0 引言

随着航空航天产品对轻质高强的需求，钛合金因其较高的比强度和热强度、优良的低温性能及抗蚀性，成为航空航天关键结构件的首选材料^[1-2]。钛合金高温下具有极强的晶粒长大倾向，传统的氩弧焊工艺易导致焊接热影响区晶粒严重粗化，降低接头的塑性和韧性^[3-4]。因此能量密度高、焊接速度快、热影响区小的激光焊接工艺得到越来越广泛的应用^[5]。

激光焊工艺参数直接影响焊缝成形行为，成形参数决定接头的力学性能。研究表明激光T型接头的结合面宽度(以下称为骨架熔宽)影响接头的抗扭转性能^[6]，有效控制焊缝成形将有利于改善接头性能。本文基于钛合金蒙皮-骨架激光T型结构，研究工艺参数对焊缝成形行为及力学性能的影响。

1 实验

选用2 mm厚TC4钛合金板作为蒙皮材料，试板规格为100 mm×160 mm，选用6 mm厚TA15钛合金板作为骨架材料，试板规格为40 mm×160 mm，试板状态均为退火态。激光T型接头采用连续激光焊工艺，为了便于测试接头的剪切性能，焊接试板采用如图 1所示的结构形式。激光器采用IPG公司YLS-6000型光纤激光器。焊前使用除油剂和丙酮清除试板表面油污，采用化学方法(20%HF+40%HNO₃+40%H₂O溶液)去除表面氧化膜，焊前采用机械方式打磨焊接区域。

图 2为T型接头骨架熔宽(即蒙皮与骨架结合面宽度)、骨架熔深示意图，沿垂直于焊缝方向切割制备金相试样，采用化学试剂(20%HF+30%HNO₃+50%H₂O溶液)浸蚀抛光试样，使用KEYENCE VHX-1000E型体式显微镜观察焊缝组织，进而测量接头的骨架熔宽B和骨架熔深H。将焊接完成的T型试板加工成横截面如图 1所示，宽度为30 mm的剪切试样，每张试板加工5件，在美斯特CMT5105型电子拉伸试验机上进行剪切力测试，以5件试样的平均值作为试板的剪切力值。

2 结果与讨论

T型试板对应的成形参数及力学性能如表 1所示，各焊缝的横截面金相图如图 3所示。

2.1 激光功率的影响

T型接头骨架熔宽、骨架熔深及接头剪切力随激光功率的变化趋势如图 4所示。由表 1和图 4可知，在3.5~4.5 kW随着激光功率的增加，骨架熔宽及骨架熔深均呈现增长趋势，其中骨架熔宽由0.35 mm提高至0.63 mm，骨架熔深由0.04 mm大幅提高至0.59 mm。接头剪切力随着激光功率的增加同样呈现增长趋势：当功率由3.5 kW提高至4.1 kW，剪切力由7.45 kN提高至14.59 kN，增幅达150%；当功率超过4.1 kW后，接头剪切力变化不再显著。随着功率的增加，T型接头剪切力的提高与骨架熔宽及骨架熔深的增长相关。

2.2 焊接速度的影响

T型接头骨架熔宽、骨架熔深及接头剪切力随焊接速度的变化趋势如图 5所示。

由表 1和图 5可知，随着焊接速度由65 mm/s提高至110 mm/s，T型接头的骨架熔宽及骨架熔深均显著减小，其中骨架熔宽由0.63 mm减小到0.42 mm，骨架熔深由0.73 mm减小到0.11 mm。接头剪切力随着焊接速度的提高同样呈现下降趋势，由17.71 kN降低至9.49 kN。同样，随着焊接速度的提高，T型接头剪切力的下降与骨架熔宽及骨架熔深的减小相关。

2.3 离焦量的影响

T型接头骨架熔宽、骨架熔深及接头剪切力随离焦量(焊接时焊件表面距激光焦点的距离)的变化趋势如图 6所示。由表 1和图 6可知，随着离焦量由-10 mm向0变化，T型接头的骨架熔宽及骨架熔深均呈增长趋势，其中骨架熔宽由0.25 mm增加到0.60 mm，骨架熔深由0.03 mm增加到0.44 mm；当离焦量由0向+10 mm变化，接头骨架熔宽、骨架熔深呈波动变化。

接头剪切力随离焦量的变化趋势与骨架熔宽、骨架熔深的变化趋势基本一致。随着离焦量由-10 mm向0变化，接头剪切力由6.22 kN提高至15.03 kN；当离焦量由0向+10 mm变化，接头剪切力呈现出与骨架熔宽及熔深类似的波动变化趋势。因此，离焦量在-10~+10 mm变化时，T型接头的成形参数及剪切力对负离焦量变化敏感，对正离焦量不敏感。

T型接头激光焊接时，当激光束功率密度较高(≥10⁶ W/cm²)，在光束的作用下，蒙皮被迅速加热，表面温度在极短时间内(10^-8~10^-6 s)升高到沸点，蒙皮汽化产生的金属蒸气以一定速度逸出熔池表面，同时蒸气反作用于熔池液态金属，压迫熔池表面下凹出现小凹坑。当光束继续作用于坑底，逸出的蒸气促使凹坑进一步加深；此外，飞出的蒸气挤压液体金属流向熔池四周。随着焊接的连续，光束可直接射入凹坑底部，使液体金属中产生细长的小孔。当金属蒸气的反作用力与液态金属的重力和表面张力相平衡，便形成深度稳定的小孔，实现激光小孔焊接^[7]。

采用连续激光焊工艺焊接平板，焊缝熔深与激光功率、焊接速度的关系如式(1)所示，

$ \mathit{h}{\rm{ = }}\mathit{\beta }{\mathit{P}^{1/2}}{\mathit{v}^{{\rm{ - }}\mathit{\gamma }}} $

(1)

式中，h为焊缝熔深，P为激光功率，v为焊接速度，β和γ为取决于激光源、聚焦系统和焊接材料的常数^[7]。由式(1)可知，在其他参数保持不变的情况下，随着一定范围内激光功率的提高以及焊接速度的降低，焊缝熔深增加。由2.1~2.2节试验结果可知，骨架熔深(焊缝熔深减去蒙皮厚度)随工艺参数的变化规律与式(1)相吻合，即平板焊缝熔深与激光功率、焊接速度的关系式同样可应用于激光T型接头。

2.4 蒙皮与骨架间隙的影响

由图 3可知，蒙皮与骨架间隙为0.1 mm的13^#试样、间隙0.3 mm的14^#试样，焊缝成形良好，光束可穿透蒙皮作用于骨架，在骨架上形成一定的熔深；当间隙超过0.5 mm(激光功率4.5 kW，焊接速度80 mm/s，离焦量0 mm)，15^#试样光束未作用于骨架，蒙皮与骨架间未实现可靠连接，接头无承载能力。

T型接头骨架熔宽、骨架熔深及接头剪切力随蒙皮与骨架间隙的变化趋势如图 7所示。由表 1和图 7可知，随着蒙皮与骨架间隙由0增大到0.3 mm，骨架熔宽没有显著变化，骨架熔深显著减小，对应接头剪切力未见显著变化，结合2.1~2.3节，接头剪切力随工艺参数的变化趋势与骨架熔宽、骨架熔深的变化趋势基本一致，因此，骨架熔宽是影响激光T型接头剪切性能的决定性参数。这是由于骨架熔宽决定了接头进行剪切试验时受力面积的大小。

图 8为接头剪切力随骨架熔宽的变化趋势图。整体来看，随着骨架熔宽的增大，接头剪切力呈显著上升趋势。当骨架熔宽由0.25 mm增加到0.51 mm，接头剪切力由6.22 kN大幅提高至14.02 kN，提高一倍以上；随着骨架熔宽的继续增加，接头剪切力进一步提高至16.21 kN。另外，随着骨架熔宽的增加，剪切力曲线的斜率逐渐减小，当熔宽超过0.63 mm，曲线已趋于水平，说明随着骨架熔宽的继续增加，接头剪切力将趋于稳定。

因此，当匹配焊接工艺参数使T型接头的骨架熔宽超过0.51 mm时，接头剪切力可达到14 kN以上的水平，对应激光焊工艺参数调节范围为：连续激光焊功率不小于4.1 kW，焊接速度不超过80 mm/s，离焦量处于-5~+10 mm。

3 结论

(1) 蒙皮厚度为2 mm的激光T型接头，在其他参数保持不变的情况下，随着激光功率在一定范围内的提高，焊接速度在一定范围内的降低，骨架熔宽及熔深增加。

(2) 当连续激光焊功率超过4.1 kW，焊接速度低于80 mm/s，离焦量为-5~+10 mm，骨架熔宽可超过0.51 mm，接头剪切力达到14 kN以上水平。