摘要
选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)制备的金属构件具有尺寸精度高，成形质量好，性能优异等特点，广泛应用于航空航天及医疗器械等领域。但受到SLM设备成形腔室尺寸的限制或者直接成形大尺寸结构件的成本考虑，或者复杂结构件的多功能需求，难以完成大尺寸或复杂精密结构件的直接成形。为此，很多情况下都要设计将单独的SLM成形材料进行连接，焊接技术作为一种高效、优质的连接手段，成为解决该问题的首选。同时，这些SLM材料在后续加工和使用过程中，可能会出现零件损伤失效的情况，往往采用焊接技术进行有效修复。可见，采用焊接技术对SLM材料进行连接或修复具有迫切需求。 然而，SLM成形钛合金焊接后普遍存在塑性较低的问题，限制了其在工业中应用。鉴于超声在金属熔体中的有益作用，将超声引入SLM成形钛合金的焊接过程，通过改善焊缝组织结构，以提高接头的室温塑性。因此，以SLM成形TC4钛合金为研究对象，进行超声辅助激光焊接工艺的探索，研究超声辅助对焊缝成形、接头微观组织与力学性能的影响规律。 在80 J/mm和100 J/mm两种焊接线能量条件下，激光焊接SLM成形TC4钛合金均获得良好的焊缝成形。焊缝区主要由粗大的β柱状晶组成，晶内分布着大量针状α''马氏体，近熔合线热影响区(Heat Affected Zone，HAZ)也形成了粗大β柱状晶，但较焊缝晶粒细小，晶内针状α''马氏体数量少于焊缝，近母材HAZ晶粒为等轴晶，无α''马氏体产生。在两种焊接线能量下，焊缝区的平均显微硬度分别为395.7 HV及402.3 HV，高于SLM成形TC4钛合金母材(365.2 HV)，接头的抗拉强度分别为1027 MPa及1018 MPa，略低于母材(1201 MPa)。 超声辅助激光焊接SLM成形TC4钛合金有利于焊缝组织的细化，β柱状晶的长度由862 μm减小到624 μm，β晶内α''马氏体长度由68 μm减小至46 μm。超声的振幅从16 μm增大到26 μm，焊缝区熔宽从3.11 mm增加到3.95 mm。常规激光焊接SLM成形TC4钛合金接头的抗拉强度与断后伸长率分别为1136 MPa与0.9％。施加超声后，接头的抗拉强度为1064 MPa，断后伸长率为3.4％。可见，相对于未施加超声激光焊接，SLM成形TC4钛合金接头的抗拉强度略有降低，而接头的延伸率得到明显改善。同时，超声辅助激光焊接SLM成形TC4钛合金接头拉伸断口表面的气孔率从2.8％降低为0.9％。因此，超声辅助激光焊接SLM成形TC4合金改善了接头的塑性，降低了焊缝气孔率。
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