活性剂对TC4薄板背反射增效激光焊接成形的影响

0 序 言

钛合金薄板的高品质高效焊接成形，是“轻量化设计与制造”这一工程热点研究领域中的一个重要研究主题，激光焊接则是钛合金薄板焊接成形的主要方法之一[1-3].

众所周知，X形焊缝要较V形焊缝具有更好的力学性能且其焊接变形也小，故钛合金薄板激光焊接成形时更希望获得X形焊缝. 然而，钛合金薄板激光深熔焊成形获得X形焊缝所对应的激光能量阈值一般较高[4-6]. 高的激光能量阈值，势必会引起如焊接接头组织恶化、残余应力梯度增大等焊接缺陷趋于显著等问题[6]. 可见，降低钛合金薄板激光X形焊接成形所需能量阈值的研究，对于钛合金薄板的高品质高效焊接成形具有重要的理论意义和现实意义.

在降低钛合金薄板激光X形焊接成形所需能量阈值的相关研究中，活性激光焊是其中极具代表性的研究之一[6]. 活性激光焊的基本原理是焊接前在焊接区涂敷一层以卤化物或氧化物为主要组成的活性剂，以发挥活性剂所具有的增加钛合金对激光能量吸收等作用[7]. 在前期研究中，提出了另一种钛合金薄板高效激光焊接方法—背反射增效激光焊[8]，其基本思想是在钛合金薄板背面增加距离一定的金属垫板，利用薄板全熔透瞬间进入背面的激光束，对金属垫板产生烧蚀，进而在施焊钛合金薄板背面形成金属蒸气云羽辉重新作用回背面焊接区，实现了在常规激光焊接仅能获得V形焊缝的低能量阈值工艺条件下即可获得X形焊缝.

综上可见，若在背反射增效激光焊中引入活性剂，则可望进一步降低钛合金薄板激光X形深熔焊成形所需临界阈值，进而提高钛合金薄板激光焊接的品质. 文中采用单因素试验方法较为系统地分析了活性剂的种类、涂覆厚度和涂覆位置对钛合金薄板背反射增效激光焊接成形的影响，旨在发展和完善这一新型钛合金薄板高效激光深熔焊的理论与方法.

1 试验方法

试验用材料为市购0.6 mm厚TC4钛合金薄板，线切割成 40 mm × 25 mm 的试样. 采用 YLS-2000型光纤激光器进行对焊，试验中用保护气体为高纯氩气，背面垫板为市购普通铝板.

“问题”是调动学生积极性、引发学生数学思考的有效载体。它可以优化教学方式，实现学生学和教师教的有效统一。如果能将“静态”的数学知识转化为“动态”的结构性问题，教学活动就可以成为围绕问题解决而展开的主动建构活动，即成为学生循序渐进、逻辑构建的认知途径。

活性剂主要包括氯化物、氟化物、氧化物这三类，而这三类活性剂中较常见且易获得的分别是NaCl，NaF和TiO2，故选用这三种作为试验用活性剂. 首先，将三种活性剂分别置于研钵中充分研磨，使活性剂颗粒成细粉状，装入试剂瓶内待用. 然后，用电子天平精确称量研磨好的活性剂粉末，并按照1:1的质量比将其与无水乙醇调制成糊状，使用扁平毛刷在试样单面或双面均匀涂覆糊状活性剂，干燥后进行焊接. 活性剂涂覆宽度约为15 mm，文中无特别说明时涂覆厚度均为约0.1 mm.

整个试验过程中激光功率300 W，扫描速度500 mm/min，离焦量 0，氩气流量为 15 ml/min 参数不变，此工艺条件下传统活性激光焊(正面涂覆0.1 mm NaF)即施焊薄板背面未加垫板时获得的是V形焊缝. 此外，垫板距施焊薄板背面距离为0.1 mm，由于此距离较小，试验过程中通过在薄板背面粘贴0.05 mm标签纸来实现距离控制. 两种激光焊接方法原理如图1所示.

纵向并购：纵向并购又分为向前纵向并购和向后纵向并购，向前并购是指企业为了打开销售市场，获得更好的销售渠道，从而并购其下游企业的方式。向后并购是指企业为了降低自己的生产成本或者为了更好地提高生产能力，从而并购其上游企业的方式。

图1 两种激光深熔焊原理对比图
Fig. 1 Principle comparison diagram of two kinds of laser deep penetration welding

2 试验结果与分析

2.1 活性剂种类的影响

图2是在钛合金薄板施焊正面涂覆不同种类活性剂焊接接头的正面和背面宏观形貌. 其中，图2a，b，c分别是涂覆NaCl，NaF和TiO2的焊缝宏观形貌.

图2 正面涂覆0.1 mm活性剂后焊接接头宏观形貌
Fig. 2 Macroscopic morphologies of welding joint with 0.1 mm activator layer coated on the positive

从图2中可以看出，在相同激光焊接工艺条件下，涂覆不同种类活性剂后焊接接头的形貌存在较大差别. 涂覆NaCl的焊接区宽度(宏观形貌中钛板表面颜色发生变化的区域)，无论是正面还是背面均略大于涂覆NaF和TiO2的焊接区宽度. 这一结果表明，施焊薄板涂覆NaCl对激光能量吸收的增益最大，NaF 次之，TiO2最弱. 同时，涂覆 NaCl的焊缝背面平整且呈亮金色(将这一特征定义为背反射羽辉特征，其对应形成机制称作背反射羽辉效应)，而且此时焊缝光滑均匀连续，表明其焊接过程非常稳定，如图2a所示. 涂覆NaF的焊缝背面也呈现出背反射羽辉特征，但焊缝连续性及平整度略差(图2b).而涂覆TiO2的焊缝背面，则可见明显未焊时的拼接痕迹，表明此时钛合金薄板未实现全熔透焊接(图2c).

本研究采用探索性因子分析方法来验证结构效度。首先需要对数据进行KMO样本测量和Bartlett球体检测来判断问卷是否适合做因子分析。一般KMO值在0.8以上，Bartlett球形检验的显著水平(Sig.)<0.05表明可以做因子分析，本研究问卷的KMO 测量值>0.8，同时Bartlett球体检测的显著性概率<0.05，因此适合做因子分析。KMO和Bartlett的检验结果见表3。

图3是在钛合金薄板施焊正面涂覆不同种类活性剂焊接接头的横截面形貌. 其中，图3a，b，c分别是涂覆NaCl，NaF和TiO2的形貌.

从图3中可以看出，涂覆不同种类活性剂的焊缝横截面中，图3a与图3b近似相同，与图3c差别较大. 其中，涂覆NaCl的焊缝横截面呈底部略宽的“X形”，焊缝横截面顶部平整且顶部中间区域略凸(图3a). 涂覆NaF的焊缝横截面呈顶部略宽的“X形”，焊缝横截面顶部平整且顶部中间区域微凹(图3b). 而涂覆TiO2的焊缝横截面则呈未焊透的“碗形”，同时焊缝底部存在有较大的气孔(图3c).此外，涂覆NaCl和NaF两种活性剂的焊缝背面非常平整(图3a，b)，这与前期研究中所指出的背反射羽辉效应，对施焊薄板背面焊接区不仅有热效应而且具有力效应直接相关[8]. 可见，背反射增效激光焊具有很好的成形性尤其是其背面成形性极佳.

图3 正面涂覆0.1 mm活性剂后焊接接头横截面形貌
Fig. 3 Cross-sectional morphologies of welding joint with 0.1 mm activator layer coated on the positive

根据上述结果可见，在钛合金薄板施焊正面涂覆NaCl活性剂呈现出明显的背反射羽辉特征，涂覆NaF活性剂的背反射羽辉特征稍弱，而TiO2活性剂则对背反射羽辉效应有一定程度的弱化. 结合背反射羽辉效应形成机制[8]分析认为，在背反射羽辉效应形成过程中，薄板全熔透焊接时穿透薄板进入施焊背面区域的激光能量是其主要因素，直接决定着背面垫板在激光束作用下诱导的羽辉作用的强弱，故可以认为活性剂对背反射增效激光焊接成形的影响主要在于其对激光能量吸收的增益. 涂覆TiO2的薄板未实现全熔透，则可能与其一定程度上降低了钛合金薄板对激光能量的吸收有关.

东野圭吾的《解忧杂货店》是占据排行榜前几名很长时间的一本书，同名电影也迅速红了起来。小说中写道，这个杂货店后门不开，时间就不流逝。三个小偷碰巧进了这个杂货店，居然帮助了好多人，因为他们发现自己生活在40年之后，可以准确预见40年前的日本经济文化情况。我问学生，如果我们可以预见未来，或者先有未来再有现在，你是否会更珍惜？虽然不能预见未来，但是我们活在现在，可以写给未来的自己。

2.2 活性剂涂覆厚度的影响

图4是施焊薄板正面涂覆较厚(0.3 mm)不同种类活性剂时焊接接头的横截面形貌. 其中，图4a，b，c分别是涂覆NaCl，NaF和TiO2的形貌.

图4 正面涂覆0.3 mm活性剂后焊接接头横截面形貌
Fig. 4 Cross-sectional morphologies of welding joint with 0.3 mm activator layer coated on the positive

从图4中可以看出，涂覆较厚一层活性剂后，涂覆NaCl和NaF的焊缝横截面呈近似“梯形”，而且涂覆NaF的焊缝底部较涂覆NaCl的焊缝底部要宽约25%，同时其梯形特征更加明显，并且其焊缝横截面面积也较涂覆NaCl的焊缝要多约12%(图 4a，b). 进一步与图 3对比可以得出，NaF在提高激光能量吸收方面对活性剂涂覆厚度较NaCl更加敏感. 对于涂覆TiO2的焊缝截面尽管熔深略有增大但仍未全熔透(图4c).

分析认为，当活性剂涂覆厚度增大后，其对激光能量吸收的增益随之增大，有利于激光深熔焊穿透小孔向纵深发展，作用在小孔前沿的能量密度也随之增大，故激光穿透薄板瞬间作用到背面垫板的激光能量密度增大，从而背反射羽辉效应得到增强. 这一结果，也再次证实了背反射羽辉效应的形成与作用在背面垫板的激光能量直接相关. 但是，活性剂涂覆厚度也不宜太厚，若活性剂涂覆厚度过大，不仅活性剂涂覆厚度的均匀性很难保证而且还会带来其它问题，如焊接过程飞溅增大等. 活性剂涂覆厚度以不超过0.3 mm为宜.

2.3 活性剂涂覆位置的影响

根据前述分析可知，在钛合金薄板正面涂覆活性剂，有利于背反射羽辉效应的形成. 同时，适当地增大活性剂涂覆厚度，有助于背反射羽辉效应的增强. 活性剂对背反射羽辉效应的这两方面作用主要归因于其对激光能量吸收的增益. 为了深入考察活性剂在背反射羽辉效应所形成作用方面的影响，文中在正面和背面涂覆了同样厚度的活性剂. 鉴于正面涂覆TiO2时未能实现钛合金薄板的全熔透焊接，故文中仅考察了涂覆NaCl和NaF时的情况.

图5是钛合金薄板施焊正面和背面均涂覆活性剂时焊缝接头的横截面形貌. 其中，图5a，b分别是涂覆NaCl和NaF的形貌. 将图5与图3进行对比可以看出，双面都涂覆活性剂后，此时焊缝横截面形状仍呈“X形”，与仅正面涂覆活性剂时横截面形貌基本一致，此时焊缝背面熔宽并未显著增大，这一结果表明在钛合金薄板施焊背面涂覆活性剂并不能有效增强背反射羽辉效应所形成的积极作用. 分析原因可能在于，活性剂对激光束所施加能量的响应机制与其对背面垫板诱导羽辉增效能量的响应机制不同，背面垫板诱导羽辉增效能量其热作用更多的应该是热辐射.

图5 双面涂覆0.1 mm活性剂后焊接接头横切面形貌
Fig. 5 Cross-sectional morphologies of welding joint with 0.1 mm activator layer coated on double sides

3 结 论

(1)在钛合金薄板施焊正面涂覆活性剂，有利于背反射羽辉效应的形成，这主要归因于其对激光能量吸收的增益；文中试验条件下，NaCl和NaF的效果较好，而TiO2时则存在一定的弱化.

(2)随着活性剂涂覆厚度的增大，背反射羽辉效应进一步增强，钛合金薄板激光焊缝形貌由“X形”转变为“梯形”. 同时，相对于 NaCl而言，NaF对涂覆厚度更加敏感.

而建筑木模板组件由于主体采用了胶合面板，恰好能够解决建筑钢模板组件存在的上述缺陷，但是现有的建筑木模板组件中对胶合面板进行定型限位的紧固组件大都是采用卡箍，其结构中在弧形模板片体外就是箍设了型钢环形抱箍（卡箍）。由于卡箍本身尺寸、规格以及所能够承受荷载大小（卡箍在使用中其受力点主要集中在卡箍的环形搭接收紧调节螺栓处，受力点比较集中，其所能承受的荷载较小）的限制，因此，现有的型钢环形抱箍建筑木模板组件均在大型圆形直筒结构混凝土结构支模时难以形成严密封闭的受力体系[1]。

(3)在钛合金薄板施焊背面涂覆活性剂，对钛合金薄板背反射增效激光焊接成形几乎没有影响，分析认为这与活性剂对背面垫板诱导羽辉增效能量主要以热辐射作用为主的响应机制有关.

2.4 OXA酶 OXA属于D类酶，传播以OXA-48为主，OXA-181次之，土耳其于2001年在肺炎克雷伯菌中发现了OXA-48。较多国家都过OXA引起感染的报道，但关于其流行性则较少提及，这可能是因为OXA酶的水解异质性和EDTA及克拉维酸不能抑制而导致的对OXA的流行的不确定性。一些报道中发现ST11和 ST147型肺炎克雷伯菌在产OXA-48酶的同时还产 ESBLs［24］，ST131型大肠埃希菌也被报道同时含blaKPC和blaOXA-48［25］，这也证明了上文中提到的细菌可携带多种耐药基因而表现出的多重耐药性。

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