冰晶石对TC4激光焊焊缝成形和组织性能的影响

Effect of cryolite on weld formation, microstructure and mechanical properties of TC4 laser welded seams

摘要

为提高TC4钛合金焊接过程中对激光的吸收率，改善焊缝成形，选取冰晶石作为活性剂对TC4钛合金进行活性激光焊接，借助光学显微镜、X射线衍射仪、维氏硬度计、拉伸试验机、高速摄像机等分析了冰晶石对焊缝成形和接头组织性能的影响及作用机制。结果表明，冰晶石对焊缝表面成形无不良影响，可以增加焊缝熔深、改善焊缝截面尺寸。冰晶石对焊缝显微组织物相组成无显著影响，但会使焊缝上部和下部柱状晶的尺寸梯度减小，涂敷冰晶石后接头的性能不低于未涂敷接头。冰晶石可以作为TC4钛合金激光焊的一种有效活性剂，通过激光在其细小颗粒之间的多次反射，降低光致等离子体对激光的吸收和散射，提高吸收率。

Abstract

Cryolite was selected as the active agent for active laser welding of TC4 titanium alloy to improve the laser absorption rate and weld formation during the welding process. The influence of cryolite on weld formation, welded joint microstructure and properties and mechanism were analyzed using optical microscopy, X-ray diffraction, Vickers hardness tester, tensile testing machine, scanning electron microscopy, and high-speed camera. The results show that cryolite has no adverse effect on the surface formation of the weld seam, and can increase the weld penetration depth and improve the cross-sectional size of the weld seam. Cryolite has no significant effect on the microstructure and phase composition of the weld seam, but it can reduce the size gradient of columnar crystals in the upper and lower parts of the weld seam; The performance of the welded joints coated with cryolite is not inferior to that of the uncoated joint, and cryolite can be used as an effective active agent for TC4 titanium alloy laser welding. Cryolite improves TC4 titanium alloy absorption rate by multiple reflections of laser light between its small particles and reducing the absorption and scattering of laser by photoinduced plasma.

Graphical abstract

关键词

冰晶石 / TC4钛合金 / 焊缝成形 / 显微组织 / 光致等离子体

Key words

cryolite / TC4 titanium alloy / weld forming / microstructure / laser induced plasma plume

钛合金具有比强度高、耐热性好、耐腐蚀、生物相容性好等优点，广泛应用于航空航天、化工、生物等重要领域^[1]，被公认为是一种重要的战略金属。由于钛合金熔点高，热导率低，所以钛合金焊接接头容易过热，从而造成组织粗大和热影响区过宽的问题。采用传统能量密度较小的弧焊方法难以彻底有效地解决上述问题，而激光焊的突出特点是热源能量大且加热面积小，功率密度显著高于传统的电弧热源，因此，采用激光焊接钛合金有望从根本上解决接头组织粗大和热影响区过宽的问题。

但是，由于焊件对激光的反射作用，致使激光焊接时存在能量损失严重、焊缝成形稳定性差的问题。为此，有学者借鉴A-TIG焊方法，焊前在焊件表面涂敷某种活性剂物质再进行激光焊接，结果表明，活性剂可以增加焊缝熔深和深宽比，改善焊缝成形^[2-3]。目前，钢、铝合金、镁合金激光焊多用氧化物和氯化物作为活性剂^[4-6]。作者前期研究了氟化物活性剂对于钛合金激光焊接焊缝成形和组织性能的影响，结果表明氟化物均可以不同程度对钛合金激光焊焊缝的成形产生影响，除了可以增加焊缝熔深外，还可以使接头的抗拉性能有不同程度的提高^[7-8]。冰晶石(Na₃AlF₆)主要用作铝电解的助熔剂，有学者将其作为主要成分用于钛合金活性药芯焊丝的研制和应用，取得了不错的效果^[9-10]。目前，还未有将冰晶石作为激光焊活性剂用于钛合金的焊接。

基于以上所述，本文选用冰晶石作为活性剂用于TC4钛合金激光焊接，分析冰晶石对TC4钛合金激光焊焊缝成形和组织性能的影响及其作用机制，研究结果对于筛选钛合金激光焊选用有效的活性剂，丰富低能耗的活性激光焊工艺具有重要的理论意义和实用价值。

1 试验材料及方法

母材选用TC4钛合金，表1为其化学成分，表2为冰晶石的热力学数据。利用剪板机下料成尺寸规格分别为140 mm×30 mm×5 mm的自熔焊试板和120 mm×90 mm×5 mm的对接试板。利用机械和化学清理方法清除表面氧化膜，清理完毕后用酒精擦拭表面去除残留水分。之后利用自制简易泡沫镍漏斗筛将冰晶石均匀撒落到试板表面，冰晶石厚度以完全覆盖焊件表面为准，约为0.3~0.5 mm，涂敷区域约为试板长度的一半，宽度为30 mm，再向涂敷冰晶石的试板一侧缓慢滴撒丙酮，待丙酮扩散完全浸湿冰晶石即可停止滴撒，经过数分钟待丙酮完全挥发后进行焊接，对接试板焊缝两侧涂敷宽度各为约15 mm。

利用IPG公司生产型号为YLS-10000光纤激光器进行焊接，自熔焊接方向从涂有冰晶石一侧焊到未涂冰晶石一侧。激光功率分别选3 000 W和3 500 W，离焦量为0 mm，焊接速度为0.03 m/s，保护气为纯氩，流量为15 L/min。对接焊参数为未涂敷冰晶石激光功率为3 300 W，涂敷冰晶石激光功率为3 200 W，离焦量、焊接速度相同，分别为0 mm、0.035 m/s，正面侧吹气流量为15 L/min，背面保护气流量为10 L/min。借助光学显微镜观察焊缝截面和接头显微组织，利用拉伸试验机测试接头抗拉强度，扫描电镜观察拉伸断口，高速摄像机采集焊件上方的光致等离子体。

2 试验结果与分析

2.1 冰晶石对焊缝成形的影响

图1是焊缝的宏观形貌。由图可以看出，冰晶石对焊缝表面成形的连续性和均匀性影响不大。当功率为3 000 W时，涂敷侧焊缝背面大部分熔透，由此说明冰晶石可以增加涂敷侧母材的热量吸收，使得熔深增加。当功率增加到3 500 W时，不论是涂敷侧还是未涂敷侧，焊缝全部熔透，从宏观成形情况来看，涂敷侧和未涂敷侧的焊缝未见明显区别。

为了进一步分析冰晶石对焊缝成形的影响，借助体视光学显微镜观察焊缝截面发现，自熔焊缝截面呈现两种典型的形状，一种是未熔透焊缝，截面形状近似于“钉”形，另一种是全熔透焊缝，截面形状近似于“酒杯”状，如图2所示。

由图还可以看出，涂覆冰晶石后，焊缝熔深增加，正面熔宽减小。熔透的自熔焊焊缝“酒杯”状的下半部分宽度增大，上半部分和下半部分尺寸的差值减小，两部分尺寸更为均匀。

为进一步研究冰晶石对焊缝成形的影响，分别测量了未熔透和熔透焊缝截面尺寸并取平均值。尺寸的变化分别用式(1)~(4)计算。式中F表示涂敷冰晶石的焊缝，N表示未涂敷冰晶石的焊缝。H表示焊缝熔深(3 000 W)、W_T表示焊缝正面熔宽(3 000、3 500 W)、W_M表示焊缝中部（板厚1/2处）熔宽、W_B表示焊缝背面熔宽(3 500 W)，单位均为mm。R表示焊缝深宽比、R_W表示焊缝背宽比，用来表征熔透焊缝截面的上下部分熔宽的差别大小，二者均为无量纲的物理量。

\mathrm{\Delta }H=H(\mathrm{F})-H(\mathrm{N})(1)

\mathrm{\Delta }W=W(\mathrm{F})-W(\mathrm{N})(2)

R=H/W_{\mathrm{T}}(3)

R_{\mathrm{W}}=W_{\mathrm{B}}/W_{\mathrm{T}}(4)

图3为涂敷冰晶石的TC4钛合金激光焊焊缝成形的变化，其中N和F代表的意义同上。由图可以看出，当激光功率为3 000 W时，涂敷冰晶石侧焊缝熔深增加0.916 mm，正面熔宽减小0.403 mm；激光功率3 500 W时，涂敷侧焊缝正面熔宽减小0.571 mm，中部和背部熔宽分别增加0.217 mm和0.270 mm，涂敷冰晶石后焊缝深宽比和背宽比也有不同程度的提高。涂敷冰晶石后焊缝宽度从正面→中部→背面的宽度的变化呈现减小→增大→增大的趋势，结合焊缝背宽比的变化，这样的变化趋势可以说明焊缝上下两部分尺寸差别减小，焊缝截面形状更加匀称（R_W均小于1）。

2.2 冰晶石冰晶石对接头组织和性能的影响

图4显示焊缝晶粒长大方向。由图可以看出，涂敷冰晶石后焊缝上部显微组织晶粒还是以粗大β柱状晶为主，焊缝上部β柱状晶的生长方向与未涂敷的焊缝相比未发生明显改变，生长方向还是指向焊缝表面。晶粒生长方向与焊缝上部的形状有直接的关系，TC4钛合金焊缝晶粒的生长方向一般垂直于熔合线指向焊缝中心，焊缝上部形状不同，熔合线的走向不同，从而造成晶粒的生长方向发生变化。除与熔合线的形状有关之外，还与焊缝表面的饱满程度有关。由图还可以看出，由于焊缝不饱满，焊缝表面很难有平直生长的β柱状晶，所以熔池各处的晶粒的生长方向基本上都指向焊缝表面，焊缝下部与上部相比，β柱状晶生长的方向基本相似，因为焊缝下部熔合线的形状未见明显的变化。为了进一步分析冰晶石对焊缝显微组织的影响，分别测量计算得到焊缝上部和下部柱状晶的平均长度，结果显示，未涂敷冰晶石焊缝上部和下部柱状晶的平均长度分别为1 269 μm和586 μm，涂敷冰晶石后分别为1 120 μm和746 μm。未涂敷焊缝上下两部分柱状晶平均长度相差683 μm，而涂敷焊缝上下部分柱状晶平均长度差值为374 μm，说明冰晶石可以在一定程度上降低焊缝上下两部分的晶粒尺寸梯度。

图5是焊缝显微组织的X射线衍射结果。结果表明，未涂敷和涂敷冰晶石的TC4钛合金激光焊焊缝的显微组织均为单一的针状钛马氏体α′相，未发现其它的中间相形成。α′是高温β相在以高于临界冷却速度冷却时通过切变形成的^[11]，这说明冰晶石对焊缝冷却转变过程没有显著的影响。

图6为焊缝显微组织，从图可以看出，涂敷冰晶石后焊缝柱状晶内组织同样以针状α′为主，形态也未见明显改变，均由β晶界向晶内生长，有的α′生长过程中“刺破”晶界继续生长，说明冰晶石对焊缝组织柱状晶内α′形态影响不大。

图7为接头硬度分布曲线，观察图可以得到，TC4钛合金母材的维氏硬度值在350~370 HV之间，热影响区的硬度在380~410 HB之间。热影响区在激光焊接热循环作用下，如果加热温度达到再结晶温度，原始β晶粒重新形核长大，形成等轴晶。在冷却时等轴晶内也形成针状α′，但与焊缝的相比，数量较少，所以其硬度低于焊缝。从图还可以看出，涂敷冰晶石不会影响接头的硬度分布，接头不同区域硬度值变化不大。

焊接接头拉伸试样拉断后宏观照片见图8。从图可见，不论是未涂敷还是涂敷冰晶石的TC4钛合金激光焊接头全部断裂于焊缝处，说明焊缝是抗拉性能薄弱的部位。从图还可以发现，试样断裂处无明显的缩颈，基本没有产生塑性变形。拉伸试验结果显示未涂敷接头的平均抗拉强度为848 MPa，涂敷接头抗拉强度平均值为896 MPa，强度不低于未涂敷接头。

图9为未涂敷和涂敷冰晶石接头拉伸断口形貌。从图可以看出，未涂敷和涂敷冰晶石接头拉伸断口较为平整，可以观察到解理台阶以及撕裂棱，即使在个别地方有韧窝出现，数量也不多且深度较浅，说明接头塑性较差。结合接头拉伸试样的宏观断裂照片和断口微观形貌，可以确定未涂敷和涂敷冰晶石的TC4钛合金激光焊接头断裂属于脆性断裂。

3 冰晶石作用机制分析

通过分析试验结果可以确定，涂敷冰晶石后钛合金更容易得到深而窄的激光焊缝，这说明冰晶石可以提高涂敷侧母材对激光的吸收率。为了进一步验证上述推断，根据激光焊热输入和功率密度计算公式，见式(5)和式(6)。

E=P/v(5)

P_{\mathrm{d}}=P/A(6)

式中，E为焊接热输入，J/mm；P为激光功率，W；v为焊接速度，mm/s；P_d为激光功率密度，W/cm²；A为光斑面积，cm²。试验所用激光器光斑面积为0.7 mm²。

当离焦量和其它条件不变时，激光焊焊接热输入（线能量）由激光功率和焊接速度决定。改变激光功率（焊接速度不变前提下），焊接热输入发生变化，而激光功率密度也随着功率的变化而变化。根据式(6)激光功率密度计算公式可知，其它条件不变情况下，激光功率直接影响激光的功率密度。激光功率密度是激光焊方法非常重要的参数之一。因此为了确定功率密度对焊缝的成形的影响作用大小，保持焊接热输入不变，通过改变激光功率从而改变激光功率密度，为此通过改变焊接速度保证焊接热输入不变，分析激光功率密度对焊缝成形的影响，其参数选择如表3所示，离焦量和保护气流量同上。

图10是激光功率密度对焊缝成形尺寸的影响。从图可以看出，焊接热输入保持不变，随着激光功率密度的增加，未熔透焊缝的熔深和熔透焊缝的背面熔宽呈增加趋势，而焊缝正面熔宽则呈降低趋势。这与涂敷冰晶石后焊缝成形尺寸的变化相同，由此说明冰晶石可以增加焊件对激光的吸收率，从而增加涂敷侧的激光吸收功率密度。

根据激光焊接钢、钛等金属焊缝最大熔深和激光功率之间的经验关系式(7)^[12]。定义涂敷冰晶石的焊件吸收功率和未涂敷冰晶石的焊件吸收功率的比值为k，则k可以表示为式(8)。由于吸收率表征的是工件吸收激光的能量占激光器输出激光能量的比值，吸收功率表征的是单位时间内工件吸收的激光能量。因此从二者概念看，完全可以用吸收功率来衡量吸收率。

h_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\propto P^{\mathrm{0.7}}(7)

k=\mathrm{0.7}\sqrt[]{\frac{h_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\left(\mathrm{F}\right)}{h_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\left(\mathrm{N}\right)}}(8)

式中，h_max(F)表示涂敷冰晶石未熔透焊缝的最大熔深，mm；h_max(N)表示未涂敷冰晶石未熔透焊缝的最大熔深，mm；P(F)表示涂敷冰晶石未熔透焊缝的吸收功率，W；P(N)表示未涂敷冰晶石未熔透焊缝的吸收功率，W。依据式(7)能够确定激光功率为3 000 W时，k\approx \mathrm{1.29}，表明激光功率为3 000 W时，冰晶石可以提高母材对激光吸收率约为29%。综上所述，冰晶石对焊缝成形、焊件吸收功率影响结果均表明冰晶石能够提高焊件对激光的吸收率。

为了进一步分析冰晶石对激光吸收率的影响，利用温度巡检仪测量了焊缝背面两点的温度，测量点位置如图11所示，测量的时间定为10 s。

测量结果如图12所示。从图可以看出，在焊接整个加热过程，涂敷冰晶石侧焊缝背面测量点的温度均高于未涂敷冰晶石侧焊缝背面测量点温度，这说明试板正面涂敷冰晶石侧的焊缝温度也高于未涂敷冰晶石侧焊缝温度，进而表明涂敷冰晶石侧焊件吸收了较多的激光能量，从而使温度升高所致。冰晶石对焊缝成形、焊件吸收功率及焊缝温度的影响结果均表明冰晶石能够提高焊件对激光的吸收率。

目前，关于活性剂对焊缝成形影响的作用机制存在两种观点：1) 活性剂改变母材对激光的吸收率。2) 活性剂影响熔池Marangoni对流方向。

3.1 冰晶石对吸收率的影响

由于金属对激光吸收的特征波长极短，因此金属表面状态对吸收率影响较大^[13]。涂敷的冰晶石状态呈颗粒，与母材TC4钛合金表面相比，必然比较疏松粗糙，所以其吸收率较大。粗糙表面增大吸收率的原因是激光在粗糙表面容易形成多次反射，反射到环境中的激光能量减小。严深平利用反射率测量装置测试了不同状态的材料对激光的反射率，证明金属粉末比金属板材的吸收率大，粉末的球形度越好，对激光的吸收率越大^[14]。在粉末颗粒之间存在光线的多重反射现象，相当于将激光束“封闭”于粉末颗粒体系中，通过多次反射使得更多的激光能量被基体吸收或被粉末颗粒吸收再传递给基体。这种多重反射的作用势必能够提高激光的吸收率^[15]。图13是在扫描电镜下到的冰晶石的状态，由图发现冰晶石呈细小的颗粒状态，具备多重反射的能力。

虽然冰晶石属于无机化合物，熔点一般较金属熔点低或易分解，但是在激光施焊的初始阶段温度不可能立刻达到其熔点或分解温度，所以冰晶石还是可以起到提高吸收率的作用。当温度升高到分解温度或熔点时，焊件的温度也得到一定的提高，这时焊件自身对激光的吸收率也升高。所以综合分析可以确定，冰晶石通过其多次反射作用对于提高激光的吸收率是有作用的。

目前的研究普遍认为，光致等离子体-激光-材料三者之间有着复杂的相互制约与能量耦合关系^[16]，也就是说光致等离子体会影响材料对激光能量的吸收。本文为了研究活冰晶石对TC4钛合金激光焊过程中能量吸收的影响，利用高速摄像设备采集了焊件上方的光致等离子体，通过对比未涂敷冰晶石和涂敷冰晶石焊件上方的光致等离子体形态的变化，分析了冰晶石从影响光致等离子体角度是如何对焊件吸收激光能量产生影响的。图14是激光功率为3 000 W时采集到的光致等离子形态的照片，文中给出的是经过仔细观察大量图片后选择的一些具有典型形态特征连续采集的光致等离子体的形态照片。由图可以发现冰晶石可使光致等离子体缩小。

为了能够定量表征光致等离子体形态大小的变化，采用Micro-image analysis of process图像处理软件首先将光致等离子体图片进行二值化处理，然后再利用该软件的测量功能测量光致等离子体沿激光入射方向的高度(H)和等离子体的面积(S)，测量示意图如图15。

为了简化问题，本文规定经过二值化处理的光致等离子体形貌尺寸为没有单位的相对量，未涂敷冰晶石焊件上方的光致等离子体沿激光入射方向的高度和面积均为1，将涂敷冰晶石焊件上方的光致等离子体的高度和面积与未涂敷冰晶石的相比所得即为其尺寸，计算得H\approx \mathrm{0.51}，S\approx \mathrm{0.43}，说明冰晶石可以收缩光致等离子体。

光致等离子体在激光焊过程中一般表现为负面效应，这是因为光致等离子体与激光之间存在两方面的作用，分别是光致等离子体对激光的吸收作用和折射作用。正是由于存在这两种作用会导致当激光功率超过某一值时，焊缝熔深随激光功率增加而明显减小的现象，这一现象通常称为光致等离子体的“屏蔽效应”。由于光致等离子体的折射率小于1，属于光疏介质^[17]，所以激光通过时会产生发散现象，通常把该现象称为光致等离子体的“负透镜效应”^[18]。光致等离子体对激光的吸收作用使得作用于工件表面上的激光功率降低，由于负透镜效应导致激光光斑直径变大，相当于降低作用于工件表面的激光功率密度。两者的共同作用均使得作用于工件上的激光功率密度大幅降低^[19]。不论是吸收还是折射作用都会影响工件对激光能量的吸收。

光致等离子体对激光的吸收作用与激光入射方向光致等离子体的高度有关，见式(9)和(10)^[20]。

I=I_{\mathrm{0}}{e}^{-\mathrm{\alpha }\mathrm{h}}(9)

\alpha =\mathrm{2.21}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{29}}{N}_{\mathrm{e}}/T^{\mathrm{3}/\mathrm{2}}(10)

式中，I₀为入射激光功率密度，I为经过光致等离子体后传输到工件表面的功率密度，h为光致等离子体的高度，α为光致等离子体的吸收系数，N_{\mathrm{e}}为光致等离子体的电子密度，T为光致等离子体的温度。由此两式可以知道光致等离子体的电子密度和温度以及高度共同作用影响其对激光的吸收。

对于光致等离子体对激光的折射作用也与光致等离子体的电子密度相关，因为光致等离子体的折射率可以用式(11)和(12)^[20]表示。

\xi =\mathrm{1}-N_{\mathrm{e}}/N_{\mathrm{e}\mathrm{c}}(11)

N_{\mathrm{e}}=A{n}^{\mathrm{1}/\mathrm{2}}{T_{\mathrm{e}}}^{\mathrm{3}/\mathrm{4}}{\left[\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(-\theta /T_{\mathrm{e}}\right)\right]}^{\mathrm{1}/\mathrm{2}}(12)

式中，ξ为光致等离子体的折射率，N_ec为临界电子密度，N_e为电子密度，n是气体密度，A和θ是与气体种类有关的常数。

由以上公式可知，光致等离子体对激光的吸收和折射作用都与其电子密度和温度有关。光致等离子体温度越低，其电子密度越小，而光致等离子体高温区域一般是电子集中的区域，高温区域在其图像上反映为高亮区域，所以从这个角度出发可以做出判断，光致等离子体高度和面积的下降（高亮区域缩小）能够减小光致等离子体对激光的吸收和发散作用，所以可以确定冰晶石可以使光致等离子体的收缩从而提高TC4对激光的吸收率。

光致等离子体之所以会收缩是因为活性剂原子受激光能量作用蒸发到光致等离子体存在空间容易吸附光致等离子体中的自由电子而成为带负电的负粒子，负粒子的质量较大，运动速度变慢，并且游移在光致等离子体的边缘，最终一部分成为自由电子的运动背景，也有部分将消失在大气中，光致等离子体的电子密度降低^[21]。冰晶石经激光加热后发生熔化或者受热后发生分解反应Na₃AlF₆=NaF+NaAlF₄，NaAlF₄是一种不稳定的物质，高温下会继续分解为亚冰晶石和AlF₃^[10]，NaF的熔点为1 266 ℃、沸点为1 968 ℃，AlF₃的熔点为1 040 ℃、沸点为1 537 ℃，NaF和AlF₃熔沸点相对较高，激光加热后电离的可能性较低，分子更容易蒸发到光致等离子体空间与自由电子形成负粒子，所以光致等离子体的形态会缩小。

3.2 冰晶石对熔池对流方向的影响

Marangoni理论认为：焊缝成形的变化是由于活性剂会影响熔池的对流方向。焊接熔池内的流体流动通常是决定熔池形状的主要因素，在许多焊接条件下，驱动流体流动的主导力量是熔池表面张力梯度。由于熔池表面张力与温度有关，而熔池表面存在着较大的温度梯度，故熔池表面存在着表面张力梯度。传统的焊接，焊接熔池边缘的表面张力大于熔池中心，熔池中心的温度高于熔池边缘，表面张力温度梯度系数，熔池流动方向从中心流向边缘，形成的焊缝浅而宽。活性焊时，表面张力温度梯度系数\mathrm{d}\sigma /\mathrm{d}T>\mathrm{0}，熔池流动方向从边缘流向中心，形成的焊缝深而窄（见图16^[22]）。

Heiple等^[23]的研究工作表明，元素Se、O、S能够改变21-6-9不锈钢焊接熔池的表面张力温度梯度系数，当这些元素的含量达到一定值时，表面张力温度梯度系数就会由负变正从而改变熔池的流动方向。受焊接熔池的高温状态和观测手段缺乏等困难限制，焊接中难以直接观测到熔池的流动状态，迄今主要通过数值模拟的结果验证该理论。文献^[24-28]均采用Fluent或Phoenics流体模拟软件对熔池中熔入O或S元素后熔池流体的流动方向、涡流等情况进行模拟，结果与实验结果吻合较好。

综上可以确定，如果熔池流动方向发生变化，必须有活性元素的作用，即焊接熔池中必须有O或S元素，而且O还必须以可溶性的O形式存在，化合物中的O对Marangoni对流影响不大^[29]。所以确定TC4钛合金活性激光焊焊接熔池是否存在Marangoni对流效应的前提是确定有无活性元素O和S或者是活性剂组成元素是否进入熔池。为此对焊缝进行了能谱分析，其结果见图17。

由图可见，涂敷冰晶石后的焊缝主要组成元素以Al、Ti、V为主，并未检测到活性元素O和S。可以确定，冰晶石不是通过改变熔池对流方向进而影响焊缝成形的。

4 结论

1) 冰晶石对焊缝宏观形貌未见明显影响，但会增加焊缝熔深、中部和背部熔宽，减小焊缝正面熔宽，使得焊缝上下两部分尺寸差别减小，焊缝截面形状更加匀称。

2) 冰晶石可以降低焊缝上下两部分的柱状晶粒的尺寸梯度，对焊缝显微组织的相组成无显著影响；涂敷冰晶石后TC4钛合金激光焊接头的抗拉强度不低于未涂敷接头，冰晶石可以作为TC4钛合金激光焊的有效活性剂。

3) 冰晶石是通过激光在其细小颗粒之间的多次反射和降低光致等离子体对激光的吸收和散射两种途径提高吸收率。

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基金资助

内蒙古工业大学博士基金项目(BS2021001)

内蒙古自治区高校基本科研业务费项目(JY20230027)