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为实现变厚度TC4-BTi6431S异种钛合金板材可靠连接，满足变形小、缺陷少、高温强度高等要求，本文采用了渐变功率光纤激光双面焊接的新工艺。首先对等厚度TC4/BTi6431S同种/异种钛合金进行激光焊接工艺实验，获得合适的工艺参数。在此基础上，进行TC4厚板（10mm）渐变功率激光堆焊，获得焊接工艺与熔深数据库。进而进行变厚度TC4-BTi6431S异种钛合金激光双面焊接实验。研究了焊接速度、激光热输入、搭接率对变厚度钛合金板双面焊接焊缝质量的影响。采用TEM对TC4-BTi6431S异种钛合金焊缝析出相进行了分析。采用金相显微镜、XRD和SEM对TC4-BTi6431S异种钛合金母材和焊缝相组成以及微观组织进行了分析。利用LECO Hardness Mapping设备对异种钛合金焊接接头进行显微硬度测试，获得了TC4-BTi6431S异种钛合金接头硬度分布图。对TC4/BTi6431S同种异种焊缝进行常温及500℃高温拉伸测试，研究其常温及高温拉伸力学性能，并分析了断口形貌。给出如下重要结果：工艺方面通过采用单面渐变功率堆焊获得了扫描速度为2m/min时熔深与功率的拟合关系方程： y1348582x，为双面焊实现熔深控制和搭接率控制提供指导，获得了合适搭接率的双面焊接头；通过控制熔深、控制搭接率，可以获得焊接变形满足使用要求的变厚度焊件；在使用脉冲激光双面焊接时，焊接变形在连续激光双面焊接的基础上进一步减小。通过一系列物相检测手段分析钛合金接头微观组织，在BTi6431S侧HAZ发现了析出相，尺寸在50-100nm范围内；TC4-BTi6431S异种钛合金焊缝区组织形貌与BTi6431S-BTi6431S焊缝区组织相差不大，但两侧HAZ组织有所差异，在BTi6431S侧HAZ出现了硬度较高的魏氏组织。研究表明：BTi6431S侧HAZ产生硬化，通过XRD/SEM分析及TEM分析发现该区存在高硬度的魏氏组织以及存在细小强化的硬质析出相。拉伸测试结果表明，在合适参数范围内，TC4、BTi6431S同种及异种焊接接头常温抗拉强度均大于母材，所测试的拉伸试样均断裂在母材，经过激光焊接的接头HAZ很窄，HAZ未成为焊接弱区。异种钛合金常温拉伸强度达到1100MPa，高温拉伸强度均在600MPa以上，高温下达到预期320MPa的使用要求。