TC4鈦合金材料具有比重輕、比強度高、耐蝕等特點，但價(jia) 格昂貴，僅(jin) 用於(yu) 些特殊工程構件上。目前，多采用氬弧焊或等離子弧焊進行焊接加工，但該2種方法均需填充焊接材料，由於(yu) 保護氣氛、純度及效果的限製，帶來接頭含氧量增加，強度下降，且焊後變形較大。本研究采用激光焊接方法，對TC4鈦合金的焊接工藝性進行研究，以便實現該種材料的精密焊接，即焊接質量好，焊深波動和焊接變形小。

1. 試驗材料
試驗材料為(wei) TC4 (T i26A l24V ) ，化學成分見表1。
2. 試驗條件
激光焊機為(wei) RS2000型軸流CO2激光加工機，額定輸出功率為(wei) 2kW，光束模式為(wei) 基模，反射鏡聚焦，焦距f=127mm，最小焦斑直徑為(wei) 50.4mm。TC4 鈦合金的板厚為(wei) 2.0～3.5mm，保護氣體(ti) 為(wei) 高純氦氣。
激光焊接工藝參數包括：1)激光功率P，W；激光器的功率控製麵板示出；2)焊接速度v，m/s；由數控編程確定；3)離焦量△f，mm； 指光束焦點與(yu) 工件表麵的距離。
3. 試驗方法
先進行階梯試環焊接工藝試驗，粗找工藝參數，並初步確定焊接工藝規範； 焊接平板對接試樣，利用X2射線探傷(shang) 儀(yi) 檢測焊縫內(nei) 部質量，並進行金相組織分析； 焊接對接試環，用三坐標精密測試儀(yi) 測量焊件軸向與(yu) 徑向焊接變形情況。
結果與(yu) 分析
1. 焊接性分析
鈦和鈦合金的焊接性取決(jue) 於(yu) 它的物理化學性能。鈦是一種非常活潑的金屬，由於(yu) 表麵形成致密的氧化膜，使其在常溫下非常穩定。但是在高溫下，鈦則有強烈的吸氫、氧、氮的能力； 空氣中鈦在250℃開始吸氫，500℃開始吸氧，600℃開始吸氮。隨著溫度提高，鈦吸收氣體(ti) 的能力更強。氧、氮都是A相穩定元素，當其含量較少時，都作為(wei) 間隙元素固溶在鈦中，使鈦的強度、硬度提高，而塑性急劇下降，氮的作用比氧更強。此外，鈦和鈦合金焊接時容易產(chan) 生氣孔，形成氣孔的主要因素有焊接工藝不正確、保護氣體(ti) 的純度不夠以及接頭汙染等。
鑒於(yu) 鈦的高活性，鈦及鈦合金焊前應對接頭部位進行仔細清理。清理方法為(wei) 先用機械方法去除表麵氧化皮，然後進行酸洗。酸洗液為(wei) 2%～ 4%HF+30%～ 40%HNO3+ H2O (餘(yu) 量)。最後用清水衝(chong) 洗幹淨並烘幹。臨(lin) 焊前用丙酮或酒精擦洗。清洗後的焊件必須在72h 內(nei) 焊完，否則需重新清理。
2. 焊縫質量分析
1) 焊縫氣孔傾(qing) 向
焊縫中的氣孔是焊接鈦合金最為(wei) 普遍的缺陷。存在於(yu) 被焊金屬電弧區中的氫和氧是產(chan) 生氣孔的主要原因。激光焊接是在大氣環境中進行的，由於(yu) 高溫時鈦對氣氛的高活性，焊縫中氣孔形成傾(qing) 向較大。為(wei) 此，著重就激光焊接焊縫中形成氣孔的工藝因素進行研究。
在外徑為(wei) Ф70mm 的階梯環上采用表2 所示工藝參數進行激光焊接試驗，試驗結果如下：
1-1# ： 焊縫成形良好，焊縫較寬，焊縫內(nei) 部有連續氣孔，焊透；
1-2# ： 焊縫成形良好，與(yu) 1-1# 相比焊縫變窄，焊縫內(nei) 無氣孔，焊透；
1-3# ： 焊縫成形良好，與(yu) 1-1# 、1-2# 相比焊縫明顯變窄，焊縫有少量氣孔，但不連續，基本焊透；
1-4# ： 焊縫成形良好，與(yu) 1-3# 相比焊縫變窄，焊縫內(nei) 部有大量連續氣孔，未焊透；
1-5# 、1-6# ： 焊縫中有大量連續氣孔；
1-7# ： 焊縫中有大量連續氣孔；
1-8# ： 焊縫中有大量連續氣孔。
由以上結果可以看出，激光焊接時焊縫中的氣孔與(yu) 焊縫線能量有較密切關(guan) 係，若焊接線能量適中，焊縫內(nei) 隻有極少量氣孔、甚至無氣孔，如1-2#、1-3#試樣，線能量過大或過小均會(hui) 導致焊縫中出現嚴(yan) 重的氣孔缺陷，如1-1# 、1-4# 試樣。此外，焊縫中是否有氣孔缺陷還與(yu) 焊件壁厚有一定的關(guan) 係，比較1-2#與(yu) 1-7# 試樣試驗結果可看出，二者焊接線能量均為(wei) 100J/mm ，1-2# 試樣壁厚為(wei) 2. 5mm ，127# 試樣壁厚為(wei) 3. 0mm ，但1-2# 試樣焊縫無氣孔，而1-7#試樣焊縫有大量氣孔，可見，隨著焊接壁厚的增加，焊縫中出現氣孔的幾率增加。這是由於(yu) 焊接壁厚增加，熔池體(ti) 積及深度增加，導致熔池中的氣體(ti) 更來不及溢出而造成的。據觀察，激光焊接工藝參數中，激光功率、焊接速度以及離焦量對焊接質量影響較大，其影響機理有待更進一步研究。
2) 焊縫內(nei) 部質量及外觀質量
利用平板對接試樣，采用激光焊接來考察焊縫內(nei) 部質量，經理化檢測，焊縫內(nei) 部質量經X 射線探傷(shang) ，參照國標GB3233-87達到II級要求，焊縫表麵和內(nei) 部均無裂紋出現。焊縫外觀成型良好，無明顯咬邊、裂紋等缺陷，色澤正常。
3.焊深及其波動情況
鈦合金作為(wei) 工程構件使用，對焊深有一定要求，否則不能滿足構件強度要求； 而且要實現精密焊接，必須對焊深的波動加以控製。為(wei) 此，采用激光焊接方法分別焊接了兩(liang) 對對接試環，焊後對試環進行了縱向及橫向解剖，以考察焊深及焊深的波動情況，結果見表3。可見，對於(yu) 激光焊接，焊縫平均焊深為(wei) 2. 70mm 左右，焊深波動幅度為(wei) -3.8%～+5.9%，不超過±10%。
4.接頭變形分析
利用對接試環來考察接頭焊接變形情況，檢測了對接試環的徑向及軸向變形。結果表明，激光焊接的變形很小，徑向收縮變形量為(wei) Ф0.03mm～Ф0.10mm，軸向收縮變形量為(wei) 0.02～0.03mm。
5.焊縫組織分析
經理化檢測，焊縫組織為(wei) A+B，組織形態為(wei) 柱狀晶+等軸晶，有少量的板條馬氏體(ti) 出現，晶粒度與(yu) 基體(ti) 接近，熱影響區較窄，組織形態和特征較為(wei) 理想。
討　論
1. 鈦合金激光焊接的參數選擇及研究方向
激光焊接的焊縫成形機理和焊接效果有截然不同的2 種焊接模式： 熱導焊和深熔焊。在2 種焊接模式之間存在1 種過渡的不穩定焊接過程，即存在1個(ge) 過渡區間。因此要獲得良好的焊接質量，首先根據使用要求，確定選用何種焊接模式，然後根據焊接模式製定合適的焊接參數，主要有激光功率、焊接速度和焦點位置(離焦量) ，原則上鈦合金激光焊接參數應避開過渡區間，不能接近臨(lin) 界值。功率越高，熔深越大，焊接的厚度也越大，但過大的激光功率會(hui) 使焊縫外觀變壞，易產(chan) 生一波一波的突起和空洞。在功率一定時，焊接速度決(jue) 定著焊縫單位長度能量輸入即線能量的大小，隨著焊接速度增大，焊縫線能量降低，熔深和熔寬減少； 焊接速度過大會(hui) 使熔深減少，甚至斷弧，在焊縫表麵形成焊珠。焦點位於(yu) 工件表麵時，焊縫餘(yu) 高最大，隻有焦點位於(yu) 工件表麵下一定距離處時，可獲得最大熔深，這個(ge) 距離與(yu) 板厚及所使用的激光功率有關(guan) ； 過分的負離焦或正離焦均會(hui) 使激光深熔焊與(yu) 熱傳(chuan) 導焊交替出現，焊縫成形極不規則。
由於(yu) 激光焊接具有能量高度集中、焊縫成形好、操作簡單、易實現自動化等優(you) 點，鈦合金的激光焊接已日益普及，深入探討與(yu) 之相關(guan) 的問題勢在必行。目前研究表明，如果鈦合金激光焊接模式為(wei) 穩定的熱導焊，焊縫成形均勻，熔深和熔寬均很小，且幾乎保持不變； 如果為(wei) 穩定的深熔焊，焊縫成形也很均勻，熔深和熔寬明顯大於(yu) 熱導焊，且在一定範圍內(nei) 連續變化。但2 種激光焊接模式之間的過渡區間大小(即焦點位置、激光功率、焊接速度的臨(lin) 界值) 以及焊縫氣孔的形成機理、來源、成分等需更深入地研究。
2.接頭清理和保護措施對鈦合金激光焊接的重要性
鈦合金焊件的清潔程度也嚴(yan) 重影響其激光焊接質量。焊前應嚴(yan) 格清洗焊件表麵，去除氧化膜、油汙、灰塵、鏽跡和機械加工留下的冷卻液，甚至包括人手觸摸的痕跡以保證焊件的清潔，防止雜質對焊接接頭的汙染。#p#分頁標題#e#
在高溫(大於(yu) 250℃) 時，鈦及鈦合金有較強的氣體(ti) 吸收能力。而鈦合金激光焊接時接頭區域的溫度遠遠超過250℃，所以在沒有保護措施的情況下，空氣中的有害汙染物(氫、氧、氮、碳) 就極易侵入焊接區，從(cong) 而造成接頭脆化，產(chan) 生氣孔，並大幅度降低材料的綜合機械性能。因此，鈦合金激光焊接時必須采用保護措施，通常采用惰性氣體(ti) 保護，要合理選用惰性氣體(ti) 種類及流量，流量過小不能充分保護焊接區域，流量過大，會(hui) 產(chan) 生紊流現象，使保護氣體(ti) 與(yu) 空氣混合，反而造成不良後果。此外，鈦合金激光焊接時，應從(cong) 三方麵對焊接區域進行保護，即熔池、焊縫後部高溫區和焊縫背麵。
3. 鈦合金激光焊接接頭表麵質量檢驗方法
鈦合金激光焊接接頭表麵質量，可通過焊縫的顏色來判斷接頭被汙染的程度。光亮銀白色的焊縫表明沒有汙染存在； 金色或淺粉色表明焊縫受到了輕微的汙染，這種情況根據不同的應用和性能指標要求，可能被接受也可能被否定； 淺藍色或深藍色的焊縫說明汙染嚴(yan) 重，這樣的焊接接頭在任何場合下都是不合格的。
結　語
1. 對於(yu) TC4 鈦合金，激光焊接隻要工藝參數匹配合理，可使焊縫內(nei) 部質量達到國標GB3233-87級焊縫要求，實現TC4 鈦合金的精密焊接。
2. 焊接線能量在一定範圍內(nei) ，可使TC4 鈦合金激光焊接的焊縫氣孔減少，甚至沒有氣孔； 而且適中的焊接線能量範圍隨著焊件壁厚變化而改變。