引言

钛脊合金因拥有比强度和热强度高，优良的塑性、韧性、凹凸温机能以及优异耐侵蚀性和生物相容性蹬着点［1］，在航空航天造作、石油化工、船舶、海洋开发、电工电力和生物医学等领域得到宽泛利用［2-4］

。工业纯钛薄板在焊接过程中容易产生变形，此表极易与空气中各类成分产生反映，产生脆性相大大降低焊接接头的塑性和韧性，严沉降低焊接接头质量［5-7］

。目前重要使用钨极氩弧焊、等离子弧焊、激光焊和电子束焊等焊接步骤来对工业纯钛进行焊接钻研，相对于其他焊接步骤，激光焊接拥有能量集钟注焊缝成形好、焊后变形幼、出产效能高档显著优势，齐全满足现代焊接构件高精度和高效能要求，其焊接接头质量高，在钛及其合金领域发展迅速［7-8］

。目前激光焊接工艺参数对钛及其合金焊缝成形及组织机能钻研较多，但对其系统钻研及其焊缝耐蚀性钻研相对较少

。

本文针对 0.5 mm TA1 钛合金超薄板激光焊接关键参数（焊接速度、激光功率）进行深刻钻研，探求了分歧焊接参数对焊缝微观组织演变法规的影响，并阐了然其对焊缝力学机能和耐蚀性的作用机造

。钻研了局为工业纯钛 TA1 在工业出产中提逾越产效能提供理论支持，同时为其激光焊接出产与工艺参数的造订及推广利用提供理论及技术支持

。

1 、试验资料及步骤

试验资料为退火状态下30 mm×50 mm×0.5 mm的工业纯钛TA1板材，化学成分见表1，力学机能见表2

。母材显微组织重要为单一等轴α相，晶粒大幼一致，均匀散布，如图1所示

。

使用 YLS-4000 光纤激光器进行激光焊接试验，该激光器最大输出功率为 4 kW，最幼输出功率为 400 W，光纤芯径为 200μm，工作波长 1070 nm

。

激光焊接过程中，焦距设定为 400 mm，准直器长度为160 mm

。焊接方式选取对接焊，为预防焊接区域氧化，选取纯度为99.9%的氩气作为；て，正面；て辶髁 15~20 L/min，尾部；て辶髁课10~15 L/min，并在背部使用衬垫进行；

。在维持焊接速度恒定的情况下，通过调整焊接功率，选择综合性更好的焊接功率

。进一步在此焊接功率下，通过扭转焊接速度，对焊缝机能进行了具体钻研，有关数据如表3所示

。

2 、了局与分析

图 2 为选取 XTL-165 系列体视显微镜观察到的分歧功率下所获 TA1 焊缝宏观描摹

。当焊接速度及其他工艺参数维持不变时，激光功率对焊缝熔宽有显著影响

。由图可知，随着激光功率的增长，缝宽度逐步增长，这是单元面积内溶解的TA1量不休增长所致

。

图 3 为对应图 2 焊缝的显微组织

。由图可知，随着焊接功率增长，晶粒尺寸越来越大

。这是由于焊接功率增长，热输入加大，资料在高温下的停顿功夫耽搁，为α相晶粒的成长提供了更多的功夫，最终形成较大的晶粒［9-10］

。当焊接功率为 400 W 时（见图 3a），晶粒藐幼且界限明显，便于分析和观察母材、扰装响区及焊缝区的地位和描摹

。然而，TA1钛合金纯度高且杂质含量少，且易在机械抛光过程中产生形变和孪晶，这些孪晶是晶体中的一种特殊缺点结构，会滋扰正常的显微组织观察

。在HAZ的中央部门，组织较为粗壮，这是由于激光焊能量集钟注热输入大以及 TA1 钛合金散热速度慢，从而推进了晶粒的进一步成长

。此表，距离焊缝越近的区域，晶粒尺寸越大，而扰装响区领域相对较幼，约为1 mm，这一景象体现了激光焊接能量集钟注扰装响区幼的利益

。右图为焊缝区域放大图，焊缝区存在显著的块状α相、锯齿状α相及少量的针状α相

。这是由于资料散热差、冷却速度不一致导致高温 β 相在急剧冷却过程中转造成锯齿状α相和针状α相

。

图4为对应激光功率的TA1焊接接头拉伸测试应力-应变曲线

。由图可知，随着焊接功率的增长，接头的抗拉强度出现降落趋向，别离为293.5 MPa、278.5 MPa 和 249.5 MPa

。焊接功率为 400 W 时，接头断裂于母材，这是由于母材区域显微组织大多为等轴 α 相，这些等轴 α 相在拉伸过程中易产生位错活动且 α 相数量较多，使得母材区域拥有较好的塑性

。在受到拉伸力时，母材区域会产生塑性变形形成颈缩，最终导致母材区域产生断裂；由于激光焊接能量高而集中，且冷却速度较快，导致焊缝和扰装响区存在大量锯齿状 α 相及少量针状 α 相，对焊缝及扰装响区的晶粒起到强化作用，其次焊缝为平行于轧造的焊接，导致其抗拉强度低于焊缝［11］

。焊接功率为 500 W 时，接头断裂于扰装响区

。这是由于在较高的焊接功率下，扰装响区长功夫处于过热状态，导致晶粒长大变粗

。通常来说，晶粒越细，晶界之间的交错越缜密，衔接也更牢固［11］，这有利于提高焊接接头的强度和塑性

。同时，细晶粒也有助于将塑性变形均匀散布在晶粒之间，削减内应力，从而加强焊接接头的机能

。然而，在500 W功率下，扰装响区中的针状 α 相和锯齿状 α 相数量削减，导致该区域的强度显著降低，拉伸时在扰装响区产生断裂

。当焊接功率为 600 W 时，焊接接头断裂依然在扰装响区，这是由于过大的热输入导致晶粒粗化

。综上，功率为400 W的焊接试样拉伸强度最高，随着激光功率的增长，热输入的增长导致焊接接头粗晶脆化，大大降低接头的拉伸强度

。

基于三电极电化学测试系统，通过电化学侵蚀步骤，钻研分歧焊接功率下TA1焊接接头的耐侵蚀机能变动，如图 5 所示

。试验仿照了 TA1 钛合金在海水中的侵蚀行为，其中阳极产生化学反映导致Ti失去电子变为Ti4+，阴极H+得到电子析出氢气［12-13］

。

通过比力接头的侵蚀电流密度和阻抗大幼来评价各功率下焊接接头抗侵蚀能力

。

侵蚀电流密度的大幼反映了侵蚀速度的快慢，电流密度越幼，资料的耐侵蚀性越好

。由图5可知，400 W 的接头侵蚀电流密度最幼，600 W 的侵蚀电流密度最大

。而阻抗与此相反，400 W 的 TA1 焊接接头更耐侵蚀

。这是由于焊接功率幼，热输入幼，晶；嵩矫暧，晶内缺点数量削减，参加侵蚀活性点的数量也随之削减；其次，热输入越幼，温度越低，母材溶解量少，组织越均匀，焊接接头内部形成原电池概率降落，试样耐侵蚀机能越好

。同时，在以上参数中能够发现，当焊接功率超过500 W，抗侵蚀机能会急剧降落

。为了保障出产效能，最终确定了500 W的焊接功率来进行焊接速度参数简直定

。

图 6 为 500 W 激光功率下、分歧焊接速度所获焊缝宏观描摹

。由图6可知，随着焊接速度的提高，焊缝宽度逐步减幼，焊缝天堑趋于平直，焊缝表表组织逐步细化

。焊接速度越幼，晶粒成长方向与熔池活动方向的夹角越幼，晶粒主轴弯曲水平越大；焊接速度越快，夹角越大，晶粒主轴险些垂直于焊缝中心

。这是由于晶粒沿温度梯度较风雅向成长，在垂直于熔池天堑方向温度梯度最大［14-15］

。当冷却速度最快方向与晶粒最易成长方向一致时，最有利于晶粒成长，晶Ｄ芄怀沙さ饺鄢刂行，形成粗壮的柱状晶体，焊缝中心形成等轴晶

。通常情况下，由于等温曲线出现弯曲状态，曲线上每一点法线方向不休变动，晶粒的成长方向也随之变动，从而形成弯曲的柱状晶体

。

图 7 为 500 W 激光功率、分歧焊接速度下 TA1合金焊缝微观组织

。由图7a可知，焊缝由粗壮的柱状和块状α晶粒、锯齿状α晶粒及少量针状α晶粒组成

。扰装响区与母材有显著的接壤，该区域中晶粒状态不规定，多为锯齿状晶

。从图中可知，焊缝中心存在一个弧坑，这是由于激光焊接的高功率密度和大热输入导致熔池中的金属蒸气大量逸出，推动熔池表表金属向两侧移动，冷却凝固时两侧金属未能实时回流，从而在焊缝中心形成凹陷

。由图7b可知，焊缝中心由粗壮α晶粒和锯齿状α晶粒组成，有少量针状 α 晶粒散布，焊缝与扰装响区之间无显著接壤

。扰装响区与母材之间的界限清澈，HAZ内部门是较为粗壮α晶粒和大量锯齿状α晶粒

。在图7c所示焊缝中，块状α晶粒尺寸显著减幼，锯齿状和针状 α 晶粒散布较多，HAZ 组织相对藐幼

。α 晶粒尺寸及状态受焊接参数的影响，在分歧焊接速度下，焊接的热输入分歧，焊缝组织中块状 α 晶粒和锯齿状α晶粒的大幼会产生扭转

。激光焊接过程是一个急剧加热和急剧冷却凝固结晶过程，柱状晶在此前提下沿着熔合线向焊缝中心急剧发展，组织结晶方向与最大温度梯度方向相一致

。对比图7中焊缝晶粒的尺寸可知，随着焊接速度的增大，晶粒尺寸逐步减幼，这是由于焊接速度的增长导致焊缝热输入显著降低，没有足够能量支持晶粒长大

。同时，图7a焊缝上部缺口也批注在焊接功率不变的情况下，当焊接速度较幼时，由于热输入过大，容易在焊缝处产生焊接缺点

。

图 8 是 500 W 激光功率、分歧焊接速度下 TA1接头拉伸试样的室温拉伸曲线

。由图可知，当焊接速度为 70 mm/min、90 mm/min、110 mm/min 时抗拉强度别离为 240.3 MPa、255.8 MPa、285.5 MPa

。断裂地位别离位于HAZ、HAZ、母材

。这批注，在焊缝齐全熔透且无缺点的情况下，随着焊接速度的增长，接头的抗拉强度逐步增大

。且110 mm/min焊接速度下试样的延长率更高，这是由于较低的焊接速度导致较大的热输入，使焊缝在高温停顿功夫较长，熔池过热，推进了 β 钛晶粒的急剧成长，并在冷却过程中形成粗壮的 α 晶粒，这些粗壮晶粒导致资料的脆化，从而降低其力学机能，使得在拉伸过程中更容易产生断裂

。随着焊接速度的增大，线能量减幼，晶粒逐步细化，由于细晶强化，细化的晶粒在受到拉力作用时，塑性变形分散到更多的晶粒内进行

。并且晶粒越藐幼，晶界面积越大，晶界崎岖水平越高，位错滑移至晶界前被晶界反对，使得塑性变形无法传布到相邻晶粒中，裂纹扩大难题［16-17］

。

图 9 为 500 W 激光功率、分歧焊接速度下 TA1焊接接头阳极极化曲线

。由图可知，各曲线均无显著钝化区间

。随着焊接速度增长，侵蚀电位逐步增大，批注接头的耐侵蚀机能逐步加强，焊接速度为110 mm/min 时接头的耐侵蚀机能最好

。只管焊接速度为 90 mm/min 接头侵蚀速度最幼，110 mm/min的侵蚀速度最大，但从整体来看侵蚀速度区别不大

。这是由于钛材自身拥有优良的耐蚀性，且激光焊接能量集中，对母材影响较幼，所以焊后接头依然维持较好的耐侵蚀机能［18］

。

3 、结论

（1）结合出产效能和焊接接头机能，本钻研确定了本次的优化工艺参数：激光功率为500 W，焊接速度为110 mm/min

。

（2）TA1 焊接接头抗拉强度随着焊接功率的增大不休降落，激光功率为 400 W 时抗拉强度为293.5 MPa，此时焊缝区组织为粗壮α晶粒、锯齿状α晶粒和少量针状α晶粒，扰装响区组织组成为粗壮α晶粒和不规定锯齿状α晶粒，并且由于焊接功率幼，热输入幼，晶；嵩矫暧，晶内的缺点数量会削减，参加侵蚀活性点的数量也随之削减，故 400 W 下TA1激光焊焊接接头更耐侵蚀

。

（3）TA1焊接接头在焊接速度为70 mm/min时，焊接接头焊缝中心显微组织为粗壮α晶粒和少量针状 α 晶粒，当焊接速度为 110 mm/min 时，抗拉强度为 285.5 MPa，焊缝中心显微组织为针状 α 晶粒；接头扰装响区的显微组织均为粗壮α晶粒和不规定锯齿状α晶粒；随焊接速度增大，焊接接头晶粒尺寸减幼，抗拉强度增大，耐侵蚀机能最佳

。

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