高温钛合金BTi
高温钛合金BTi-62421S 是宝钛集团在Ti-6242S（美国牌号）、BT18Y 和Ti-55 等高温钛合金的研制基础上，设计并优选了合金化学成分，开展了合金熔炼工艺、锻造工艺、轧制工艺流程及参数、热处理工艺、加工工艺- 显微组织- 力学性能关系等研究，研究出的一种适用于550℃高温的新型钛合金。因为高温钛合金比普通的TC1、TC4、TA15 等钛合金具有更高的使用温度范围，所以其在航空航天领域中的应用潜力巨大[1]。
在航天结构制造过程中，材料的焊接性能直接影响到材料可用性，近几年来，激光焊接作为一种高能束焊接方法，由于其能量密度高，焊缝成形好、焊接热影响区小、焊接变形小、焊接效率高、焊接质量好、自动化程度高等优点，在航天结构铝合金、钛合金材料的焊接制造中得到了越来越多的应用[2]。
高温钛合金BTi-62421S 作为一种新型钛合金，其焊接工艺和性能还没有相关的研究报道，本文试验研究了该种材料的激光焊接工艺，研究分析了焊接接头常温和550℃高温抗拉强度、550℃高温持久性能，并观察了金相组织，为高温钛合金BTi-62421S 的焊接应用提供了试验依据，为该材料在后续舵面超塑成形提供试验数据。
试验方法
1 试验材料及设备
试验采用宝钛集团提供的高温钛合金BTi-62421S 板材，热处理状态为退火状态，规格为200mm×55mm×2mm，其化学成分见表1，材料室温及550℃力学性能见表2。
试验所用的激光焊接机（见图1）
配备了激光器为额定功率4kW的Nd:YAG 固体激光器，输出波长为1.06μm 的连续波激光，采用焦距为150mm 的聚焦透镜。
2 焊接工艺
焊前采用碱洗除油，酸洗去除表面氧化物，经清水清洗后进行烘干，烘干后的试板要求表面洁净，无氧化色。装配前采用不锈钢丝刷对焊接区域及对接端面进行打磨，然后用丙酮擦拭干净。
焊接熔池的通气保护是钛合金焊接过程中的关键技术。保护的好坏直接决定了焊缝成型和焊缝的综合力学性能。根据钛合金的性质，确定对焊缝及热影响区超过400℃区域进行惰性气体保护，焊接过程中采用喷嘴、拖罩及背面保护垫板共同对焊接接头进行保护，保护气体采用纯度为99.99% 的氩气。经过工艺优化试验后，焊接时采用的较佳工艺参数如表3。
试验结果与分析
1 焊缝外观质量
试验中发现，气体的流量对焊接过程有很大影响。首先，为了避免保护气体对焊接过程的不良影响，氩气纯度应不小于99.99% ；当侧吹气的流量太小时，不足以抑制焊接过程中产生的等离子体，会导致熔深波动，甚至影响焊接过程的稳定性；当侧吹气的流量太大时，作用在熔池上的气体压力过大，会造成熔池塌陷；另外，拖罩与背部保护的气体流量也直接影响了保护效果，有一个最佳值（如表3所示）。在最佳的气体流量下，焊缝正面及背面都为银白色。
激光焊过程中，保持激光聚焦点位置的准确和稳定，是保证焊缝成形，获得一致熔深的重要因素。为了确保焊接过程的稳定性，对镜片的焦深进行测定。实际焊接过程中，当离焦量在-0.5mm~+0.5mm 之间变化时，都能获得熔透性很好的焊缝。实际焊接中为了确保焊接熔深均匀，离焦量应保持在焦点的±0.5mm 之内。
焊接过程中发现，焊前装配间隙对焊缝质量影响极大。装配间隙超过0.2mm 时，焊缝出现凹陷。这是由于YAG 固体激光器运行在TEM01*模式下，即焦斑中央集中了大部分激光能量，而激光聚焦后的焦斑直径约0.45mm，当间隙过大时，大部分能量在间隙中损失，基材吸收的能量有限，不能熔化足够的母材形成焊缝。对于焊接实际生产而言，当局部装配间隙达到0.2mm 时，可以通过调整离焦量来控制焦斑尺寸，适当降低能量密度和焊接速度来提高间隙的宽容度；还可以采取平行双光束的方式焊接，利用增大光斑直径的方法来弥补间隙过大的问题。当对接间隙控制在0.1mm 以内时，可以获得成形优良的焊缝。nextpage
另外，焊前装配过程中，焊缝的错边对接头质量也有较大的影响。当焊缝两边的错边量超过0.3mm 时，焊缝凸凹不平，其力学性能降低。为了确保焊缝质量合格，错边量应控制在0.2mm 之内。
采用经过工艺优化得到的最佳参数（如表3所示）焊接，焊缝成形良好，保护效果良好，焊缝为银白色，外观检查，焊缝宽窄均匀，焊缝到母材过渡圆滑，如图2所示。
2 焊缝内部质量
对该焊接接头进行X 光射线检查，内部没有气孔、裂纹等焊接缺陷，能够达到GJB 1718 的Ⅰ级接头要求。
3 抗拉强度
3.1 常温抗拉强度
将焊接完成的平板按GB 2651《焊接接头拉伸试验方法》切取试样，在万能试验机上进行了抗拉强度试验，具体数值见表4。
由于试样断裂位置位于母材，说明该焊接接头的抗拉强度与母材相当或高于母材，经和母材试样的延伸率对比，也基本相当，试样断口呈韧窝断口特征，为韧性断裂。
3.2 550℃高温抗拉强度及高温持久
焊接后的平板试样进行了550℃高温抗拉强度测试和550℃高温持久性能测试，550℃高温焊接接头抗拉强度见表5，高温持久性能见表6。
从表5可以看出，焊接接头在550℃高温状态下极限抗拉强度和母材的（615~815）MPa 基本相当，试样断裂部位也为母材。从表6 可以看出焊接接头在550℃高温状态在400MPa 恒力下的高温持久性能较好，持续30h 未出现裂纹。
4 金相分析
对材料厚度为2mm 的激光焊接接头截面及母材焊缝进行了金相观察，如图3所示。
由图3可以看出，激光焊缝组织为细小密集的针状马氏体组织，其密集的界面对焊缝产生界面强化效果，这种针状马氏体组织的存在明显提高了焊缝强度，增强了焊缝及热影响区的强硬度[3]，使焊接接头具有较好的抗拉强度，也是抗拉试验时试样断于母材的主要原因。nextpage
超塑应用
某舵面采用激光焊接+ 超塑成形工艺成形，保证气密性是超塑成形过程中的关键技术之一。舵面蒙皮采用激光焊接的方法将对接边进行焊接，保证其在超塑成形温度下的密封性，这要求焊接接头在高温气压下缓慢变形贴膜时具有一定的强度，并不出现破裂和漏气。超塑成形前的激光焊舵面见图4，超塑成形后的激光焊舵面见图5。
激光焊接接头经超塑成形后进行室温强度检测，抗拉强度值达到905 MPa，达到母材强度的84.6%。高温600 ℃ 强度达到635 MPa，达到母材强度的90.5%。
对经超塑成形后的焊缝组织进行金相观察（见图6），金相组织没有出现裂纹等缺陷，也无明显变化。
结论
（1）高温钛合金BTi-62421S 具有较好的激光焊接工艺性，采用适宜的工艺参数，可以得到外观成形良好，内部无气孔、裂纹等缺陷的焊缝，可以达到GJB 1718 Ⅰ级接头要求。
（2）高温钛合金BTi-62421S 激光焊接接头的常温力学性能、550℃高温力学性能较好，基本和母材相当，拉伸断裂于母材内。
（3）高温钛合金BTi-62421S 激光焊接接头在550℃高温、400MPa的应力条件下，持久性能较好，持续30h 未出现裂纹。
（4）采用激光焊工艺能很好地保证钛合金超塑成形时的气密性要求，表明超塑成形结合焊接技术能够一次成形出多层中空结构零件，在型号产品上具有很大应用前景。
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