引言

钛合金拥有密度低、比强度高、抗侵蚀性好、焊接机能杰出蹬着势，已被宽泛利用于航天航空等领域［1-2］。薄壁钛合金构件作为一种沉要的利用大局，其衔接和成形至关沉要。相较于铆接，焊接可能整体提升构件机能，同时降低结构沉量。与其他焊接步骤相比，激光焊能量密度高、热源集钟注焊接速度快，越发适合薄壁钛合金的焊接，激光焊接的接头机能好，焊缝质量高，结构变形量幼，更能满足工程利用。但由于薄壁构件容易扭曲变形以脊合金较低的弹性模量和热导率，导致薄壁钛合金构件焊接后的残存应力和变形问题造约了其在某些高精度场所的利用［3-4］。

由于焊接残存应力与变形的本原在于焊缝形成过程中加扰纂冷却温度不均［5］，因而能够选取温差拉伸法（如预热法、在线冷却法）来节造残存应力和变形。预热法是将焊接零件在焊接前加热至合适温度使其产生扰爪力以抵消焊接产生的应力［6］，但会受造于焊缝结构和加热设备；在线冷却法令脱节了焊缝结构的限度，能够在焊接过程中在线同步进行强造冷却［3，7］。刚性固定法是通过增长扰装响区的刚度来抑造变形量，这往往必要专用的焊接夹具，不仅成本高周期长，并且抑造成效有限。预变形法［8］是在焊接前使待焊零件产生适当变形或应力来抵消焊接产生的变形和应力，但预变形量和预拉伸应力的大幼和方向很难精确预测。

在目前的钻研及利用中，关于薄壁钛合金激光焊策应力与变形节造的有关钻研较少，本文利用水雾在线冷却法对1.2mm厚TC4钛合金激光焊接变形及残存应力节造进行了试验钻研，以证实该步骤的有效性和可行性。

1、冷却道理、试验设备及工艺试验设计

1.1水雾在线冷却法

水雾冷却技术借助喷嘴将水雾化后均匀喷射至待冷却热源的表表，在表表上形成一层薄液膜，依附液膜的蒸发、对流、液滴的冲击和核态沸腾、膜态沸腾等相变过程带走热源表表的热量。由于雾化后的水滴拥有较大动能且液膜对流和蒸发相变同时存在，因而水雾冷却技术能够利用于拥有极高热流密度的场景，理论上可达1000W/cm2［9］。水雾冷却技术还拥有传热系数高、冷却工质用量幼、与固体表表无接触热阻、冷却均匀蹬着点。选取水雾冷却技术与激光焊接技术相结合，当激光照射在焊缝处形成熔池时，水雾喷嘴通过高压气体将蒸馏水雾化喷射在焊缝处形成液滴，并迅速形成一层液膜，随后液膜在后续喷射下剧烈扰动，传热热阻减幼，冷却效能提高。如图1所示，陆续喷射的水雾使液膜厚度从中心到边缘先增大后减幼，在短功夫内达到不变的过程中，冷却热流密度先增大而后迅速减幼，其具体过程为：当第一个液滴达到表表后迅速形成液膜，此时的温差、相变量和热流密度相对较大，而后液膜覆盖整个热源表表，相变量削减，热流密度降落，气相对热流密度的贡献减幼，但与传统换热的热流密度相比仍比力大［10］。焊接热源在液膜和气流的作用下带走了一部门热量，减幼了焊缝处的温度梯度，从而可减幼板材的焊后残存应力，提高焊接接头质量。

分歧的水雾冷却参数对焊接过程中的应力应变场散布情况影响分歧，对接头焊缝质量的改善成效也分歧，因而有必要针对性地钻研分歧水雾冷却参数对薄板激光焊接接头应力变形的影响法规，获取最佳的水雾冷却前提以实现对薄板激光焊接过程中残存应力和变形的有效节造。

1.2试验设备

激光焊接水雾冷却系统萦绕激光焊接设备发展，其中蕴含供液部件、管路部件、节造部件、丈量系统，试验平台如图2所示。选用最大功率达12kW的TruDisk12003碟片式激光器，配置PrecitecYW52焊接头，使用KUKAKR60HA高精度焊接机械人。

在试验过程中，吓咨激光焊接设备对焊缝进行焊接，在节造部件中设定该工况下焊缝表表的凝固温度，水雾机通过高压气体使蒸馏水经供液部件与管路部件在喷头处雾化，随后喷洒在已凝固的焊缝表表进行冷却。通过压力阀调整水雾压力，扭转焊缝冷却温度，以探索水雾冷却对焊缝成形的影响及当前焊接参数下最佳水雾冷却参数。水雾在线冷却系统如图3所示。残存应力测试选取盲孔法，选取ZS21B型残存应力检测仪，如图4所示。

焊接变形测试选取三维检测技术，通过手持激光三维扫描仪在焊前和焊后扫描焊件得到其三维数据，在电脑软件中同步进行模型沉建，所测得的变形数据与试样原始数据进行对比，得出试样的变形云图。其道理及操作如图5所示。

微观描摹的检测由造取的焊接接头横截面金相试样经过打磨抛光侵蚀后通过金相显微镜观察并拍照获得，侵蚀剂为Kroll试剂（化学成分为HF、HNO3和H2O，体积配比为2∶l∶20），使用的金相显微镜为MR-5000光学显微镜。

1.3工艺试验设计

选取的TC4薄板尺寸规格为500mm×100mm×1.2mm，接口大局为对接，无坡口，对合建配间隙为0mm，激光入射角度为90°，激光无摆动。薄板焊缝两侧通过金属块压紧，焊前对待焊试板进行表表算帐并打磨焊缝两侧约15mm区域，去除氧化层的同时增长待焊区域的表表粗糙度，以增长焊缝区域对激光能量的吸收，同时在焊接时在焊缝正背面通氩气进行；。为了索求水雾在线冷却对薄板激光焊接残存应力和变形的影响法规，在现实工艺试验当选取一样的焊接工艺参数，将水雾压力作为水雾在线冷却试验的单一变量，如表1所示，无水雾冷却的试样编号1-0，有水雾冷却的试样编号别离为1-1，1-2，1-3。

如图6所示，在焊接过程中维持水雾喷嘴距焊接接头的距离为150mm，通过调整压力来节造水雾流量和动能，进行分歧水雾冷却参数下的激光焊接试验，检测焊接接头变形和残存应力散布情况并观察微观组织描摹，探索水雾冷却参数对焊接接头质量的影响。

2、试验了局及分析

2.1TC4激光焊接试验残存应力及变形量焊接试样如图7所示Ｋ伎嫉狡桨宥越咏峁购附硬写嬗αΦ纳⒉继氐，残存应力测试点地位的拔取如图8所示，别离为：焊缝中心（1号点）、焊缝中心两侧1mm的地位（2号点）以及焊缝中心两侧5mm的地位（3号点），1、2、3号点间距15mm。残存应力测试了局如图9所示，对比3种分歧水雾冷却参数的试样，残存应力都出现出焊缝＞扰装响区＞母材的趋向，且比无水雾冷却的残存应力幼，其中水雾冷却0.4MPa时焊缝处残存应力最幼，比无水雾冷却的试样残存应力降低29.0%，注明水雾冷却对平板对接试样的残存应力节造有肯定优化成效，且选择适当的水雾冷却参数，能进一步改善节造成效。图10为试样的变形测试云图，从图中能够看出，试样的整体变形趋向为中央部位变形较大，双方部位变形较幼且变形方向与中央部位相反。

为便于对比变形了局，在试样焊缝、焊缝一端以及焊缝中央的部位拔取3条蹊径进行分析，如图11~图14所示，别离为1-0试样、1-1试样、1-2试样、1-3试样变形丈量拔取蹊径及各蹊径变形了局。

对比3种分歧水雾冷却参数的试样，变形的重要大局为较为显著的两侧翘曲变形和焊缝拱曲变形，其中试样1-2即水雾压力0.4MPa的总体变形最幼，约降低17.6%，如图15所示。

2.2TC4钛合金激光焊接试验微观组织分析

与传统焊接步骤分歧，激光焊获得的焊缝冷却速度快，故其扰装响区没有显著的粗晶区，如图16所示是光学显微镜下焊接接头扰装响区微观组织。由图可知，焊接接头的扰装响区由初生αp相和少部门针状马氏体α′组成，这是由于扰装响区的加热温度多数在β相转变温度（720~980℃）领域，加热峰值超过相变点温度产生αp→β相变的组织较少，且在熔合区传热的影响下冷却速度较慢，使得αp相无法齐全转变，而已转变的αp相由于在高温停顿功夫过短，成长受限，最终仅形成了微量藐幼的针状马氏体α′［11］。对比两种试样可知，水雾冷却前提下的试样扰装响区产生组织转变的αp相更少，这是由于在随焊激冷的前提下焊接接头冷却速度加快，焊缝及扰装响区的热量被冷却介质急剧带走，扰装响区的加热峰值及停顿功夫均降低，不再具备组织转变前提。激光焊接时焊接区域经过急剧加热和冷却后产生凝固和结晶，这个过程推进了柱状晶的形成。

焊接工艺参数和冷却前提分歧时，焊接的热输入量和持续功夫也分歧。热输入量增大且功夫充分时，焊缝中分歧区域形成的β柱状晶相对于热输入量较幼或功夫不实时越发粗壮，且密集交错，方向性差［12］。与扰装响区相比，焊缝区热输入量大且冷却速度快，β柱状晶数量增多，在β柱状晶内部及周围，存在更多呈条状或网状散布的针状马氏体，试样1-0和试样1-3的焊缝区显微组织如图17所示。

由图可知，两种试样焊缝区在冷却过程中焊缝显微组织均产生马氏体相变，β柱状晶尺寸较大且内部马氏体针密集，呈条状或网状散布。由于热输入量较大且冷却速度相对缓慢，焊缝中部的柱状晶尺寸比焊缝下部的柱状晶尺寸大［13］。

对迸仔无水雾冷却的试样可知，有水雾冷却的1-3试样焊缝的网篮状组织尺寸越发藐幼，散布也越发规整有序，而无水雾冷却的1-0试样焊缝的马氏体显著粗壮，且互订交叉，方向性差。这是由于无水雾压力冷却的焊缝区域的冷却速度较慢，产生的过冷度较幼，使得晶核只能在晶界产生并长大成晶界αgb，同时由于成长速度也较慢，形核驱动力不及以形成陆续的晶界［14］，而在水雾冷却的前提下焊缝区的温度梯度增大，冷却速度加快，使得马氏体相变过程越发急剧有序［15］，晶粒成长方向越发趋于一致，进而形成炼多尺寸藐幼、分列有序的针状马氏体，这注明水雾冷却对显微组织有肯定的细化作用，对焊接的力学机能可起到提升作用。

3、结论

（1）在水雾在线冷却前提下，激光焊接后残存应力均较无水雾冷却显著降落，平板对接试样应力变动趋向一致，残存应力为焊缝区＞扰装响区＞母材区。

（2）残存应力与水雾压力并无线性关系，其中水雾压力0.2MPa下的残存应力值略高于水雾压力0.4MPa和水雾压力0.6MPa，在0.4MPa下残存应力最幼，降至82.9MPa，较无水雾冷却降低29%。

（3）对比3种分歧水雾冷却参数的试样，变形的重要大局为两侧翘曲变形，其中水雾冷却压力为0.4MPa时总体变形最幼，较无水雾冷却降低17.6%；而在水雾压力0.2MPa及0.6MPa下试样的焊后变形均较0.4MPa时大，批注水雾冷却前提下焊后变形先随水雾压力的增大而减幼，后随水雾压力的增大而增大。

（4）通过观察水雾在线冷却下的焊缝微观组织可知，水雾冷却可推进马氏体相变，使焊缝的网篮状组织越发规整有序，焊缝质量提高。

参考文件：

［1］ 孙文君，王善林，陈玉华，等. 钛合金先进焊接技术钻研近况［J］. 航空造作技术，2019，62（18）：64-72.

SUN W J，WANG S L，CHEN Y H，et al. Development of advanced welding technologies for titanium alloys ［J］.Aviation Manufacturing Technology，2019，62（18）：64-72.

［2］ 黄瑞生，方乃文，武鹏博，等. 厚壁钛合金溶解焊接技术钻研近况［J］. 电焊机，2022，52（6）：10-24.

HUANG R S，FANG N W，WU P B，et al. Research Status of Thick Plate Titanium Alloy Fusion Welding Technology［J］. Electric Welding Machine，2022，52（6）：10-24.

［3］ 刘西霞，尹存宏，刘维岗. 基于随焊气体动态冷却步骤迪胙合金薄板激光焊接变形试验钻研［J］. 热加工工艺，2017，46（13）：57-60.

LIU X X，YIN C H，LIU W G. Experimental study on laser welding deformation of titanium alloy sheet based on synchronous gas cooling during welding［J］. Hot Working Process，2017，46（13）：57-60.

［4］ 黄亮. TC4钛合金飞机壁板激光焊接工艺及残存应力钻研［D］. 湖北：武汉理工大学，2014.

HUANG L. The technology and residual stress analysis of laser welding of TC4 titanium alloy［D］. Hubei： Wu‐han University of Technology，2014.

［5］ 李菊 . 钛合金低应力无变形焊接过程机理钻研［D］.北京：北京工业大学， 2004.

LI J. Studies on the mechanism of low stress no distor‐tion welding for a titanium alloy［D］. Beijing： Beijing University of Technology， 2004.

［6］ 梁岩，王孟君，王剑，等. 焊前预热对康复器械用铝合金焊接残存应力的影响［J］. 电焊机，2015，45（10）：54-58.

LIANG Y，WANG M J，WANG J，et al. Effect of pre-heating on residual stress in aluminum alloy joint for healthcare applications［J］. Electric Welding Machine，2015，45（10）：54-58.

［7］ 关桥，张崇显. 动态节造的低应力无变形焊接新技术［J］. 焊接学报，1994，15（1）：8-15.

GUAN Q，ZHANG C X. New technique for dynami‐cally controlled low stress non-distorton welding［J］.Journal of Welding，1994，15（1）：8-15.

［8］ 李敬勇，章明明，李鹰，等. 预拉伸对铝合金焊接残存应力和变形的影响［J］.热加工工艺，2005（12）：15-17.

LI J Y，ZHANG M M，LI Y，et al. Effect of pre-stretching on welding residual stress and deformations of aluminum alloy［J］.Hot Working Process，2005（12）：15-17.

［9］ 王泽，邢玉明，刘鑫，等. 振动环境下喷雾冷却的临界热流密度模型［J］. 航空动力学报， 2018， 33（3）： 597-603.

WANG Z，XING Y M，LIU X，et al. Model of critical heat flux for spray cooling under vibration environment ［J］. Journal of Aerodynamics，2018，33（3）：597-603.

［10］ 肖秀程 . 管线钢多弧埋弧焊随焊水雾激冷工艺钻研［D］. 北京：机械科学钻研总院，2022.

XIAO X C. Welding with local water mist cooling tech‐nology for multi-arc submerged arc welding of pipe‐line steel［D］. Beijing： China Academy of Machinery Science and Technology， 2022.

［11］ 杨东旭. TC4钛合金激光焊接接头溶质元素散布及不均匀性的钻研［D］. 湖北：华中科技大学， 2017.

YANG D X. Study on solute elements distribution and heterogeneity of microstructure and mechanical proper‐ties of TC4 alloy joints welded by fiber laser beam［D］.Hubei： Huazhong University of Science and Technol‐ogy， 2017.

［12］ 徐洁洁.TC4钛合金激光焊接接头组织机能钻研［D］.北京：北京工业大学，2009.

XU J J. Research on microstructures and properties of laser welding joints of TC4 titanium alloy［D］. Beijing：Beijing University of Technology，2009.

［13］ 张宇鹏，丁来法，Valerii Bilous，等.厚板TC4钛合金电子束焊接头组织演变及力学机能［J］. 电焊机，2022，52（6）：87-92.

ZHANG Y P，DING L F，Valerii B，et al. Microstruc‐ture Evolution and Mechanical Properties of Electron Beam Welded Joint of Thick Plate TC4 TitaniumAlloy ［J］. Electric Welding Machine，2022，52（6）：87-92.

［14］ 方乃文，郭二军，徐锴，等. 钛合金激光填丝焊缝晶粒成长及相变原位观察［J］. 中国有色金属学报，2022，32（6）：1665-1672.

FANG N W，GUO E J，XU K，et al. In-situ observation of grain growth and phase transformation in laser weld‐ing of titanium alloy with filler wire［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2022，32（6）：1665?1672.

［15］ 方乃文，黄瑞生，谢吉林，等. 大厚度TC4钛合金超窄间隙激光填丝焊接头组织机能钻研［J］. 电焊机，2022，52（6）：25-34.

FANG N W，HUANG R S，XIE J L，et al. Study on properties and microstructures of large thickness TC4 ti‐tanium alloy welded joint by ultra-narrow gap laser welding using filler wire［J］.Electric Welding Machine，2022，52（6）：25-34.