看出，离焦量为1 mm 时，正面均匀度相对于背面较差； 离焦量为2 mm 时，正面和背面的均匀度相当； 随着离焦量再增大，背面出现了链状的断续焊缝形貌，甚至未焊透，焊缝形貌如图4所示。因此可以得出，离焦量在 2 mm 时焊接过程最稳定。

表6 不同离焦量下焊缝成形数值

图3 焊缝正面熔宽、背面熔宽及宽背比随离焦量的变化趋势

图4 离焦量为3 mm 时焊缝的正、背面形貌

2.1.3 焊接速度对焊缝形貌的影响

焊缝正面熔宽、背面熔宽及背宽比随焊接速度的变化趋势如图5 所示。从图5 可以看出，焊缝尺寸随焊接速度波动变化，当焊接速度提高至1.5 m/min 时，焊缝尺寸有减小趋势，这是因为在一定的激光功率下提高焊接速度，热输入能量密度值下降，焊缝宽度减小。当速度降低时，可增大熔深，但是速度过低，熔深不增反而增加熔宽，这主要是因为：①激光深熔焊接时，维持小孔存在的主要动力是金属蒸汽的反冲压力，在焊接速度低至一定程度时，热输入增加，熔化金属越来越多，当金属汽化所产生的反冲压力不足以维持小孔的存在时，小孔不仅不加深，甚至会崩溃，焊接过程蜕变成为传热型焊接，因而熔深不会增大； ②随着金属汽化的增加，小孔区温度上升，等离子体的浓度增加，对激光吸收增加[16]。

图5 焊缝正面熔宽、背面熔宽及背宽比随焊接速度的变化趋势

不同焊接速度下焊缝成形数值见表7。从表7可见，随着焊接速度的增大，焊缝正面和背面的均匀度变化不大，说明焊接速度对焊缝形状无明显影响。而焊缝边缘起伏均匀性随焊接速度增大而更趋于均匀。从焊缝的宏观形貌看，焊缝呈银亮色，焊缝宽度均匀，未见烧穿和焊缝堆积等缺陷。

表7 不同焊接速度下焊缝成形数值

2.1.4 焊缝间隙对焊缝形貌的影响

不同焊缝间隙下焊缝形貌特征数据见表8。正面熔宽、背面熔宽和背宽比随焊缝间隙的变化趋势如图6 所示。从图6 可知，焊缝间隙对焊缝外形的影响不大，从焊缝的宏观形貌看，焊缝呈银亮色，焊缝宽度均匀，未见烧穿和焊缝堆积等缺陷。焊接过程会形成熔池，当焊接间隙大于0.3 mm 时，焊接熔池经熔化和凝固补充不足造成焊接焊缝不连续、不均匀，甚至出现塌陷，因此当对接间隙较大时自熔焊已不适应，应采用填丝焊工艺进行焊接。

表8 不同焊接间隙下焊缝成形数值

图6 焊缝正面熔宽、背面熔宽和背宽比随焊缝间隙的变化趋势

2.2 正交试验分析

2.2.1 极差分析

表9 显示了正交试验得到的拉伸结果，表10为极差分析结果，因素 A （离焦量）、B （激光功率）、C （焊接速度）的主次关系可由极差大小决定。从表10 极差值可以看出，对于抗拉强度指标，ΔkB＞ΔkA＞ΔkC，因此影响抗拉强度的主要因素是激光功率，离焦量和焊接速度影响水平相当； 对于延伸率指标，ΔkA＞ΔkC＞ΔkB，因此离焦量和焊接速度对延伸率的影响水平相当，而激光功率的影响较小。

表9 抗拉强度和延伸率正交试验结果

2.2.2 方差分析

方差分析不仅可以讨论试验误差，还可以进一步明确各独立因素及其交互作用对试验结果的影响程度。方差分析的基本原则，即设用正交表Ln（pm）安排试验，总试验次数 N=n，表的纵列数为m，因素的水平数为p，则每一水平的试验次数为n/p。

表10 抗拉强度和延伸率极差分析结果

对抗拉强度的结果进行方差分析，得到的结果见表11。从表11 可以看到，3 个因素对抗拉强度的影响均不显著。这可能是由于钛合金较好的焊接性所导致的。由于钛合金接头均表现出较高的力学性能，导致了试样在不同参数下接头的力学性能相差不大。

表11 抗拉强度方差分析结果

3 结 论

本研究采用光纤激光焊接方法对1.2 mm 厚TC4 钛合金薄板进行了单因素试验和正交试验，并根据试验过程分析了焊接参数对焊缝宏观形貌和力学性能的影响，得到了如下结论：

（1）单因素试验结果表明，焊缝熔宽随着激光功率的升高大体呈上升趋势，焊缝背宽比随着激光功率的升高先增大然后趋于稳定； 焊缝熔宽随着离焦量的增大逐渐减小，当离焦量达到4 mm 时，出现未焊透现象； 焊缝尺寸随着焊接速度波动变化，当焊速大于1.5 m/min 时，焊缝尺寸呈现减小趋势。

（2）正交试验结果表明，影响抗拉强度的主要因素是激光功率，离焦量和焊接速度影响相当； 而对于延伸率，离焦量和焊接速度对延伸率的影响水平相当，而激光功率的影响较小。