鈦合金具有重量輕、韌性好、比強度高、耐腐蝕性強的特點，特別適用于航空航天材料，隨著汽車、自行車輕量化的要求，鈦合金的應用也越來越多。

鈦合金具有較小的導熱系數(15.24 W/(m.K))以及較低的膨脹系數(約9.41x10^-6?10.03x10^-6 °C^-1),且對激光的吸收率較低，約為0.4%,以及較高的熔點(1670 °C )，這些屬性意味著需要較高的熱量輸入，才能實現鈦合金的焊接，而過高的熱量輸入可能會導致焊縫氣化，產生焊接缺陷，進而降低焊縫的抗拉強度。 激光焊接時的能量密度高，可以用較小的熱量輸入得到較大的焊縫熔深，激光焊接已經在不銹鋼焊接中得到較多的應用。對激光吸收率較低的金屬，由于大部分激光能量被反射掉，需要較高的激光能量輸入才能使材料形成焊接，這樣浪費了能量，同時增加了熱影響范圍。對材料表面進行處理，可以增加材料對激光的吸收率，如對鋁合金表面進行噴砂 或使用深色涂層,可以提高激光吸收，導致焊縫熔深顯著增加；在銅表面涂覆石墨，提高材料對激光的吸收率，可以得到較好的焊接效果。截至目前,國內外均未見有對鈦合金表面進行處理后進行激光焊接的報道出現。

文中對鈦合金TC4表面進行處理，然后進行激光焊接，研究表面處理對激光焊接焊縫熔深、微觀組織和力學性能的影響，為實際生產提供實驗參考。

1、焊接實驗

1.1材料

實驗材料為鈦合金，牌號為TC4,厚度為2 mm,將板材切割為100 minx 50 mm。采用夾具將材料夾緊，激光焊接過程中，采用99.99%的氮氣對焊縫表面進行保護，TC4鈦合金的化學成分如表1所示。

1.2設備

采用高功率連續光纖激光器作為焊接光源，激光器最大功率為2000 W,波長為1064 nm,光纖芯徑為100 pn,激光器為武漢銳科激光公司提供，型號為RLF-C2000,激光束經過加工頭聚焦后，在激光焦點處的光斑大小為0.4nmi。激光加工頭固定不動，三維運動平臺帶動載具及材料運動，實驗平臺如圖1a所示。焊縫接頭的抗拉強度采用微機控制電子萬能試驗機進行測試，由珠海三思泰捷公司提供，型號為CMT4102,測試平臺如圖1b所示。

2、工藝實驗結果及分析

2.1材料表面處理

在激光焊接前，對鈦合金TC4表面進行處理，表面處理的方式有4種，分別為砂紙打磨、噴砂、涂覆石墨層以及激光掃描。用砂紙打磨處理時，采用600目的水砂紙對板材表面分別進行橫向和縱向打磨，時間各為3 min,砂紙打磨后的材料表面平整，無明顯劃痕；噴砂處理是采用噴砂槍將260目的石英砂噴射到材料表面，噴砂后使材料表面平整，分別用丙酮、酒精清洗表面油污及雜質。涂覆石墨層的方法是：采用純度為95%,粒度3000目的鱗片石墨粉，將其用刷子多次涂覆在鈦合金TC4表面，直到材料表面的石墨粉分布均勻為止。激光掃描處理采用100W光纖激光器，平均功率為100 W,頻率為10?2000 kHz,波長為1070 nm,光纖芯徑為14 gm,激光束經過加工頭聚焦后，在激光焦點處的光斑大小為

0.028 mm,可以對材料表面進行激光掃描，在表面形成網格圖形，增加材料對激光的吸收率。

2.2激光焊接焊縫強度測試

采用最大功率3000 W的光纖激光器對4種表面處理后的鈦合金TC4板材進行激光焊接。經過測試，采用的焊接工藝參數為，激光功率2600 W,焊接速度為50mm/s,離焦量為+2 mm,采用氮氣對焊縫表面進行保護，氮氣流量為10L/mino將焊接樣品采用線切割機切割成標準式樣，采用拉力測試機測試樣品焊縫的拉力值，拉力值除以焊縫面積（焊縫面積等于焊縫寬度乘以焊縫長度）得到焊縫的抗拉強度值。表面未處理的焊縫抗拉強度為587 MPa,為母材（抗拉強度為895 MPa）的50%左右。砂紙打磨處理后的焊縫抗拉強度為889 MPa,非常接近母材的抗拉強度。

噴砂處理和涂覆石墨層后的焊縫抗拉強度分別為683MPa和678 MPa,比表面未處理的大，但是低于鈦合金母材。激光掃描處理后的焊縫抗拉強度為1106MPa,大于母材。

2.3激光焊接焊縫切片分析

對焊縫進行切片分析，焊縫切片如圖2所示，其中圖2a為未進行表面處理的焊縫切片，焊縫熔深較小，為1.50mm,這可能是因為鈦合金對激光反射率較高，材料吸收率較低，導致熔深較低，這種情況下，焊縫抗拉強度較低。圖2b為砂紙打磨處理后的焊縫切片，焊縫熔深增加到2.02 mm,相對于未進行表面處理的焊縫，熔深增加了 30%,這是因為砂紙打磨后，材料表面形成漫反射，提高了材料對激光的吸收率，進而增加了焊縫熔深，使焊縫抗拉強度增加到接近母材的抗拉強度。其中圖2c為噴砂處理后的焊縫切片，圖2d為涂覆石墨層后的焊縫切片，焊縫熔深相對于未進行表面處理的焊縫，熔深均有增加，但是焊縫內部存在微裂紋及氣孔，導致焊縫抗拉強度較低，這可能是因為噴砂處理以及涂覆石墨將雜質引入到了焊縫中，在熔池冷卻凝固過程中產生了裂紋傾向。圖2e為激光掃描處理后的焊縫切片，焊縫熔深為1.99mm,達到材料本身的厚度，表明材料被焊透，且焊縫內部無裂紋及氣孔，這是因為激光掃描后，在材料表面形成毛化現象，增加了材料對激光的吸收率，提高了焊縫的熔深，同時激光掃描過程中，未引入任何的雜質，不會產生裂紋及氣孔，使焊縫的抗拉強度大于母材。

2.4焊縫微觀結構分析

進一步對4種表面處理后的鈦合金TC4激光焊縫微觀結構進行分析，焊縫的熔合區500倍放大如圖3所示，其中圖3a對應為砂紙打磨處理后的激光焊縫熔合區的微觀結構，圖3b對應為噴砂處理，圖3c對應為涂覆石墨層處理，圖3d對應為激光掃面處理。 由圖3可知，所有樣品的熔合區顯微組織均為馬氏 體，對圖像仔細觀察可以發現，4種表面處理后激光 焊縫的馬氏體微觀結構之間存在一些差異，砂紙打磨 處理后的焊縫微觀結構由針狀a馬氏體結構組成，存 在暗色針狀顆粒，可能是TiC,噴砂處理以及涂覆石 墨層處理的焊縫微觀結構由片狀馬氏體結構組成，晶 界處存在較暗的顆粒，可能是石墨夾雜物，這些顆粒 會導致焊縫脆化，降低焊縫的抗拉強度。激光掃描處 理后的焊縫微觀結構由針狀a馬氏體結構組成，內部 針狀結構非常致密，內部無雜質，使焊縫抗拉強度達 到了最高的1106 MPa,超過了母材的強度。

3、結論

研究了表面處理對鈦合金TC4激光焊接的影響。 4種不同的處理方法如砂紙打磨、噴砂處理、涂覆石 墨層以及激光掃描均可提高焊縫抗拉強度及熔深。

焊縫熔合區域的顯微組織分析結果表明，所有焊縫均由馬氏體組成，但是不同的表面處理方式焊接后 的顯微組織有細微的差異，激光掃描處理后的焊縫微 觀結構中內部針狀結構非常致密，內部無雜質，使焊 縫抗拉強度達到了最高的1106 MPa,超過了母材的強度。

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