引言

鈦合金材料它具有高強度，耐高溫、優良的抗腐蝕性能和良好焊接性等優點，是目前航空航天中被廣泛使用的金屬材料之一[1-2]。另一方面隨著我國航空事業的蓬勃發展，越來越多的先進技術被應用于航空航天，其中激光焊作為近年來發展迅速的一種高能束流焊接，具有焊接速度快、熱影響區小、焊縫成形美觀、好的深寬比等優勢，特別是近幾年光纖激光器的高速發展，解決了工業傳統的CO2和YAG激光由于功率限制而導致的只適用于薄板焊接的限制，使得激光焊接技術獲得了更加廣泛的應用[3-4]。

另外在生產中激光焊接有易操作，焊接位置精準、焊后形成的焊縫平整度高、變形小、穩定性強等優點。

焊后基本不需要進行二次加工處理，大大地節約了工序時間和加工成本，使得它越來越多地被用于生產制造當中。

隨著航空航天的發展，各式各樣復雜形狀構件的大量使用不可避免地涉及到焊接結構，這使得鈦合金的焊接技術變得相當重要。而焊后變形成為目前制約焊接發展的重要因素之一。經過多年研究，焊后可通過熱處理校形解決焊接變形問題，該技術已十分成熟，目前也有較多文獻對熱處理后焊接接頭的組織與性能影響做了分析研究[5-8]，但目前針對熱處理次數對激光焊接接頭影響的研究鮮見報道。隨著航空航天產品結構形狀越來越復雜，在實際生產當中，需要多次熱處理校形的情況越來越普遍。本文針對TC4鈦合金母材、激光焊接接頭進行重復熱處理，比較其接頭組織和力學性能，為結構件焊后多次熱處理提供試驗依據。

1、試驗材料與方法

試驗材料為2.0mm厚的TC4鈦合金薄板，M退火狀態。規格300mm×200mm。焊接設備為通快6003Ｄ碟片光纖激光器，最大功率6000Ｗ，激光波長1.06μm，光纖芯徑為300μm，采用300焦長的HIYAG激光焊接聚焦鏡系統。通過ＫＵ-ＫＡ機械手實現焊接軌跡，進行不填絲的激光拼焊試驗。

為保護接頭受熱表面不受空氣影響產生氧化，試驗時采用99.999％純度的氬氣進行保護。焊前通過2％～4％HF＋30％～40％HNO3＋H2O（余量）的酸洗液對焊接表面進行酸洗處理，酸洗后烘干，待焊接前使用鋼絲刷打磨，然后采用酒精、丙酮擦拭表面，保持焊接位置干凈。為防止焊接過程中板材變形，采用焊接夾具對材料進行約束。同時背面通入氬氣保護。試驗工藝參數為激光功率P為2000Ｗ～3500Ｗ，焊接速度ｖ為4m/min～6m/min，離焦量△ｆ為-1.5～1.5mm。試驗結束后，為了消除咬邊等表面缺陷對性能的影響，對焊后的焊縫進行了激光雙面修飾焊。焊后進行X光檢測，滿足一級焊縫標準后，將母材、接頭分別進行1次～4次熱處理，熱處理制度為120min內從室溫均勻加熱至300℃，保溫30min，然后160min內從300度均勻加熱至640℃，保溫170min，隨爐冷卻至100℃以下出爐，熱處理制度示意圖如圖1所示。

將焊接態和焊后熱處理態的母材以及焊接接頭制作成金相試片，將焊接接頭制成拉伸試樣。圖2為拉伸試樣的尺寸示意圖。

2、實驗結果分析

2.1顯微組織分析

如圖3所示為原始激光焊接態的金相組織，從圖3（ａ）焊縫區可以看出，組織中主要以近等軸狀的β晶粒組成，部分區域形成稍微拉長的β晶粒，晶界清晰，并且顯微組織經歷了激光高溫重熔，凝固過程中形成粗大的近β晶粒，晶粒尺寸在200～300μm之間[9]；β晶粒內部主要以互相交錯的“網籃狀”馬氏體組成。如此組織主要與激光焊接的特點相關，由于激光焊接能量密度大，熔池溫度高，冷卻速度較快，熔池降溫速度快，溫度梯度大，屬于非平衡凝固過程，β相降溫過程中來不及發生擴散相變轉變為α平衡組織，而直接通過

非擴散性切邊形成α′針狀馬氏體，焊縫在冷卻過程中，在β晶粒的邊界和內部同時發生α′針狀馬氏體相變。并且α′相以不同方向集束的形式交織在一起，形成所謂的“網籃狀”馬氏體組織。受激光焊接熱輸入的影響，熱影響區長條狀軋制態α相出現一定程度球化現象，如圖3（ｂ）所示，這與鈦合金的退火球化過程相似[10-11]，并且球化的α相發生了一定程度的長大，相比于母材軋制態的細長晶粒，熱影響區晶粒沿軋制方向的長度減小，垂直于軋制方向的長度增加，即受到α相球化與長大過程的影響；而且可以發現，相對母材（圖3（ｃ））來講，在熱影響區內的α相與β相大致比例也發生變化，這是由于熱影響區靠近焊縫熔合區，一般情況溫度基本靠近α/β相變點，會促進β→α轉變，由于激光焊接熱影響區小于一般熔化焊接過程，會使熱影響區的組織冷卻速度較高，從而保留到室溫的α相便會增多。

對原始激光焊接態TC4進行不同次數的熱處理研究，熱處理工藝如圖1所示。多次熱處理后的顯微組織如圖4所示，對于焊縫區組織來講，從第1次熱處理到第4次熱處理，整個過程中近等軸狀β晶粒和β相中的互相交錯的馬氏體組織并沒有發生明顯的改變，并且相較于焊接態（圖3中組織），幾乎沒有發生變化；對于熱影響區和母材相同處理條件的顯微組織，依舊是熱影響區的等軸和粗化的α相，而且在母材中還可以發現彎折的α相和沿著軋制方向長條狀的α相，表現出明顯的原始退火態TC4板材組織特征。這些特點可能與相應的

熱處理條件相關，每一次熱處理焊件都經歷了從室溫到640℃總共8ｈ的受熱，640℃僅有170min，對于焊件第4次熱處理組織來講，基本上在640℃下處理了11ｈ左右，但是顯微組織并沒有明顯的改變。可能是由于640℃與TC4合金的α/β相變點相差較遠，在此溫度下TC4合金焊件并不能發生明顯的擴散和組織改變，僅僅是內部應力的釋放過程。正如張[12]對Ｔｉ62Ａ合金電子束焊接后組織的長時低溫處理表明，熱處理保溫階段的溫度較低時，對焊接過程中在熱影響區保留的特殊結構以及熔合區的細小片層組織結構并無太大影響。并且TA15電子束焊后多次熱處理也發現了類似的結果[13]。

2.2室溫力學性能

焊接態以及焊后多次熱處理態焊接接頭力學性能如表1和圖5所示，每一種狀態都是三次拉伸取平均值。表1為原始焊接態和多次熱處理試樣的室溫力學性能數據，圖5分別為焊接態和多次熱處理試樣的室溫抗拉強度、屈服強度和斷面延伸率柱狀圖。從以上數據可以看出，焊接接頭的力學性能較為優異，室溫抗拉強度達到1100MPa以上，最低屈服強度達到1023MPa，斷面延伸率在10％左右。

從圖5的柱狀圖上可以看出，屈服強度和斷面延伸率在原始焊接態和多次熱處理態變化很小，屈服強度最大值與最小值的差值僅為60MPa，差別也不是很大，這與組織特征是相符的。材料的性能是受到化學成分和組織結構的影響，對于焊接態和多次熱處理的焊縫，其顯微組織基本無變化，因此其拉伸力學性能得輕微波動也是正常現象。

3、結論

（1）TC4鈦合金2mm薄板激光焊接接頭區由于冷卻速度較大，顯微組織以α′針狀馬氏體為主，并形成“網籃狀”交錯分布的形態，母材區為拉長的α相，而熱影響區出現α相的球化特征；

（2）多次熱處理焊件顯微組織研究發現，在焊縫區、熱影響區和母材區顯微組織基本無變化；

（3）原始焊接接頭室溫力學性能較為優異，抗拉強度1139MPa，斷面收縮率10.9％，達到了焊接件的使用要求；焊縫多次熱處理后的力學性能基本上變化不大，僅三次熱處理后屈服強度出現一定的下降，但幅度較小。

參考文獻

[1]ＢＯＹＥＲＲＲ.ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｎｔｈｅｕｓｅｏｆｔｉTAｎｉｕｍｉｎｔｈｅａｅｒｏｓｐａｃｅｉｎｄｕｓｔｒｙ[J].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒ-ｉｎｇＡ，1996，213：103-114.

[2]王清江，劉建榮，楊銳.高溫鈦合金的現狀與前景[J].航空材料學報，2014，34（4）：1-26.

[3]崔麗，張彥超，賀定勇，等.高功率光纖激光焊接的研究進展[J].激光技術，2012，36（2）：154-459.

[4]卞宏友，左士剛，曲伸.激光沉積修復TA15/TC17鈦合金組織與力學性能[J].應用激光，2019，39（4）：550-555.

[5]吳會強，馮吉才，何景山，等.Ti-6Al-4V電子束焊接焊縫區域精細組織特征[J].航空材料學報，2005，25（3）：21-24.

[6]顧寶蘭，丁大偉，王麗，等.熱處理對TC4鈦合金電子束焊接件組織性能的影響[J].焊接學報，2007，36（2）：154-459.

[7]卜文德，劉容光，宋鋒濤，等.電子束局部熱處理工藝對TC4鈦合金焊接接頭組織及硬度的影響[J].焊接學報，2017，38（9）：102-106＋133.

[8]金玉花，金赟，盧學天，等.熱處理對選區激光熔化18Ni300成形組織性能的影響[J].應用激光，2019，39（3）：394-399.

[9]吳凱，姚為，范小龍，等.熱處理對ＢＴｉ-6431Ｓ合金激光焊接頭組織與性能的影響[J].材料熱處理學報，2015，36（6）：99-103.

[10]ＣＨＥＮＨＱ，ＣＡＯＣＸ，ＧＵＯＬ，ｅTAｌ.ＨｏｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆTC11ｔｉTA-ｎｉｕｍａｌｌｏｙｉｎβｆｉｅｌｄ[J].ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅTAｌｓＳｏｃｉｅｔｙｏｆＣｈｉｎａ，2008，18（5）：1021-1027.

[11]ＷＡＮＪＡＲＡＰ，ＪＡＨＡＺＩＭ，ＭＯＮＡＪＡＴＩＨ，ｅTAｌ.Ｉｎ-ｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃ-ｔｕｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｉｎｎｅａｒ-αａｌｌｏｙＩＭＩ834[J].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，2006，416（1-2）：300-311.

[12]張仕林.（α＋β）鈦合金電子束焊接接頭顯微組織及力學性能研究[Ｄ].合肥：中國科學技術大學，2019：52-56.

[13]韓鵬，唐振云，余偉，等.多次熱處理對TA15鈦合金電子束焊接頭組織和性能的影響[J].焊接，2010（10）：59-61＋72.

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