序言
随着钛合金广泛的应用于航空航天工业，钛合金的焊接技术也在不断发展，用于钛合金的焊接技术通常有钨极惰性气体保护焊接，电子束焊接和激光焊接。激光焊接工艺具有高能量密度，高焊接速度和低变形的特点，与电子束焊接相比，激光焊接可以在空气中进行。激光束焊接的主要优点是低热输入，可最大限度地降低焊接应力并减少变形。这是通过光束的高能量密度实现的，在高焊接速度下产生小的熔合区。
本研究针对厚度2.5mm的TC4材料开展工艺试验，通过调整激光功率、焊接速度、入射角度、间隙尺寸等工艺参数来获得不同的焊缝熔池形态。焊接接头形式为锁底对接结构，激光功率范围为 1200~1400 W，光束入射角度为 30°，焊接速度为 1.0 m/min，总计完成 6 组焊接试验。
1工艺参数对焊缝宏观成形的影响
在确定焊接速度为 1.0 m/min，离焦量为+2 mm和激光入射角度为 30o的基础上进行激光功率等焊接参数的摸索。采用台阶尺寸 0.8×0.8 mm 进行激光焊接工艺优化，探讨板材对接间隙尺寸分别为 0 mm、0-0.2 mm、0.2-0.25 mm、0.3-0.25 mm时对锁底对接接头宏观形貌的影响规律。经初步试验观察得出，当其他焊接参数保持不变的情况下，随着间隙尺寸的增大，焊缝成形质量逐渐变低，焊缝容易出现焊穿等缺陷。当间隙尺寸为 0.3-0.25 mm 过渡间隙尺寸时，焊缝出现串珠式孔洞，说明随着间隙尺寸的增大，所需的激光功率需要逐渐减小，因此在实际焊接过程中需要保证间隙尺寸尽量在0-0.2 mm 范围。
在其他焊接参数保持不变的情况下，探索锁底对接结构试片件激光功率分别为 1200W、1300W、1350W、1400W对锁底对接接头宏观形貌的影响规律。激光功率为 1200 W 时，焊缝较窄。激光功率为1400 W 时，焊缝不再平滑连续，出现孔洞。激光功率为 1350 W 时，焊缝成形良好。对接结构试片件在激光入射角度为 30°时的焊缝宏观形貌质量良好。
采用两道激光焊接工序，先用小功率激光进行打底焊接，继而加大激光功率进行法兰凸台全熔焊接。2 mm 厚 TC4 钛合金蒙皮-法兰锁底结构激光焊接工艺试验研究中，采用1.0 m/min 的焊接速度较为合适，焊缝成形良好，下部少量气孔。随着热输入的增加，焊缝横截面积增加，焊缝余高加大。适当控制焊接热输入，有利于获得良好的焊缝质量。如图1所示。
图1 锁底结构激光焊接接头宏观形貌
a 第一步P=0.5kW，V=1.0 m/min，q=30 kJ/m； b第一步P=0.5kW，V=1.0 m/min，q=30 kJ/m；
第二步P=0.5kW，V=1.0 m/min，q=72kJ/m； 第二步P=0.5kW，V=1.0 m/min，q=78kJ/m；
2 工艺参数对焊缝微观成形的影响
随着激光功率的增大，熔池的热输入量增加，这对焊接接头区域的组织产生影响。图2、图3 分别为不同激光功率下焊接接头的微观组织。可以看出，激光功率为 1200 W 时，在焊缝中心处，粗大等轴晶内针状马氏体的数量相对较少，从右侧局部放大图可以看出马氏体呈平行条束状分布，方向性一致；当激光功率增大到 1300 W 时，焊缝区晶粒粗大，等轴晶内针状马氏体数量明显增多，在焊缝中心可见马氏体不再保持平行条束状，而是呈现相互交错的分布状态。
图2 图3
第一步：P=0.5kW，V=1.0 m/min，q=30kJ/m 第一步：P=0.5kW，V=1.0 m/min，q=30kJ/m
第二步：P=1.2 kW，V=1.0m/min，q=72kJ/m 第二步：P=1.3 kW，V=1.0 m/min，q=78 kJ/m
图2图3 锁底结构激光焊接接头微观形貌
3 工艺参数对焊件变形的影响
针对 TC4 钛合金板材锁底结构件焊接变形进行测量，检测锁底结构件进行激光不填丝焊接的工艺参数对焊后变形的影响，采用检测平台、高度尺和钢板尺对焊后试件进行变形测量。检测位置为蒙皮边缘处，从端处沿着直线上的标注位置每隔 10 mm 检测一个点。每组参数检测 5 次，找出其最大变形值记为焊接变形。如表1所示。
表1 焊件最大变形量测量数据统计
4 结论
焊件最大变形主要集中于焊件焊缝两端以及试板焊脚的边缘处，原因主要是在焊接过程中发生热变形导致的当采用工艺参数为：激光功率 1200 W，入射角度为 30°，焊接速度为 1.0 m/min 时，焊件的最大变形量最小，且数值为 7.50 mm，因此，该工艺参数作为最优的工艺参数，并对该工艺参数开展后续的焊接微观组织及力学性能研究。当焊接速度不变，激光功率增大到 1300 W 时，最大变形量为13.32 mm。
参考文献：
[1] 闫德俊，刘雪松，周广涛，等. 大型底板结构焊接顺序控制变形数值分析[J]. 焊接学报，2009，30(6)：55-58.
[2] 谷京晨，童莉葛，黎 磊，等. 焊接数值模拟中热源的选用原则[J]. 材料导报，2014，28(1)：143-146.