前言

鈦及鈦合金因其具有密度低、高比強度、耐冷熱性能好、抗阻尼性能強、抗沖擊韌性高、耐疲勞性強及彈性模量低等優點，且在寬溫域及高溫環境中具有較好力學性能，被譽為航空航天飛行器及裝備的制造中不可或缺的材料[1-3]。在鈦合金零部件的加工制造過程中，不可避免的需要機械加工和連接，為了減少材料浪費和降低加工成本，熔焊技術是一種降本增效的連接工藝。然而，由于鈦合金的高熔點，且在高溫下易于與氧、氮等化學元素發生化學反應，引起焊接裂紋和氣孔等焊接缺陷[4]，同時還會產生延遲裂紋，這是由于與氫元素發生化學反應。所以，鈦合金的焊接過程中存在嚴峻的挑戰。

對于鈦合金材料和零部件，傳統的熔化焊接方法主要是鎢極氬弧焊（TIG）[2]、熔化極氣體保護焊（MIG/MAG）[5]、等離子弧焊（PAW）[6-7]及電子束焊（EBW）[8]等方法。TIG，MIG/MAG存在焊接熱輸入大、焊接效率低、材料利用率較低、生產周期長等問題；PAW雖然焊接效率較TIG，MIG/MAG有所提升，依然存在上述問題；EBW能量密度高、焊接質量好，但是需要在真空環境下作業，抽真空大大的降低焊接效率。激光焊作為一種新型的高能束焊接技術，具有高效率、高能量密度、接頭質量好、穿透能力強、焊接速度快、熱影響區小及焊接變形小等優點，因而，對于鈦合金構件，采用激光焊接技術具有很大的優越性[9-11]。不過，焊縫的焊接質量受到焊接熱循環的影響是一個復雜的物理化學反應過程，為了獲得良好的焊接接頭，需要探究焊接工藝及焊接微觀組織和力學性能的相互影響，該文采用光纖激光器對3mm TC4鈦合金板材進行激光焊接試驗，研究了焊接接頭的顯微組織、顯微硬度及力學性能。

1、試驗材料與方法

試驗選用德國IPG公司的光纖激光器，設備型號為YLS-3000，輸出功率最大功率為3.0kW，瑞利長度為10.3mm，波長為1.07μm，光纖直徑為300μm，離焦量為+10mm，零離焦時的光斑直徑為0.72mm。試驗材料采用TC4鈦合金薄板，尺寸為100mm×50mm×3.0mm，其化學成分見表1。為了保證焊接試板干燥整潔，焊前對鈦合金薄板進行烘干、角磨機打磨、酒精清洗去除表面氧化膜和污染物。焊接工藝參數見表2。

試驗完畢后，對TC4鈦合金試板線切割，獲取金相試樣，微觀硬度試樣和拉伸試樣切割，其中母材與焊接接頭的拉伸試樣尺寸，如圖1(a)所示，焊縫位于試樣中心區域。金相和SEM顯微組織采用Keller試劑侵蝕為HF:HNO₃:H₂O=1:5:44。焊接接頭的物相使用X射線衍射儀（XRD）精準地進行定性及定量分析，測試參數：角度范圍2θ=20°～100°，掃描步長為0.02°。在沿焊縫的橫截面上以0.3mm的間隔2.94N（300g）的力進行顯微硬度測試，測試15s。室溫拉伸試驗在Zwick-Z100萬能試驗機上進行，加載拉伸速率為0.5mm/min。根據GB/T2653—2008和GB/T2650—2008對焊接接頭進行彎曲與沖擊性能測試，其中沖擊試樣為55mm×10mm×2.5mm，如圖1(b)所示。斷口形貌采用SEM進行觀察，結合EDS分析夾雜物等。

2、試驗結果與討論

2.1焊接工藝

不同激光功率下產生的焊接接頭成形（正面和背面）形貌，如圖2所示。當焊接速度為固定值（v=20mm/s）時，隨著激光功率（P<2.6kW）的增加，焊縫的熔深逐漸增加，從未焊透到燒穿，產生表面凹槽等，如圖2(a)所示。焊縫的熔寬增加，呈現為近似線性規律，如圖2(b)所示，這是由于光致等離子體沖擊匙孔，反作用與匙孔周圍的金屬液向熔池的寬度方向鋪展所致。激光焊道光亮、美觀，焊縫表面未出現飛濺等缺陷，這表明：通過優化激光焊接工藝可獲得表面質量較好的TC4焊縫。

圖3為焊接速度對焊接接頭成形的影響，由HI=P/v可知，焊接速度與激光功率對焊縫的成形具有反作用，此處不做贅述。經過工藝優化后，在激光功率為2.8kW，焊接速度為20mm/s，離焦量為+5mm時，可以獲得激光焊接接頭宏觀形貌良好，成形美觀的焊縫，焊道平滑、平整，焊縫表面無飛濺及無裂紋等缺陷，如圖4(a)～圖4(b)所示。圖4(c)為激光焊接TC4接頭的X射線探傷結果。檢驗表明：焊縫成形良好，內部無氣孔、裂紋、未焊透等缺陷。

2.2顯微組織

圖5為焊接接頭的宏觀和微觀顯微組織形貌特征。圖5(a)為焊接接頭的顯微組織形貌，可分為3個區域，分別為焊縫（WZ）、熱影響區（HAZ）和母材（BM）。

圖5(a)中Ⅰ區可發現焊縫區域內部形成了大量的拉長的原始β晶粒（類似柱狀晶粒），如圖5(b)和圖5(e)所示。原始β晶粒的內部析出長徑比大的針狀的馬氏體(M)。在焊接過程中，焊接區域內部由下及上在一定范圍內形成溫度梯度，高溫β晶粒會順著溫度梯度的方向快速生長，最終形成柱狀β晶粒。當溫度降低至低于β相轉變溫度(Tβ)時，理論上會發生β→α+β的固態相變，但由于焊接接頭位置熔池區域較小，熔體冷卻速率極快，導致高溫β相來不及完成固態相轉變形成α相，而是僅僅發生切邊相變，形成馬氏體相。在馬氏體相形成過程中，不發生原子的擴散，僅發生原子近距離的遷移。圖5(a)中Ⅱ區的熱影響區中存在明顯的組織變化的分界線，靠近焊縫組織一側的組織為內部分布著大量馬氏體相的β晶粒，在靠近基體區域一側為拉長的初生α晶粒，如圖5(c)和圖5(f)所示。此區域內的β晶粒尺寸明顯小于焊縫區域中β晶粒尺寸，主要是由于其靠近母材，冷卻速率較快導致的。圖5(a)中Ⅲ區母材中主要分布著被壓扁拉長的初生α晶粒，表明母材在鈦合金雙相區低溫段發生了塑性變形，如圖5(d)和5(g)所示。

圖6為母材和焊接接頭的顯微組織。母材為典型的變形組織，兩種形貌的α晶粒，分別為大尺寸初生α晶粒和尺寸細小的再結晶等軸α晶粒。初生α晶粒沿著變形的方向被壓扁拉長，如圖6(a)所示。其中初生α晶粒的尺寸（寬度）為8.98μm，再結晶晶粒的直徑為2.46μm，如圖6(b)所示。熱影響的組織呈現針狀馬氏體交錯排布的特征，但馬氏體的長度（長徑比）明顯小于焊縫區域。這是由于焊接過程中熱影響區的溫度不足以導致合金母材熔化，只能使α相轉變為高溫β相，在冷卻過程中，針狀馬氏體從高溫β相中析出，由于此時過熱度較小，馬氏體相轉變的驅動力也較小，導致馬氏體相變范圍減小，最終得到長徑比較小的馬氏體相，如圖6(c)所示。焊縫組織中的針狀馬氏體交錯排布，呈現典型的網籃組織特征，內部的馬氏體相具有極大的長徑比，寬度達到亞微米級別，這有利于焊接接頭部位抗拉強度和蠕變抗力的提升。由于電焊熔池區域尺寸較小，在冷卻過程中，熔池內部的高溫熔體快速冷卻，β相來不及通過擴散轉變成平衡的α相，而是通過原子集體有規律的近程遷移實現切變相變，形成交錯排布的針狀馬氏體相，如圖6(d)所示。

2.3XRD物相

圖7為TC4焊接接頭的XRD圖譜。XRD圖譜中的衍射峰主要包含α?馬氏體相不同晶面的衍射峰和微弱的β相（110）晶面的衍射峰。以上表明，焊縫位置的相組成為大量的α?馬氏體相和少量的高溫殘β相。α?馬氏體相的形成主要是由于焊接凝固階段焊縫熔池內部的高溫熔體的快速冷卻導致，且由切變相變得到的α?馬氏體相邊界處依然有少量高溫β相殘留。焊接接頭部位大量的α?馬氏體相的形成致使焊接接頭微觀硬度和抗拉強度增加。

2.4顯微硬度

圖8為激光焊接接頭的顯微硬度分布。圖8(a)為激光焊接接頭橫向顯微硬度分布，母材顯微硬度值約為360HV，焊接接頭呈現為駝峰形態，隨著與焊縫中間距離的增加熱影響的顯微硬度逐漸增加；在熔合線區域為硬度最大，為400HV；焊縫的硬度出現了大小浮動，平均硬度約為385HV；因為在熱循環作用下，焊縫凝固時出現成分起伏、能量起伏引起發生馬氏體轉變，β相向針狀α?相轉變引起微硬度差異。

圖8(b)為激光焊接接頭的縱向顯微硬度分布，焊縫內部區域的硬度均大于母材區域，結合顯微組織和XRD分析可知，在激光焊接過程中，焊縫中形成大量具有高的位錯密度和孿晶的針狀α?馬氏體的形成引起的。

2.5接頭力學性能

為了驗證激光焊接接頭的力學性能的優越性，采用對焊接接頭進行室溫拉伸測試試驗，測試依據為國家標準GB/T2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》測試焊接接頭的綜合性能指標，抗拉強度、屈服強度與斷后伸長率等，最佳工藝參數下的焊接接頭及母材的應力?位移圖，如圖9所示。焊接接頭的抗拉強度為1030MPa，屈服強度為937MPa，斷后伸長率達9%，焊接母材的抗拉強度為1036MPa，屈服強度為941MPa，斷后伸長率達8.5%，斷裂位置均位于母材區域，對比拉伸數據表明：激光焊接能夠獲得優越力學性能的焊接接頭。

圖10為焊縫拉伸斷口形貌。斷口處不同區域的微觀形貌均呈現出韌窩特征。對于不同的區域的韌窩的大小不一致，試板表面發生撕裂，斷口約為45°，剪切斷口位置呈現細小塑性等軸的韌窩，如圖10(b)所示；在焊縫中心的斷面高低不平且出現臺階性形貌，韌窩深度大小不同，說明斷裂呈現為韌性斷裂，如圖10(c)和圖10(d)所示。這說明：激光焊接能夠獲得優越力學性能的焊接接頭，且能夠獲得韌窩特征的斷口形貌。

根據GB/T2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》對焊接接頭進行彎曲性能測試，測試曲線和測試結果如圖11和表3所示，焊縫的正彎和背彎在彎曲角10°時沒有發現目測微裂紋，表明：焊接接頭的塑性良好。

根據GB/T2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》，對焊接接頭的不同位置（母材、熱影響區和焊縫）進行測試，每種試樣做3個并取平均值，試驗結果如圖12所示。母材（BM）的沖擊性能為7.4J，高于熱影響區（HAZ）和焊縫（WZ），其中焊縫的沖擊性能最低（3.5J）。這是因為沖擊性能與對應的微觀組織密切相關，母材區域主要是由等軸的細小α晶粒構成，而焊縫區域主要為α?馬氏體，而熱影響區的沖擊性能為6.1J，因為熱影響區發生了部分組織演變，因而沖擊性能介于母材和焊縫之間。

3、結論

（1）激光焊接TC4鈦合金能夠或的良好的焊縫成形，焊縫成形美觀平整，內部無氣孔、裂紋、未焊透等缺陷。

（2）焊接接頭由母材、熱影響區和焊縫構成。母材為典型的變形組織，大尺寸初生α晶粒和尺寸細小的再結晶等軸α晶粒。熱影響區呈現針狀α?馬氏體交錯排布。焊縫組織呈現典型的網籃組織，為大量的α?馬氏體相和少量的高溫殘留β相。

（3）焊接接頭顯微硬度成駝峰分布，由母材到熱影響區逐漸增加，熔合線顯微硬度最大，為400HV。焊縫內部區域的硬度均大于母材區域，這是因為焊縫中形成大量具有高的位錯密度和孿晶的針狀α?馬氏體的形成。

（4）焊接接頭的抗拉強度為1030MPa，屈服強度為937MPa，斷后伸長率達9%，與母材相當，斷裂位置位于母材區域，斷口形貌均呈現為韌性斷裂模式，顯微組織呈現出大小不一的等軸性韌窩形貌。彎曲性能測試表明：焊接接頭的塑性良好；沖擊性能測試表明：母材的沖擊性能高于熱影響區和焊縫，其中焊縫的沖擊性能最低（3.5J）；這是因為焊縫主要是由大量的α?馬氏體相構成。

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第一作者： 張 世 偉 ， 博 士 ， 工 程 師 ； 主 要 從 事 金 屬 材 料 焊接 與 連 接 技 術 及 電 弧 增 材 制 造 技 術 的 研 究；

zswhit@126.com。

本文引用格式：

張世偉, 王玨, 佀好學, 等. TC4 鈦合金激光自熔焊焊接組織及性能[J]. 焊接, 2024（6）：33 ? 39, 46.

Zhang Shiwei, Wang Jue, Si Haoxue, et al. Microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy by autogenous laser welding[J].Welding & Joining, 2024（6）：33 ? 39, 46.

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