引言
钛合金材料它具有高强度，耐高温、优良的抗腐蚀性能和良好焊接性等优点，是目前航空航天中被广泛使用的金属材料之一[1-2]。另一方面随着我国航空事业的蓬勃发展，越来越多的先进技术被应用于航空航天，其中激光焊作为近年来发展迅速的一种高能束流焊接，具有焊接速度快、热影响区小、焊缝成形美观、好的深宽比等优势，特别是近几年光纤激光器的高速发展，解决了工业传统的CO2和YAG激光由于功率限制而导致的只适用于薄板焊接的限制，使得激光焊接技术获得了更加广泛的应用[3-4]。
另外在生产中激光焊接有易操作，焊接位置精准、焊后形成的焊缝平整度高、变形小、稳定性强等优点。
焊后基本不需要进行二次加工处理，大大地节约了工序时间和加工成本，使得它越来越多地被用于生产制造当中。
随着航空航天的发展，各式各样复杂形状构件的大量使用不可避免地涉及到焊接结构，这使得钛合金的焊接技术变得相当重要。而焊后变形成为目前制约焊接发展的重要因素之一。经过多年研究，焊后可通过热处理校形解决焊接变形问题，该技术已十分成熟，目前也有较多文献对热处理后焊接接头的组织与性能影响做了分析研究[5-8]，但目前针对热处理次数对激光焊接接头影响的研究鲜见报道。随着航空航天产品结构形状越来越复杂，在实际生产当中，需要多次热处理校形的情况越来越普遍。本文针对TC4钛合金母材、激光焊接接头进行重复热处理，比较其接头组织和力学性能，为结构件焊后多次热处理提供试验依据。
1、试验材料与方法
试验材料为2.0mm厚的TC4钛合金薄板，M退火状态。规格300mm×200mm。焊接设备为通快6003Ｄ碟片光纤激光器，最大功率6000Ｗ，激光波长1.06μm，光纤芯径为300μm，采用300焦长的HIYAG激光焊接聚焦镜系统。通过ＫＵ-ＫＡ机械手实现焊接轨迹，进行不填丝的激光拼焊试验。
为保护接头受热表面不受空气影响产生氧化，试验时采用99.999％纯度的氩气进行保护。焊前通过2％～4％HF＋30％～40％HNO3＋H2O（余量）的酸洗液对焊接表面进行酸洗处理，酸洗后烘干，待焊接前使用钢丝刷打磨，然后采用酒精、丙酮擦拭表面，保持焊接位置干净。为防止焊接过程中板材变形，采用焊接夹具对材料进行约束。同时背面通入氩气保护。试验工艺参数为激光功率P为2000Ｗ～3500Ｗ，焊接速度ｖ为4m/min～6m/min，离焦量△ｆ为-1.5～1.5mm。试验结束后，为了消除咬边等表面缺陷对性能的影响，对焊后的焊缝进行了激光双面修饰焊。焊后进行X光检测，满足一级焊缝标准后，将母材、接头分别进行1次～4次热处理，热处理制度为120min内从室温均匀加热至300℃，保温30min，然后160min内从300度均匀加热至640℃，保温170min，随炉冷却至100℃以下出炉，热处理制度示意图如图1所示。
将焊接态和焊后热处理态的母材以及焊接接头制作成金相试片，将焊接接头制成拉伸试样。图2为拉伸试样的尺寸示意图。
2、实验结果分析
2.1显微组织分析
如图3所示为原始激光焊接态的金相组织，从图3（ａ）焊缝区可以看出，组织中主要以近等轴状的β晶粒组成，部分区域形成稍微拉长的β晶粒，晶界清晰，并且显微组织经历了激光高温重熔，凝固过程中形成粗大的近β晶粒，晶粒尺寸在200～300μm之间[9]；β晶粒内部主要以互相交错的“网篮状”马氏体组成。如此组织主要与激光焊接的特点相关，由于激光焊接能量密度大，熔池温度高，冷却速度较快，熔池降温速度快，温度梯度大，属于非平衡凝固过程，β相降温过程中来不及发生扩散相变转变为α平衡组织，而直接通过
非扩散性切边形成α′针状马氏体，焊缝在冷却过程中，在β晶粒的边界和内部同时发生α′针状马氏体相变。并且α′相以不同方向集束的形式交织在一起，形成所谓的“网篮状”马氏体组织。受激光焊接热输入的影响，热影响区长条状轧制态α相出现一定程度球化现象，如图3（ｂ）所示，这与钛合金的退火球化过程相似[10-11]，并且球化的α相发生了一定程度的长大，相比于母材轧制态的细长晶粒，热影响区晶粒沿轧制方向的长度减小，垂直于轧制方向的长度增加，即受到α相球化与长大过程的影响；而且可以发现，相对母材（图3（ｃ））来讲，在热影响区内的α相与β相大致比例也发生变化，这是由于热影响区靠近焊缝熔合区，一般情况温度基本靠近α/β相变点，会促进β→α转变，由于激光焊接热影响区小于一般熔化焊接过程，会使热影响区的组织冷却速度较高，从而保留到室温的α相便会增多。
对原始激光焊接态TC4进行不同次数的热处理研究，热处理工艺如图1所示。多次热处理后的显微组织如图4所示，对于焊缝区组织来讲，从第1次热处理到第4次热处理，整个过程中近等轴状β晶粒和β相中的互相交错的马氏体组织并没有发生明显的改变，并且相较于焊接态（图3中组织），几乎没有发生变化；对于热影响区和母材相同处理条件的显微组织，依旧是热影响区的等轴和粗化的α相，而且在母材中还可以发现弯折的α相和沿着轧制方向长条状的α相，表现出明显的原始退火态TC4板材组织特征。这些特点可能与相应的
热处理条件相关，每一次热处理焊件都经历了从室温到640℃总共8ｈ的受热，640℃仅有170min，对于焊件第4次热处理组织来讲，基本上在640℃下处理了11ｈ左右，但是显微组织并没有明显的改变。可能是由于640℃与TC4合金的α/β相变点相差较远，在此温度下TC4合金焊件并不能发生明显的扩散和组织改变，仅仅是内部应力的释放过程。正如张[12]对Ｔｉ62Ａ合金电子束焊接后组织的长时低温处理表明，热处理保温阶段的温度较低时，对焊接过程中在热影响区保留的特殊结构以及熔合区的细小片层组织结构并无太大影响。并且TA15电子束焊后多次热处理也发现了类似的结果[13]。
2.2室温力学性能
焊接态以及焊后多次热处理态焊接接头力学性能如表1和图5所示，每一种状态都是三次拉伸取平均值。表1为原始焊接态和多次热处理试样的室温力学性能数据，图5分别为焊接态和多次热处理试样的室温抗拉强度、屈服强度和断面延伸率柱状图。从以上数据可以看出，焊接接头的力学性能较为优异，室温抗拉强度达到1100MPa以上，最低屈服强度达到1023MPa，断面延伸率在10％左右。
从图5的柱状图上可以看出，屈服强度和断面延伸率在原始焊接态和多次热处理态变化很小，屈服强度最大值与最小值的差值仅为60MPa，差别也不是很大，这与组织特征是相符的。材料的性能是受到化学成分和组织结构的影响，对于焊接态和多次热处理的焊缝，其显微组织基本无变化，因此其拉伸力学性能得轻微波动也是正常现象。
3、结论
（1）TC4钛合金2mm薄板激光焊接接头区由于冷却速度较大，显微组织以α′针状马氏体为主，并形成“网篮状”交错分布的形态，母材区为拉长的α相，而热影响区出现α相的球化特征；
（2）多次热处理焊件显微组织研究发现，在焊缝区、热影响区和母材区显微组织基本无变化；
（3）原始焊接接头室温力学性能较为优异，抗拉强度1139MPa，断面收缩率10.9％，达到了焊接件的使用要求；焊缝多次热处理后的力学性能基本上变化不大，仅三次热处理后屈服强度出现一定的下降，但幅度较小。
参考文献
[1]ＢＯＹＥＲＲＲ.ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｎｔｈｅｕｓｅｏｆｔｉTAｎｉｕｍｉｎｔｈｅａｅｒｏｓｐａｃｅｉｎｄｕｓｔｒｙ[J].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒ-ｉｎｇＡ，1996，213：103-114.
[2]王清江，刘建荣，杨锐.高温钛合金的现状与前景[J].航空材料学报，2014，34（4）：1-26.
[3]崔丽，张彦超，贺定勇，等.高功率光纤激光焊接的研究进展[J].激光技术，2012，36（2）：154-459.
[4]卞宏友，左士刚，曲伸.激光沉积修复TA15/TC17钛合金组织与力学性能[J].应用激光，2019，39（4）：550-555.
[5]吴会强，冯吉才，何景山，等.Ti-6Al-4V电子束焊接焊缝区域精细组织特征[J].航空材料学报，2005，25（3）：21-24.
[6]顾宝兰，丁大伟，王丽，等.热处理对TC4钛合金电子束焊接件组织性能的影响[J].焊接学报，2007，36（2）：154-459.
[7]卜文德，刘容光，宋锋涛，等.电子束局部热处理工艺对TC4钛合金焊接接头组织及硬度的影响[J].焊接学报，2017，38（9）：102-106＋133.
[8]金玉花，金赟，卢学天，等.热处理对选区激光熔化18Ni300成形组织性能的影响[J].应用激光，2019，39（3）：394-399.
[9]吴凯，姚为，范小龙，等.热处理对ＢＴｉ-6431Ｓ合金激光焊接头组织与性能的影响[J].材料热处理学报，2015，36（6）：99-103.
[10]ＣＨＥＮＨＱ，ＣＡＯＣＸ，ＧＵＯＬ，ｅTAｌ.ＨｏｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆTC11ｔｉTA-ｎｉｕｍａｌｌｏｙｉｎβｆｉｅｌｄ[J].ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅTAｌｓＳｏｃｉｅｔｙｏｆＣｈｉｎａ，2008，18（5）：1021-1027.
[11]ＷＡＮＪＡＲＡＰ，ＪＡＨＡＺＩＭ，ＭＯＮＡＪＡＴＩＨ，ｅTAｌ.Ｉｎ-ｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃ-ｔｕｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｉｎｎｅａｒ-αａｌｌｏｙＩＭＩ834[J].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，2006，416（1-2）：300-311.
[12]张仕林.（α＋β）钛合金电子束焊接接头显微组织及力学性能研究[Ｄ].合肥：中国科学技术大学，2019：52-56.
[13]韩鹏，唐振云，余伟，等.多次热处理对TA15钛合金电子束焊接头组织和性能的影响[J].焊接，2010（10）：59-61＋72.
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