黃瑞生，方乃文，武鵬博，徐 鍇，秦 建，趙德民，曾才有，周 坤

1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

2.鄭州機(jī)械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001

3.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所 中國(guó)-烏克蘭材料連接與先進(jìn)制造“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510651

0 前言

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕性能優(yōu)良、可加工性能好等特點(diǎn)［1］，是一種具有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的新型功能材料，被譽(yù)為繼鋼、鋁之后的“第三種金屬”，是重要的戰(zhàn)略金屬材料，在航空航天、石油化工、國(guó)防裝備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［2-3］。近年來(lái)，隨著國(guó)防工業(yè)對(duì)設(shè)備需求的大型化和輕量化，對(duì)厚壁鈦合金的需求越來(lái)越迫切，其相應(yīng)加工技術(shù)需求也迫在眉睫。在實(shí)際工程應(yīng)用中，厚壁鈦合金結(jié)構(gòu)件連接主要通過(guò)焊接完成，因此高效、優(yōu)質(zhì)的厚壁鈦合金焊接技術(shù)備受關(guān)注。本文對(duì)厚壁鈦合金的熔化焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行概括和總結(jié)，提出目前厚壁鈦合金熔化焊存在的問(wèn)題，并對(duì)厚壁鈦合金熔化焊技術(shù)的發(fā)展前景和研究方向進(jìn)行了展望。

1 鈦合金分類與特性

1.1 鈦合金分類

鈦合金按照化學(xué)成分和含量可分為α鈦合金、近α鈦合金（β相質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤10%）、α-β雙相鈦合金（10%≤β相質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤50%）、亞穩(wěn)定β鈦合金和β鈦合金共計(jì)5類［4］。由于α-β雙相鈦合金兼具α型鈦合金的熱穩(wěn)定性特點(diǎn)和β型鈦合金的熱處理強(qiáng)化特點(diǎn)，綜合性能優(yōu)異，是目前應(yīng)用最為廣泛的鈦合金［4］。

1.2 鈦合金材料特性

（1）比強(qiáng)度高。鈦合金屬于輕質(zhì)合金，密度（20℃）為4.54 g/cm3，約為普通鋼的56%，采用鈦合金制造機(jī)械零部件，可顯著減輕質(zhì)量，達(dá)到輕量化的效果。

（2）耐蝕性好。鈦合金暴露在空氣中時(shí)，會(huì)在表面形成一層穩(wěn)定、連續(xù)、致密的氧化膜，使其處于鈍化的狀態(tài)；同時(shí)鈦合金的氧化膜具有良好的修復(fù)性能，當(dāng)其因外界因素被破壞時(shí)，能夠很快修復(fù)，因此鈦合金具有良好的耐腐蝕性［5-6］。

（3）高溫性能好。鈦合金熔點(diǎn)為1 667℃，能在500～600℃的環(huán)境中穩(wěn)定工作，具有較高的蠕變抗性和耐熱性［7］。

1.3 厚壁鈦合金焊接特性

（1）焊接接頭脆化：在沒(méi)有防護(hù)的條件下，當(dāng)鈦合金加熱溫度達(dá)到250℃開(kāi)始吸氫，400℃開(kāi)始吸氧，540℃發(fā)生劇烈的氧化，600℃開(kāi)始吸氮，這些氣體溶入到熔池并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得焊接接頭發(fā)生脆化，導(dǎo)致焊接接頭塑性和韌性迅速下降。

（2）焊接裂紋：鈦合金中S、P、C等雜質(zhì)含量較低，低熔點(diǎn)共晶化合物較少，結(jié)晶溫度區(qū)間窄，因此不容易產(chǎn)生熱裂紋；但厚壁鈦合金進(jìn)行多層多道焊時(shí)，由于焊接接頭拘束應(yīng)力大，導(dǎo)致焊后接頭有較大的殘余應(yīng)力，在殘余應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生冷裂紋［8］。

（3）氣孔：氣孔是鈦合金焊接時(shí)最常出現(xiàn)的缺陷，鈦合金本身元素活潑、飽和蒸汽壓高，當(dāng)母材和焊材表面受到污染或保護(hù)氣不純（含氧、氫或水）時(shí)易產(chǎn)生氫氣孔［9］。

2 非熔化極氣體保護(hù)焊研究現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)TIG焊

非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG焊）因電弧穩(wěn)定、焊接飛濺少、焊縫成形好等優(yōu)點(diǎn)在鈦合金領(lǐng)域獲得了較為廣泛的應(yīng)用。但在傳統(tǒng)TIG焊接鈦合金過(guò)程中，焊接接頭的高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，液態(tài)熔池金屬冷卻速度較快，由于鈦合金的熱導(dǎo)率低，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒粗化傾向尤為明顯［10-11］；同時(shí)，由于坡口尺寸較大，需要采用多層多道焊接，會(huì)帶來(lái)焊接效率低、應(yīng)力與變形過(guò)大等問(wèn)題。

為了減小焊接接頭晶粒粗化傾向，陸鑫［12］采用TIG焊實(shí)現(xiàn)坡口角度為60°的20 mm厚TC4鈦合金多層多道焊接，不同熱輸入下的焊接接頭微觀組織如圖1所示，隨著焊接熱輸入的降低，焊縫晶粒逐漸細(xì)化，晶粒內(nèi)部的馬氏體尺寸也越小并且分布越規(guī)則。因此采用TIG焊焊接TC4鈦合金厚板時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入，防止接頭晶粒粗大，避免產(chǎn)生異常組織和裂紋等缺陷。

圖1 不同熱輸入下焊縫區(qū)顯微組織Fig.1 Microstructure of weld zone under different heat input

為降低焊接接頭殘余應(yīng)力與變形，楊露等［13］采用X型坡口進(jìn)行正反面交替焊接，實(shí)現(xiàn)24 mm厚TC4鈦合金多層TIG焊接，同時(shí)基于SYSWELD平臺(tái)在焊板兩端完全剛性固定的裝夾條件下對(duì)焊接接頭溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和焊接變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖2所示。結(jié)果表明，采用雙面交替的焊接順序可以顯著降低焊接接頭應(yīng)力和變形。

圖2 焊接接頭殘余應(yīng)力厚度剖面圖Fig.2 TEM morphology profile of welding joint residual stress thickness

綜上可知，雖然采用傳統(tǒng)TIG焊焊接厚壁鈦合金時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)降低焊接熱輸入、采用X型坡口進(jìn)行雙面交替焊接的方式來(lái)減小晶粒尺寸、降低接頭應(yīng)力和變形。但仍存在坡口尺寸大導(dǎo)致焊接效率低的問(wèn)題，使其難以在厚壁鈦合金焊接中大范圍推廣［14］。

2.2 窄間隙TIG焊

窄間隙焊接的坡口尺寸較小，相較傳統(tǒng)坡口填充焊縫體積大幅減少，不僅提高了焊接效率，也降低了生產(chǎn)成本。窄間隙TIG焊接過(guò)程靈活，設(shè)備成本相對(duì)較低，焊接工藝過(guò)程穩(wěn)定。此外，窄間隙坡口還可以減少焊接道次，從而改善焊接變形、控制焊接應(yīng)力，因此窄間隙TIG焊接厚壁鈦合金具有較大的優(yōu)勢(shì)。但窄間隙TIG焊接的坡口間隙小，易引發(fā)電弧沿側(cè)壁“爬升”，造成焊道兩側(cè)壁底角熱輸入不足，導(dǎo)致側(cè)壁熔合不良。目前對(duì)于厚壁鈦合金窄間隙TIG焊接技術(shù)常采用機(jī)械擺動(dòng)和外加磁場(chǎng)調(diào)控電弧的方式，可以有效解決窄間隙側(cè)壁熔合不良的問(wèn)題［15］。

2.2.1 機(jī)械擺動(dòng)窄間隙TIG焊

機(jī)械擺動(dòng)窄間隙TIG焊的原理是：焊接時(shí)通過(guò)鎢極夾的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)鎢極在坡口內(nèi)的左右擺動(dòng)，使得電弧周期性地指向坡口側(cè)壁，保證了坡口側(cè)壁的熔合質(zhì)量，焊接過(guò)程示意如圖3所示。機(jī)械擺動(dòng)的窄間隙焊接方式對(duì)焊接坡口寬度變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，焊接過(guò)程中不易產(chǎn)生側(cè)壁未熔合缺陷，焊接質(zhì)量更加穩(wěn)定，在厚壁鈦合金窄間隙TIG焊接中得到了廣泛應(yīng)用［16-17］。

圖3 機(jī)械擺動(dòng)窄間隙TIG焊接過(guò)程示意Fig.3 Schematic diagram of mechanical swing narrow gap TIG welding process

姜永春［18］采用機(jī)械擺動(dòng)窄間隙TIG焊接技術(shù)，通過(guò)選擇合理的焊接參數(shù)以及焊接保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)了52 mm厚TC4鈦合金的優(yōu)質(zhì)連接，焊接接頭宏觀金相及微觀組織如圖4所示，熱影響區(qū)由于冷卻速度過(guò)快生成α′馬氏體，焊縫強(qiáng)度達(dá)到母材的90%，熔合區(qū)硬度呈現(xiàn)最大值。

圖4 焊接接頭宏觀金相及組織Fig.4 Macroscopic metallography and microstructure of welded joint

李雙等［19］采用機(jī)械擺動(dòng)窄間隙TIG焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了30 mm厚的TC4鈦合金單層填絲焊接，并分析了焊接接頭的顯微組織。結(jié)果表明，焊縫區(qū)晶粒發(fā)生嚴(yán)重粗化，主要為粗大的柱狀晶，其顯微組織均為針狀α′馬氏體，互相平行分布穿割在β相晶粒內(nèi)；靠近焊縫側(cè)的熱影響區(qū)晶粒比靠近母材側(cè)的粗化程度大。

綜上可知，機(jī)械擺動(dòng)窄間隙TIG焊接技術(shù)焊接過(guò)程穩(wěn)定、設(shè)備成本較低，通過(guò)鎢極的周期性擺動(dòng)，能夠有效解決厚壁鈦合金側(cè)壁熔合不良的問(wèn)題。但由于熱輸入大，接頭晶粒粗化傾向較為明顯。

2.2.2 磁控窄間隙TIG焊

磁控窄間隙TIG焊接技術(shù)最早由烏克蘭巴頓焊接技術(shù)研究所提出［20］，近幾年廣東省焊接技術(shù)研究所開(kāi)展了厚壁鈦合金磁控窄間隙TIG焊接技術(shù)的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用推廣。磁控窄間隙TIG焊的焊接過(guò)程示意和電弧擺動(dòng)如圖5所示，焊接過(guò)程中電磁線圈通入交變電流，穿過(guò)線圈的硅鋼片成為導(dǎo)磁體，磁感線穿過(guò)電極和電弧，從而實(shí)現(xiàn)電弧周期性向兩個(gè)側(cè)壁擺動(dòng)，有助于窄間隙側(cè)壁熔合，實(shí)現(xiàn)窄間隙TIG焊接［21］。

圖5 焊接過(guò)程示意圖和電弧擺動(dòng)Fig.5 Schematic illustration of external transverse magnetic field and arc swing

為實(shí)現(xiàn)磁控窄間隙TIG焊的優(yōu)質(zhì)焊接，各國(guó)學(xué)者們開(kāi)展了磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)頻率和電極位置對(duì)側(cè)壁熔合、焊縫成形及結(jié)晶過(guò)程影響的相關(guān)研究。Kshirsagar R等［22］研究了外加磁場(chǎng)對(duì)焊縫成形的影響，如圖6所示。結(jié)果表明，無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)側(cè)壁存在明顯的未熔合，而有外加磁場(chǎng)時(shí)側(cè)壁熔合良好。

圖6 外加磁場(chǎng)對(duì)焊縫成形的影響Fig.6 Effect of external transverse magnetic field on configuration and microstructure of welding seam

華愛(ài)兵等［23］研究了外加磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)側(cè)壁熔合的影響，結(jié)果表明，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度≥4 mT時(shí)，窄間隙焊縫的側(cè)壁熔合能得到有效改善，焊縫熔合相對(duì)均勻。常云龍等［24］研究了外加磁場(chǎng)頻率對(duì)側(cè)壁熔合的影響，結(jié)果表明，隨著磁場(chǎng)頻率的增大，焊縫底部熔深和電弧沖擊深度增大，焊縫熔寬和焊縫側(cè)壁熔深減少。余陳等［25］研究了電極位置對(duì)側(cè)壁熔合的影響，結(jié)果表明，鎢極從中心位置偏移時(shí)，近距離側(cè)壁電流流入強(qiáng)度增加，遠(yuǎn)距離側(cè)壁電流流入強(qiáng)度降低，為避免出現(xiàn)側(cè)壁熔深不均勻和側(cè)壁熔合不良，需要嚴(yán)格控制電極位置。孫清潔等［26］研究了電磁強(qiáng)度對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響，磁場(chǎng)作用下鈦合金焊縫一次結(jié)晶示意如圖7所示，結(jié)果表明，電磁作用可以提高平面狀結(jié)晶前沿區(qū)域及后來(lái)形成的等軸晶的穩(wěn)定性。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，熔合線附近區(qū)域的組織逐漸由柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。磁控電弧作用可以顯著提高焊縫中心生成的等軸晶的穩(wěn)定性，同時(shí)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，等軸晶逐漸呈單方向生長(zhǎng)。胡金亮等［27］采用磁控窄間隙TIG焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了120 mm厚TA17鈦合金焊接，焊接接頭顯微組織如圖8所示。結(jié)果表明，沿接頭橫向方向組織出現(xiàn)顯著的不均勻性，沿接頭厚度方向顯微組織差異不明顯，并且由于焊接熱輸入大，導(dǎo)致熔合區(qū)軟化嚴(yán)重。

圖7 磁場(chǎng)作用下鈦合金焊縫金屬一次結(jié)晶過(guò)程Fig.7 Primary crystallization process of titanium alloy weld metal under magnetic field

圖8 120 mm厚TA17鈦合金磁控NG-TIG焊接接頭顯微組織Fig.8 Microstructure of 120 mm-thick TA17 titanium alloy joint welded by magnetically controlled NG-TIG welding seam

綜上可知，磁控窄間隙TIG焊接技術(shù)焊接過(guò)程穩(wěn)定、設(shè)備成本較低，磁場(chǎng)的加入可以實(shí)現(xiàn)電弧周期性擺動(dòng)，能夠有效解決厚壁鈦合金側(cè)壁熔合不良的問(wèn)題，同時(shí)獲得均勻的焊縫區(qū)組織，但仍存在因熱輸入大而導(dǎo)致的焊接接頭熔合區(qū)軟化嚴(yán)重的問(wèn)題。

窄間隙TIG焊接技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)厚壁鈦合金的穩(wěn)定焊接，相比于傳統(tǒng)TIG焊減少了焊接道次，提高了焊接效率。但因接頭晶粒經(jīng)過(guò)多次重熔加熱，導(dǎo)致其存在晶粒粗大和沿厚度方向組織性能分布不均勻的問(wèn)題。

2.3 潛弧焊

潛弧焊是TIG焊接的一種特殊形式，它采用氦氣作為保護(hù)氣體，其電極直徑和焊接電流都較大，且能夠在氦氣與電弧力的共同作用下，排開(kāi)焊縫位置的液態(tài)熔池金屬，電極潛入待焊母材內(nèi)部，電弧在電極和弧坑底部形成的空腔中燃燒，熔化金屬最終形成熔池。由于電弧燃燒位置低于待焊母材表面，因此稱作潛弧焊。潛弧焊原理如圖9所示。

圖9 潛弧焊原理示意Fig.9 Schematic graph of SAW principle

近年來(lái)，學(xué)者們相繼進(jìn)行了潛弧焊接技術(shù)應(yīng)用于大厚度鈦合金的研究。陳國(guó)慶等［28］對(duì)29 mm厚TA15鈦合金進(jìn)了潛弧焊對(duì)接試驗(yàn)，獲得了成形較好的焊縫，但由于熱輸入大，焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)較寬，接頭斷后伸長(zhǎng)率只達(dá)到母材的50%，焊接接頭的彎曲性能較差，彎曲到15°即發(fā)生斷裂。劉艷梅等［29］采用潛弧焊雙面焊接工藝實(shí)現(xiàn)了58 mm厚TA15鈦合金焊接，其焊縫宏觀截面如圖10所示，焊縫區(qū)為晶粒尺寸較大的柱狀晶，晶內(nèi)為針狀α'馬氏體，接頭拉伸斷裂位置為焊縫區(qū)，為韌性斷裂，抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的96%。為提高潛弧焊接頭力學(xué)性能，都強(qiáng)等［30］在添加TA1純鈦中間層的條件下，對(duì)64 mm厚TA15鈦合金板進(jìn)行潛弧焊接，結(jié)果表明，添加中間層后焊縫中的氫、氧、氮含量均較母材的有所減少，焊接接頭的塑性顯著提高。侯琦等［31］研究了保護(hù)氣純度對(duì)TA15鈦合金板潛弧焊接頭性能的影響，結(jié)果表明，提高保護(hù)氣純度可以在一定程度上提高焊接接頭的力學(xué)性能。

圖10 焊縫宏觀截面Fig.10 Macroscopic cross section of weld

綜上可知，潛弧焊可以實(shí)現(xiàn)厚壁鈦合金的焊接，具有較為穩(wěn)定的電弧形態(tài)，并可以獲得較好的焊縫成形；同時(shí)潛弧焊采用氦氣進(jìn)行同軸保護(hù)，與氬相比，氦的電離電位高、導(dǎo)熱率高，因此潛弧焊弧柱區(qū)窄而集中，電弧熱量利用率很高，可以實(shí)現(xiàn)厚板鈦合金雙面焊接，與窄間隙TIG焊相比焊接效率顯著提高。但該方法焊接熱輸入過(guò)大，存在焊接接頭晶粒組織粗大和厚度方向組織性能分布不均勻等問(wèn)題。

2.4 小結(jié)

非熔化極惰性氣體保護(hù)焊可以實(shí)現(xiàn)厚板鈦合金的焊接，具有較為穩(wěn)定的電弧形態(tài)，并可以獲得較好的焊縫成形，在厚壁鈦合金焊接研究中展現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值。但仍存在焊接熱輸入大所導(dǎo)致的接頭軟化等問(wèn)題。因此，有必要開(kāi)展降低厚板鈦合金焊接熱輸入的相關(guān)研究，提高厚壁鈦合金非熔化極惰性氣體保護(hù)焊組織性能的均勻性。

3 電子束焊研究現(xiàn)狀

電子束焊接技術(shù)采用高能密度電子束流轟擊金屬材料，可實(shí)現(xiàn)大厚度金屬材料單面焊雙面成形［32-33］；焊接過(guò)程中束流功率密度高、焊縫深寬比大，焊接變形?。煌瑫r(shí)由于電子束焊接需要在真空環(huán)境下中開(kāi)展，可以很好地避免工件在焊接過(guò)程中受到氫、氧、氮的危害，因此電子束常應(yīng)用于大厚度鈦合金的焊接［34-36］。電子束焊接裝置如圖11所示。

圖11 電子束焊接裝置示意Fig.11 Schematic of the electron beam welding

3.1 接頭組織及性能

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)鈦合金的真空電子束焊接接頭組織性能進(jìn)行了一系列研究。侯江濤［37］采用電子束焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了20 mm厚TC4鈦合金的焊接，沿厚度方向分析焊縫區(qū)的晶粒尺寸和接頭力學(xué)性能。結(jié)果表明，焊縫區(qū)上部晶粒尺寸為1 200μm，下部晶粒尺寸為200μm，晶粒尺寸的差異導(dǎo)致了性能的差異。Sun等［38］采用電子束焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了20 mm厚TC4鈦合金的焊接，對(duì)焊接接頭宏觀形貌（見(jiàn)圖12）進(jìn)行分析，結(jié)果表明，焊接接頭上中下3個(gè)區(qū)域熔合區(qū)、熱影響區(qū)的寬度及晶粒組織形態(tài)及尺寸有較大的差異，晶粒尺寸沿深度方向減小。Wei Lu等［39］采用電子束焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了50 mm厚的TC4鈦合金板焊接，沿厚度方向進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，沿焊接深度方向力學(xué)性能分布不均勻，焊接接頭的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和顯微硬度與母材相比均有所提高，但塑性和韌性有所下降。宋慶軍［40］采用電子束焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了60 mm厚度的TC4鈦合金焊接，對(duì)焊接接頭組織性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，焊接接頭沿厚度方向組織分布不均勻，由焊縫頂部至底部沖擊韌性逐步降低。

圖12 焊接接頭宏觀形貌Fig.12 Macroscopic appearance of welded joint

綜上可知，厚壁鈦合金經(jīng)過(guò)電子束焊接后，焊縫金屬經(jīng)歷了快速熱循環(huán)過(guò)程，焊接接頭各區(qū)域在高溫停留的時(shí)間不一致，最終導(dǎo)致沿厚度方向各區(qū)域的組織性能分布不均勻。為解決厚壁鈦合金電子束焊接接頭沿厚度方向組織性能分布不均勻和接頭力學(xué)性能低的問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者又通過(guò)焊接工藝優(yōu)化和焊后熱處理等方式對(duì)電子束焊接接頭的組織性能進(jìn)行調(diào)控。

龔玉兵等［41］針對(duì)20 mm厚TC4鈦合金電子束焊接頭組織不均勻性及組織演變規(guī)律進(jìn)行了深入研究，焊接接頭不同區(qū)域顯微組織如圖13所示。結(jié)果表明，鈦合金焊接接頭在熔寬和熔深方向均存在較大的不均勻性，上部焊接接頭的平均晶粒尺寸大于中部和下部，焊縫上部和中部出現(xiàn)了魏氏組織，使焊縫脆性增大，塑性降低；當(dāng)采用較大的熱輸入焊接時(shí)，可以改善組織分布的不均勻性。李晉煒等［42］通過(guò)在焊接過(guò)程中對(duì)電子束施加一定頻率和偏擺幅值的掃描波形，在焊接接口內(nèi)嵌入過(guò)渡金屬材料，并配合焊接參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了20 mm厚TA15鈦合金電子束焊縫成分的均勻性控制，不同工藝條件下焊縫成分均勻性的控制效果如圖14所示，與傳統(tǒng)電子束焊接相比，掃描電子束焊接合金元素在厚度方向波動(dòng)較小，成分更均勻。

圖13 焊接接頭不同區(qū)域顯微組織Fig.13 Microstructure of different regions of welded joint

圖14 不同工藝條件下焊縫成分均勻性的控制效果（Q1為傳統(tǒng)焊，Q2為掃描焊）Fig.14 Uniformity control effect of weld composition under different process conditions

房衛(wèi)萍等［43］采用電子束焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了100 mm厚TC4鈦合金板焊接，對(duì)獲得的焊接接頭進(jìn)行了850℃再結(jié)晶退火和920℃×2 h和500℃×4 h固溶時(shí)效熱處理。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效熱處理獲得的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)的顯微硬度都高于焊態(tài)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度比焊態(tài)增加了11.3%，屈服強(qiáng)度比焊態(tài)提升了17.2%，但斷后伸長(zhǎng)率僅為焊態(tài)的近50%。馬權(quán)等［44］研究了熱處理工藝對(duì)Ti-1300合金電子束焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，焊前不同熱處理對(duì)鈦合金焊縫組織和性能影響不大；焊后熱處理工藝無(wú)法改變焊縫區(qū)β晶粒的形態(tài)和尺寸，可以調(diào)控焊縫區(qū)α相的含量、尺寸和形態(tài)，但析出的α相的分布總體趨向于在穩(wěn)定晶界處形成，焊縫區(qū)的性能依賴于析出α相的尺寸和數(shù)量，當(dāng)單獨(dú)在較低溫度退火或時(shí)效時(shí)，焊縫區(qū)α相強(qiáng)化效果較好，焊縫強(qiáng)度大于母材。

綜上可知，通過(guò)采用合適的焊接熱輸入并結(jié)合擺動(dòng)電子束的方式可以在一定程度上改善焊接接頭組織性能的不均勻性；通過(guò)采用焊后熱處理的方式可以提高焊接接頭力學(xué)性能。

3.2 接頭殘余應(yīng)力分布

焊接殘余應(yīng)力是造成結(jié)構(gòu)件應(yīng)力腐蝕、疲勞強(qiáng)度降低的重要因素，對(duì)其準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是焊接構(gòu)件壽命評(píng)估的基礎(chǔ)。劉敏等［45］基于熱彈塑性有限元理論，分析了75 mm厚的TC4鈦合金電子束試件殘余應(yīng)力分布規(guī)律，殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖15所示。結(jié)果表明，在距起始和收尾端10 mm及約1/4厚度處的區(qū)域，存在著三向的殘余拉應(yīng)力，且數(shù)值較高，對(duì)焊接接頭力學(xué)性能具有重要影響，應(yīng)引起足夠的重視。

圖15 殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.15 Calculation results of residual stress

為降低焊接接頭殘余應(yīng)力，吳冰等［46］采用盲孔法測(cè)量了經(jīng)真空退火處理后50 mm厚TA15鈦合金電子束焊接頭殘余應(yīng)力分布，結(jié)果表明，熱處理工藝使得焊接接頭的橫縱應(yīng)力趨于一致，整個(gè)焊接接頭的應(yīng)力趨于均勻化。余陳等［47］采用X射線衍射法測(cè)量了經(jīng)過(guò)600℃×2 h熱處理后100 mm厚TC4鈦合金電子束焊接頭的殘余應(yīng)力分布。結(jié)果表明，熱處理后焊接接頭殘余應(yīng)力有一定程度的降低，并在焊接接頭上下表面的分布有著明顯差異，上表面的橫向和縱向殘余應(yīng)力都有一定幅度的降低，部分區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，下表面縱向殘余應(yīng)力消除效果明顯，部分位置呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，而橫向殘余應(yīng)力消除效果一般。Hosseinzadeh F等［48］采用輪廓法測(cè)量了經(jīng)熱處理后的50 mm厚TC4鈦合金電子束焊接接頭殘余應(yīng)力的分布，結(jié)果表明，在焊縫起始端處拉應(yīng)力值最高達(dá)330 MPa，試板的后端面10 mm范圍內(nèi)受壓，最大壓應(yīng)力值達(dá)到600 MPa，熱處理后焊縫中心線的拉應(yīng)力值可降低到30 MPa。綜上可知，焊后熱處理可以顯著降低厚壁鈦合金焊接接頭的殘余應(yīng)力。

3.3 小結(jié)

綜上可知，電子束焊接可以實(shí)現(xiàn)厚壁鈦合金焊接，焊接效率高，并可以獲得變形較小及成形良好的焊接接頭，但由于大溫度梯度和狹窄的熔化區(qū)域，經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部易形成三向應(yīng)力，造成接頭塑性、韌性的急劇下降。通過(guò)合適的熱處理工藝能夠在一定程度上改善焊接接頭組織性能，但并未完全解決，沿厚度方向仍存在一定程度的組織、性能和應(yīng)力分布不均衡等問(wèn)題，為后期的服役工作埋下隱患，并且熱處理工藝既增加了生產(chǎn)成本，又降低了生產(chǎn)效率，同時(shí)真空倉(cāng)也限制了電子束焊接在大型鈦合金構(gòu)件的應(yīng)用。因此，有必要開(kāi)展焊接接頭組織性能及應(yīng)力分布均勻性方面的研究，特別是在局部真空電子束焊接方向進(jìn)行深入研究。

4 激光焊研究現(xiàn)狀

激光焊接技術(shù)歷經(jīng)幾十年發(fā)展，取得了很大進(jìn)展，特別是隨著光纖激光器的誕生與光電模塊的發(fā)展，激光器的輸出功率不斷增加，光束穩(wěn)定性不斷提高，為其在厚壁構(gòu)件焊接領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)［49］。相較于傳統(tǒng)厚壁弧焊技術(shù)，激光焊具有焊接效率高、焊接變形和殘余應(yīng)力小、熱影響區(qū)狹窄等特點(diǎn)，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接的適應(yīng)性好。以上優(yōu)勢(shì)使得激光焊接技術(shù)在近幾年逐漸成為厚壁構(gòu)件焊接的主要研究熱點(diǎn)之一［50］。目前厚壁鈦合金激光焊接技術(shù)主要包括激光填絲焊和真空激光焊。

4.1 窄間隙激光填絲焊

窄間隙激光填絲焊是由送絲機(jī)構(gòu)將填充金屬推送至激光聚焦光斑處，填充金屬在激光束作用下熔化并對(duì)焊縫進(jìn)行填充，最終完成焊接。窄間隙激光填絲焊接示意如圖16所示［51］。近年來(lái)，窄間隙激光填絲焊接技術(shù)發(fā)展迅猛，然而其在厚壁鈦合金焊接中仍然存在側(cè)壁未熔合、焊接氣孔、焊接變形及應(yīng)力大和焊接接頭塑韌性差等問(wèn)題。

圖16 窄間隙激光填絲焊接示意Fig.16 Schematic diagram of narrow gap laser wire-filling welding

為解決側(cè)壁未熔合和焊接氣孔問(wèn)題，李坤［52］等采用擺動(dòng)激光束的方式抑制鈦合金氣孔并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)果表明，擺動(dòng)光束對(duì)抑制鈦合金小孔型焊接氣孔具有顯著作用，主要原因是光束擺動(dòng)增加了焊接過(guò)程小孔的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低了小孔型氣孔。徐楷昕［53-54］等采用激光束圓形擺動(dòng)進(jìn)行了40 mm厚TC4鈦合金焊接，當(dāng)擺幅為2 mm、擺動(dòng)頻率為100～200 Hz時(shí)，焊縫無(wú)明顯氣孔且側(cè)壁熔合良好，分析焊接接頭組織性能可知，焊縫柱狀晶內(nèi)部分布著密集排列的針狀α'馬氏體和彌散分布的顆粒狀的αg相，同一β晶粒內(nèi)部α'擇優(yōu)取向，大角度晶界比例較高，焊接接頭強(qiáng)度較高，但塑韌性較差。綜上可知，擺動(dòng)激光束可以有效解決側(cè)壁未熔合和焊接氣孔問(wèn)題。

圖17 40 mm厚TC4鈦合金窄間隙截面形貌及組織Fig.17 Morphology and microstructure of narrow gap section of 40 mm thick TC4 titanium alloy

為解決厚壁鈦合金焊接接頭塑韌性差的問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者采用控制焊接熱輸入和調(diào)控焊縫合金元素的方式改善焊接接頭組織性能。方乃文等［55］分析研究了焊接熱輸入對(duì)TC4鈦合金激光填絲焊的影響，結(jié)果表明，合適的焊接熱輸入可以保證焊接接頭具有較好的塑性。同時(shí)采用高溫激光共聚焦顯微鏡原位觀察方法，分析了自主研發(fā)設(shè)計(jì)的Ti-Al-V-Mo系鈦合金在焊接熱循環(huán)作用下冷卻過(guò)程中組織形成特征及相變規(guī)律。結(jié)果表明，Mo元素的加入使得相變開(kāi)始溫度降低，針狀α'馬氏體和初始α相的長(zhǎng)徑比變小，提高了焊接接頭的沖擊韌性［56］。由此可知，控制焊接過(guò)程熱輸入和合理設(shè)計(jì)金屬粉芯藥芯焊絲的合金元素配比可以提高焊接接頭的塑韌性。

厚板鈦合金板超窄間隙激光填絲焊接過(guò)程是單道多層填充金屬的熱累計(jì)，而多層焊接過(guò)程中的多次熱循環(huán)必然會(huì)使焊縫組織變得極為復(fù)雜且存在極不均勻的溫度場(chǎng)，同時(shí)焊接接頭中也會(huì)產(chǎn)生分布不均勻的殘余應(yīng)力與焊接變形，另外鈦合金具有較大的線膨脹系數(shù)和較低的熱導(dǎo)率，因而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的傾向會(huì)更大。焊接殘余應(yīng)力對(duì)鈦合金焊接接頭的靜載強(qiáng)度、低周疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性能等都有著非常不利的影響；焊接變形會(huì)嚴(yán)重影響焊接接頭的外觀成形、降低結(jié)構(gòu)的承載能力，還會(huì)降低后期焊接構(gòu)件裝配精度。

為深入分析坡口形式對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力的影響，方乃文等［57］采用ANSYS仿真軟件對(duì)40 mm厚TC4鈦合金激光焊接接頭不同坡口形式的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，兩種坡口形式縱向應(yīng)力分布如圖18所示。結(jié)果表明，單U型坡口和雙U型坡口焊接接頭的應(yīng)力分布不同，單U型坡口焊接接頭的端焊縫一側(cè)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中，而雙U型坡口焊接接頭的應(yīng)力沿壁厚方向呈對(duì)稱分布。

圖18 縱向殘余應(yīng)力分布應(yīng)力分布Fig.18 Longitudinal residual stress distribution stress distribution

綜上可知，窄間隙激光填絲焊通過(guò)激光束周期性擺動(dòng)，可以獲得無(wú)氣孔、側(cè)壁未熔合等焊接缺陷的厚壁鈦合金焊接接頭。通過(guò)合理控制焊接過(guò)程熱輸入和金屬粉芯藥芯焊絲的合金元素配比，可以提高焊接接頭的塑韌性。但在厚壁鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術(shù)領(lǐng)域，仍然需要在焊接接頭組織性能調(diào)控方面繼續(xù)探索，特別是在激光填入多合金體系的金屬粉芯藥芯焊絲等方面進(jìn)行深入研究。

4.2 真空激光焊

近年來(lái)，大功率工業(yè)光纖激光器已經(jīng)達(dá)到萬(wàn)瓦級(jí)水平［58-60］。如何高效地利用高質(zhì)量的大功率激光，在通過(guò)增加激光功率提高激光焊接穿透能力的同時(shí)而不犧牲激光焊接的焊接質(zhì)量是大功率激光焊接工程化應(yīng)用所面臨的難題。近幾年研究表明，在真空環(huán)境下可以顯著增加熔深，并且焊縫氣孔率和焊縫成形也得到極大的改善［61］。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Reisgen U［62］對(duì)比了激光焊接、真空激光焊接和電子束的穿透能力。結(jié)果表明，在相同線能量的條件下，真空環(huán)境下激光焊接所獲得的焊縫熔深比大氣環(huán)境下的提高了約2.5倍，并與電子束焊接方法所獲得熔深尺度類似。然而真空環(huán)境激光焊接所需的真空度僅為10 Pa，而電子束則至少需要10-1Pa，這說(shuō)明真空激光焊接方法的成本更低。因此相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了厚壁結(jié)構(gòu)低真空激光焊接技術(shù)的研究。

孟圣昊等［63］研究了中厚板TC4鈦合金真空環(huán)境激光焊接特性，結(jié)果表明，真空環(huán)境激光焊接焊縫成形更加良好，可明顯提高焊縫熔深，增大焊縫深寬比，抑制焊接過(guò)程中的飛濺，極大減少焊縫中的氣孔缺陷。哈爾濱焊接研究院有限公司采用低真空（真空度10 Pa）激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了40 mm厚TC4合金焊接，對(duì)比分析不同位置的微區(qū)組織與力學(xué)性能，焊接接頭宏觀形貌如圖19所示。結(jié)果表明，熱影響區(qū)組織為α相、殘余β相和α'馬氏體，焊縫熔凝區(qū)組織主要包括不同尺寸及分布狀態(tài)的α'馬氏體以及低冷卻速率下形成的α相；沿厚度方向拉伸性能均勻性較好，頂部與底部強(qiáng)度值偏大一些，中上部與中下部偏小，但總體差別不大。

圖19 40 mm厚鈦合金焊接接頭宏觀形貌Fig.19 Macromorphology of 40 mm thick titanium alloy welded joint

4.3 小結(jié)

綜上可知，真空激光焊接可以實(shí)現(xiàn)厚壁鈦合金的焊接，與電子束焊接相比焊接過(guò)程所需真空度低，無(wú)射線污染，焊接成本低、效率高，是具有發(fā)展?jié)摿Φ暮癖阝伜辖鸷附臃椒ā５诘驼婵占す夂附逾伜辖鸷癖诩夹g(shù)領(lǐng)域，仍然需要相關(guān)學(xué)者針對(duì)厚壁鈦合金真空條件下激光能量傳輸特性和焊接接頭組織性能調(diào)控等方面進(jìn)行深入研究。

5 結(jié)論

針對(duì)航空航天、海洋裝備等領(lǐng)域大厚度鈦合金構(gòu)件優(yōu)質(zhì)焊接制造需求，重點(diǎn)介紹了熔化焊接技術(shù)在厚壁鈦合金焊接的研究進(jìn)展。厚壁鈦合金熔化焊接技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，在焊接工藝、焊接質(zhì)量控制、接頭組織性能調(diào)控等方面取得了很多成果。結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，厚壁鈦合金熔化焊接主要有以下幾個(gè)研究方向：

（1）厚壁鈦合金焊接的應(yīng)力控制。由于鈦合金具有導(dǎo)熱系數(shù)較小且線膨脹系數(shù)較大的特點(diǎn)，在厚壁鈦合金焊接過(guò)程中，經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部易形成三向應(yīng)力，造成接頭塑性、韌性急劇下降。因此針對(duì)不同的焊接方法，可以采用焊后熱處理、坡口優(yōu)化設(shè)計(jì)、超聲沖擊處理等方式對(duì)厚壁鈦合金焊接接頭進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變控制。

（2）多熱源焊接技術(shù)開(kāi)發(fā)。目前厚壁鈦合金熔化焊接技術(shù)主要為單一熱源，如常規(guī)電弧焊、電子束焊接和激光焊接，這些焊接方法存在一定局限性。因此針對(duì)厚壁鈦合金焊接可以開(kāi)展多熱源（如TIG-MIG復(fù)合焊、激光-電弧復(fù)合焊等）焊接技術(shù)開(kāi)發(fā)。

（3）焊接接頭組織性能調(diào)控。目前針對(duì)厚壁鈦合金焊接接頭組織調(diào)控的研究較少，可以開(kāi)展多合金體系焊接材料的研發(fā)，對(duì)焊縫組織進(jìn)行調(diào)控，從而達(dá)到改善厚壁鈦合金力學(xué)性能的目的。