0 前言

在汽车、航空等领域，钛合金是应用非常广泛的金属。为了实现轻量化，钛合金和铝合金的连接受到越来越多的关注和重视。与搅拌摩擦焊、电阻点焊、扩散焊和超声波焊等焊接方法相比，激光焊具有可控性好、热输入量小等特性，特别是光纤激光器，还具有较好的光束质量和稳定性，可以对热输入量进行合理的控制和分配。

由于钛合金和铝合金的物理与化学性能差异较大导致其焊接极其困难。首先，钛合金在不同温度下与空气中的氢气、氮气和氧气等发生反应形成脆性化合物，严重的降低了接头的抗拉强度，所以合理的气体保护方式是钛/铝异种合金焊接的关键之一。其次，钛/铝异种合金易生成一层较厚的脆性金属间化合物，严重的影响了焊缝的力学性能，因此减少金属间化合物的生成是钛/铝异种合金焊接的关键。Majmndar B等人[1]以CO2激光器作为激光源，在钛/铝界面加入铌薄片进行对接焊试验，研究发现添加铌薄片可以有效的阻止钛/铝的相互扩散，从而达到减少金属间化合物生成的目的，但是接头强度仍不高，而且复杂的工艺和昂贵的成本很难得以实用。Chen等人[2]利用散焦CO2激光束作为激光源，Al-12Si作为焊丝对铝和钛进行对接焊试验，研究发现界面化合物的种类和厚度都对焊缝性能有极大的影响。国内外研究学者大多都以加入不同中间层和焊丝去减少脆性化合物的产生，但是从热量的输入和分配着手去减少脆性化合物从而改善接头力学性能的研究还较少。文中不添加任何中间材料进行对接焊试验，对热输入量进行合理的控制和分配，从而减少了金属间化合物的厚度，得到了力学性能良好的焊接接头，为异种材料焊接的研究提供了参考。

1 试验材料与方法

试验所用设备型号为UW-S1000-TU光纤激光器，最大功率为1 kW、光纤直径为50 μm、出射头准直焦距和聚焦焦距分别为200 mm和150 mm。焊接前需除去钛板和铝板的毛刺和氧化膜，用自行设计的四管式排气管(图1)在焊缝上部和下部进行氩气保护，焊接试验系统如图2所示。试验材料选用尺寸均为50 mm×30 mm×1 mm的TC4钛板和LD2铝板，其化学成分如表1所示。文中选择激光离焦量2 mm，激光光束垂直材料表面入射，分别研究焊接速度和激光偏置距离(偏钛侧为正、铝侧为负)对接头性能的影响。焊后垂直于焊缝切割，并进行打磨、抛光、腐蚀，采用金相显微镜、SEM、EDS、XRD等方法对焊缝微观组织和结构进行分析，使用MT6104型拉伸试验机对焊后接头进行拉伸试验测试，每组工艺参数测试4个试样取平均值，作为该接头的抗拉强度。

  

图1 四管式排气管

  

图2 焊接试验示意图

 

表1 TC4和LD2的化学成分(质量分数，%)

  

材料Al VFeSiTiCuMgTC45.4～6.83.5～4.5≤0.3≤0.15余量——LD2余量—0.15～0.350.6～1.2—0.2～0.70.45～0.90

2 试验结果与分析

2.1 焊接速度对焊缝形貌的影响

图3是偏置距离为0.24 mm，激光功率为820 W的不同焊接速度下的焊缝形貌。可以看出，当焊接速度为20 mm/s时，焊缝表面凹凸不平，而且焊缝明显变宽，钛侧金属大量熔化且出现下塌现象，这是因为热输入量过大导致金属出现了严重的烧损。随着焊接速度的增加，钛合金和铝合金之间的界限明显变窄，当焊接速度为80 mm/s时，它们之间已经没有明显的界限，结合非常紧密，钛、铝异种合金之间产生了良好的冶金反应。当焊接速度为120 mm/s 时，铝合金和钛合金之间有很明显的界限，这是因为焊接速度过快，激光停留时间过短，热输入量过低导致部分焊缝未熔合，界面没有产生良好的冶金反应。

  

图3 不同焊接速度下的焊缝形貌

焊缝形貌在不同的功率和焊接速度下呈现出X形和Y形等形貌。从图4a可以看到，焊缝形状为X形，焊接速度很小时，单位时间内材料吸收的激光能量增加，而冷却速度相对较慢，对熔池上表面的热传导作用加剧，通过热传导的方式增大熔宽的时间也随之增加，势必导致熔宽增加[3-4]。另一方面小孔内部和工件表面的等离子体密度及其对激光能量的吸收率提高，导致温度升高，这会削弱匙孔壁直接对激光能量吸收，焊缝下部在较高的能量和熔池的搅拌作用下使熔宽变宽，呈现出两头宽中间窄的形貌[5]。同时可以看出，焊缝上端熔宽比焊缝下端熔宽窄，这是因为焊缝上端保护气体流量比焊缝下端保护气体流量大，焊缝上端等离子体和金属蒸气受到氩气的抑制，削弱了对熔池焊缝上端的热辐射，而焊缝下端蒸气和等离子体受氩气的热沉作用，因此焊缝下端受到持续加热作用，使焊缝下端更宽。当焊接速度很大或功率很小时，其焊缝成形如图4b所示，可以看出焊缝呈Y形，这是由于焊接速度过快或者激光功率太小时，焊缝上端和焊缝下端迅速冷却，受到的热作用时间短，因此焊缝熔宽变窄，特别是下端影响更加明显，Y形焊缝焊缝下端易出现未熔合现象。

  

图4 焊缝形貌

2.2 力学性能分析

2.2.1 焊接速度对接头力学性能的影响

基于旅游景区建设的旅游接待型小镇是旅游商业房地产和旅游度假房地产开发的绝佳区域。武陵山场镇可结合“十三五”规划，在原上龙村开发旅游度假商业房地产，与武陵山场镇、茶园壩社区形成三大聚居区，统筹发展，建设完整的旅游观光、居住消费经济价值链。

  

图5 抗拉强度随焊接速度的变化曲线

焊接速度的快慢影响焊缝的冷却速度，焊接速度越快焊缝冷却速度越快，反之则越慢，然而冷却速度对焊缝上部、中部和下部的焊缝形貌、熔合比、内应力以及金属间化合物的厚度都有重要的影响。图6为偏置距离0.24 mm、激光功率820 W条件下不同焊接速度下断后伸长率的变化曲线。当焊接速度小于40 mm/s时，断后伸长率虽然缓慢增加，但是其值很低，这跟高功率相似，主要是加热时间长导致钛金属大量熔化，钛、铝两种液态金属相互扩散，因此生成了大量的金属间化合物，而且焊缝产生大量的气孔等缺陷，因此断裂为脆性断裂，断后伸长率不高，当焊接速度在60～90 mm/s时，断裂伸长率曲线平稳，而且断裂方式为韧性断裂；当焊接速度增大到120 mm/s时，断后伸长率严重下降，这是因为焊缝出现未熔合现象，导致结合力极低。

图7为焊接热输入10.25 J/mm、焊接速度恒定的情况下抗拉强度随着激光偏置距离的变化曲线。随着向钛、铝侧偏置距离的增加，抗拉强度先增大后减小，当偏置钛合金一侧很近时，由于铝合金熔点较低以及铝合金存在氧化铝等杂质，使铝合金产生大量的气孔等缺陷，严重地影响了接头的力学性能，而当偏置距离太大时，会因热源中心到界面的距离太远而无法产生很好的冶金反应，甚至有的连接仅是机械咬合。

  

图6 焊接速度对断后伸长率的影响

2.2.2 激光偏置距离对接头力学性能的影响

目前工程实际中进行有限元模型修正时大多采用模态频率、模态振型和振型相关系数3种残差，本文采用了模态频率和振型相关系数2种残差。若在修正时目标函数中各种残差项所占权重相同，则修正效果不太好，因为模态频率是系统的主要特征参数，且识别精度高，修正时所占权重应该较大。当处理工程实际问题时，需要考察的不仅仅是修正后各项残差的变化，修正参数的变化也很重要。通过在目标函数中引入加权矩阵，控制修正参数的变化量，在获得几乎相同修正效果的同时避免修正参数无意义的变化，最后获得的结果更具有工程实际意义。

  

图7 抗拉强度随偏置距离的变化曲线

(1)光纤激光器可以对钛/铝异种合金进行有效的焊接。激光光束置于钛侧利用热传导使铝熔化形成的焊接接头比直接作用于铝侧形成的焊接接头质量要好。

2.3 焊接速度对金属间化合物厚度的影响

钛合金和铝合金物化性能差异极大，当激光束偏置距离较小或激光功率较大时，由于钛合金、铝合金均发生熔化，因此钛合金和铝合金焊缝界面易生成一层较厚的金属间化合物。金属间化合物的厚度的计算公式，即

 

(1)

式中：K0为反应常数；Q为扩散激活能；T为温度；t为反应时间；R为理想气体常数[4]。

由式(1)可以看出，金属间化合物的厚度主要受温度和反应时间的影响。激光功率越大，热输入越大，焊接温度越高，因此金属间化合物的厚度也越大。激光焊接速度越快，焊接时间越短，热循环迅速，金属间化合物的厚度较小。因此可以通过适当的降低激光功率和增大焊接速度来减少金属间化合物的生成。

断裂位置在铝侧的抗拉强度可达242 MPa，其断口形貌和EDS如图9所示，此种断后伸长率在5.42%左右，如图9a所示，断口有大量撕裂棱，是韧性断裂，图9b为撕裂棱顶端能谱(EDS)分析，可以看到该处Al元素质量分数达到94.21%，没有生成金属间化合物、氧化物等影响焊缝性能的脆性物质，可推断该断裂位置为铝侧。图10为焊接速度20 mm/s处的断口形貌和EDS图，这种断裂主要是热输入量过高造成的脆性断裂，其断后伸长率在3.34%左右，断裂区域在焊缝处的平均抗拉强度仅有174 MPa，其断口能谱分析如图10b所示，此区域有70.65%的铝元素和27.3%的钛元素，可推断此处断裂位置是焊缝区。图11是焊接速度为120 mm/s处的断口形貌和EDS图，可以从图11a中可以看出断口比较平滑，这是因为焊接速度过快，热输入量过低造成了未熔合现象，从能谱图11b也可以发现此处成分接近钛母材的成分，此种接头的断后伸长率在2.28%左右、抗拉强度最低。

  

图8 焊缝中部显微结构图及能谱分析结果

 

表2 EDS能谱分析结果(原子分数，%)

  

区域TiAl 146.7553.25291.22 8.78397.46 2.544 0.4799.53

2.4 接头的断裂行为分析

总结上述分析结果，接头断裂于铝侧的接头大多可以获得较高的抗拉强度，而断裂于焊缝区位置的接头因为热输入量过多生成了较厚的金属间化合物，其抗拉强度明显降低。也就是说，界面反应层的结构和厚度是影响接头力学性能的关键，界面处形成的金属间化合物越厚，接头的韧性和塑性越差，同时界面反应层也是导致焊缝萌生裂纹与扩展的薄弱区域。

图8为焊接速度 80 mm/s、偏置距离0.24 mm的焊缝中间区域电子显微照片。区域1是在界面上连续的反应层，平均厚度只有2 μm，区域2和区域3是偏向钛侧的厚度在30 μm左右的区域，对区域1、区域2、区域3和区域4进行能谱(EDS)分析,能谱分析结果如表2所示。区域1中Al元素和Ti元素比率接近1∶1，此区域为金属间化合物层；区域2和区域3 Al元素都发生了少量的偏析，但是未生成金属间化合物。4区域为Ti元素含量极少，没有生成金属间化合物。

  

图9 焊接速度为80 mm/s时接头断口形貌及EDS图

  

图10 焊接速度为20 mm/s时接头断口形貌及EDS图

  

图11 焊接速度为120 mm/s时接头断口形貌及EDS图

经对不同焊接速度下的接头进行了抗拉强度试验，接头断口形貌图及EDS图如图9～11所示。对试验结果进行了统计分析，发现接头的断裂位置有铝侧、焊缝区和界面处三种。据试验结果统计，断于铝侧的接头金属间化合物厚度在2 μm左右；断于焊缝区的接头大多都是因为热输入过大，此种接头的金属间化合物厚度大于16 μm；断裂在界面处的接头大多都是因为热输入不够造成未完全熔合。

图5为偏置距离0.24 mm、激光功率820 W条件下不同焊接速度的抗拉强度变化曲线。可以看出抗拉强度呈现出先增大后减小的趋势；当焊接速度为20 mm/s时，由于焊接速度较慢，熔池高温停留的时间较长，熔池冷却速度相对缓慢，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变粗，有可能在界面形成了Al2Ti，Al3Ti，AlTi等多种金属间化合物[6]。当焊接速度增大到80 mm/s时，获得了良好的焊接接头；但是当焊接速度增大到120 mm/s左右时，其抗拉强度明显下降，这是因为焊接速度过快，焊缝底部冷却也较快，出现了未熔合现象。

3 结论

从图7可以看出，偏置钛侧比偏置铝侧更能获得优异的接头，这是因为当激光偏向铝侧时，钛合金通过热传导而熔化，要使高熔点(1 677 ℃)的钛合金熔化，铝侧必须处于高温状态(高于铝的熔点660 ℃)，这会使铝侧金属发生汽化不利于焊接。焊后，由于铝具有较高导热系数会使焊缝以较快的速度冷却，从而产生裂纹、气孔等缺陷。而当激光束偏向钛侧时，激光能量直接作用在钛合金上，铝合金通过热传导而熔化，铝侧温度并不会过高，且钛的热导系数较低，可以减缓焊后冷却速度，有利于焊缝中气体的溢出，减少气孔的产生，从而改善焊接接头质量。

甲状腺组织的供血比较丰富,甲状腺功血血管和心脏的位置较进,血管的压力高,因此术后出血的几率比较高。甲状腺和颈内动脉距离近,手术后再次出血容易引起窒息、心跳和呼吸骤停的情况,对患者的生命造成威胁。手术中,诶呦对皮下出血点进行检查是导致皮下出血的重要原因,该类出血发生率低,患者不会有呼吸困难等严重症状,对该类出血的护理应该着重在护理上,观察患者的皮下出血情况,为患者进行解释。甲状腺窝出血比较多见,会引起患者的烦躁、憋气和紫绀症状,严重的还会心脏骤停。临床中需要进行有效的术后出血防治,并结合可靠的护理。此次我院就患者的护理干预效果进行研究分析。

(2)优化焊接速度来控制热输入量，以及利用激光偏置距离来合理分配能量。研究表明，当焊接速度为80 mm/s、钛侧偏置距离0.24 mm时，获得良好的焊接接头，断后伸长率为5.42%，其抗拉强度最高可达242 MPa。

式中直接电能Edirect的计算方式如式(1)～式(8)所示，间接能耗Eindirect的计算方式如式(9)～式(15)所示。

2016年底，云南建设完成1个统筹全省服务资源的枢纽服务平台、16个州市综合服务窗口平台和13个重点产业集群（行业）专业窗口服务平台的网络体系。两年来平台累计带动1398家服务机构，其中有近330家服务机构在平台网络在线系统通过发布服务信息、开展线上服务等方式，为全省中小微企业不同发展阶段提供全方位服务支撑。每年依托各州市中小企业“窗口”服务平台，重点围绕政策解读、信息发布、创业辅导、技术支撑、互动对接、展览展示、创新论坛等内容，采取形式多样、种类丰富的方式集中开展了“双创”活动。

(3)在材料激光焊接参数允许的范围内，可以通过适当降低激光焊接功率、增大焊接速度来减少焊缝处金属间化合物的厚度。

参考文献

[1] Majmndar B,Jalun R,Weisheit A,et al. Formation of a crack-free joint between Ti alloy and Al alloy by using a high-power CO2 laser[ J]. Journal of Materials Science 1997,32(23): 6191-6200.

[2] Chen S H,Li L Q,Chen Y B. Formation mechanism of porosity in laser welding-brazing of Ti/Al dissimilar alloys[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2010,39 (1):32-36.

[3] 付刚，胡刚.TC4钛合金超塑性成形/扩散连接后电子束焊接技术[J]. 航空制造技术,2004(12): 72-80.

[4] 曾乐.现代焊接技术手册[M]. 上海：上海科学技术出版社，1993.

[5] 姚伟，巩水利，陈俐. 焊后真空热处理对BT20钛合金激光焊接接头性能的影响[J]. 焊接，2003(6)：21-24.

[6] 陈凯华. 铝/钛异种合金激光深熔钎焊新工艺[D].北京工业大学,2011.