钛脊合金以优异的抗海水侵蚀能力（低速海水侵蚀速度≤7.6×10-7mm/a），以及较高的比强度和比刚度，被宽泛利用于船舶及海洋工程，被誉为“海洋金属”。同时，钛脊合金拥有优异的高温力学机能、抗委顿和抗蠕变机能，综合机能良好，也被宽泛用于航空航天、化工等领域，也被誉为“21世纪金属”“战术金属”[1]。

TA5（Ti-4Al-0.005B）合金是一种屈服强度≥560MPa的中等强度的α型钛合金，其重要合金成分为4wt%Al和0.005wt%B。与高强的双相TC4（Ti-6Al4V）合金相比，TA5塑性、冲击韧性方面机能良好，同时凭据两种合金的Mo当量及Al当量，TA5的焊接性越发优异。与工业纯钛相比，TA5有更优异的抗点侵蚀、抗空泡破损能力；因而，TA5以其良好的塑韧性、焊接性、耐蚀性[2-6]等机能和较高的强度，已被宽泛利用于海水、港口、海洋平台等海洋环境[2，7]。

激光焊接技术和电子束焊接技术均属于高能束焊接技术，对钛合金均有优良的工艺适应性。图1为常见焊接步骤熔池领域对比，可看出，电子束和激光焊接技术是现有焊接技术中能量密度最高的焊接步骤[8]。 

电子束（electronbeam，EB）焊与激光（laserbeam，LB）焊在进行中等厚度以上焊接时均为“匙孔”焊，其根基道理如图2所示，均通过典型的焊接“匙孔”获得质量良好的焊接接头。

电子束焊接是在加快电压20～150kV下，将电子加快到光速的0.3～0.7倍，而后经过强聚焦后使能量荟萃，轰击被焊工件来实现焊接，如图3所示。

电子束的功率密度高达107W/cm²，当待焊接工件被加快后的电子束轰击时，瞬间产生极高的温度，足以使焊缝金属部门溶解和甚至汽化；同时，能量集中和部门高温使被加热的金属蒸发形成蒸汽空腔（匙孔），从而实现深熔“匙孔”焊接[6]。大功率激光焊接为“匙孔焊”时，极高的激光密度使得被焊部位产生汽化，形成致密的等离子体及金属蒸汽；并通过壁聚焦效应持续不休将能量传递到幼孔深处，以得到传统弧焊无法达到的“匙孔”，从而持续焊接。

固然电子束焊和激光焊均属于高能束焊接，但在能量密度、穿孔机理、幼孔不变性、焊接缺点形成机理等方面均有所分歧。对于钛合金，想要获得高质量的大深宽比焊缝，无论选取电子束焊还是激光焊，均优先选取“匙孔”焊接模式。但电子束在真空下焊接，其工件导热前提、熔池表表张力、气孔（空穴）等相比激光焊接均各有分歧。

现有钻研重要集中在单一焊接步骤的机能优化，不足对这两种焊接技术在钛合金焊接中的直接对比。本文将对激光焊接与电子束焊接机能进行对比钻研，通过深刻分析两者在焊接过程中所阐发的各项机能，为钛合金加工造作提供越发科学的焊接步骤，推动该领域技术的进一步发展。

1、试验资料及步骤

1.1试验资料

选用满足GB/T3621—2007的10mm厚TA5板材，试板规格为300mm×150mm×10mm，其化学成分见表1。其力学机能Rm≥685MPa、Rp0.2≥585MPa、A≥12%。

1.2焊接过程

电子束焊接设备选取150kV、60kW高压定枪电子束焊机。焊接时选取150kV电压、40mA束流，焊接速度1500mm/min。激光焊接选取20kW光纤激光器，焊接时使用11kW功率，焊接速度为1100mm/min。

1.3力学机能和无损检测

在型号为MTSE45.305-A的300kN资料试验机上进行拉伸试验，在型号为BHT5106的弯曲试验机上进行弯曲测试，试验过程切合GB/T228及CB/T4363划定。对焊后试板依照NB/T47013.2及NB/T47013.5进行射线检测和渗入检测。

2、试验了局与分析

2.1焊缝表表和截面描摹

两种焊接步骤焊后均得到成型良好的焊接试板，焊缝表观如图4所示？煽闯，两种焊接步骤焊缝正面宽度均为3.5～4.5mm。由于电子束焊和激光焊均没有填充金属，焊路两侧熔合线左近有轻微下凹（并非弧焊中的咬边）。焊缝背面比正面略窄，宽度3～4mm，均为典型“大深宽比”的单面焊双面成型描摹。同时，由于焊接过程温度梯度大，焊缝冷却快，形成了鱼鳞纹。电子束焊是在真空环境焊接，且其焊缝背面由于没有类似激光焊接的背部气体；，没有任何气体压力，其背部成型光滑度相比激光较差。同时，由于电子束焊接速度大于激光焊接速度，其焊缝正背面两侧相比激光有轻微部门咬边。对两试板依照NB/T47013.2及NB/T47013.5进行射线检测和渗入检测，射线检测满足Ⅱ级，渗入检测满足Ⅰ级要求。

2.2组织分析

图5显示了电子束焊及激光焊接接头微观金相。焊缝区（WZ）为锯齿状α并弥散点状β，锯齿状α中混合少量非平衡六方晶格马氏体α'，马氏体常见截止在原始β晶界，大多时辰α'与针状α有时难以分辨。由于TA5合金险些没有β不变动元素，因而马氏体α'特点及描摹阐发并不显著；而近焊缝的扰装响区（HAZ）和近母材（BM）的HAZ均为锯齿状α+点状β[6]。

图6、7别离为电子束及激光焊焊接接头柱状晶区的焊缝区和扰装响区的EBSD图像（彩图见电子版，下同）Ｄ芄豢闯，两种焊接步骤，凝固时原始β柱状晶界清澈，而在柱状晶内部为十字交错的α+α'混合组织。由扰装响区EBSD能够看出，焊缝侧晶粒尺寸较大，呈锯齿状，而母材侧晶粒越发藐幼，更趋于等轴晶特点。两种焊接步骤焊缝区及扰装响区晶粒状态差距不大，均为典型的高能束焊接描摹。

由于高能束焊能量密度极高，对金属是一种急剧加热、冷却、凝固和结晶过程，会形成近似平行的大深宽比焊缝。对于被焊接资料，被溶解金属体积越幼，焊策应力和焊接变形则越幼。因而，从使用角度分析，高能束焊接质量往往优于必要开大角度坡口的弧焊。对焊接后的试板进行宏观金相观测，如图8所比的高能束焊缝描摹，深宽比均≥2∶1，两种接头的母材（BM）、扰装响区（HAZ）及焊缝区（WZ）及熔合线清澈，焊缝区域的晶粒取向清澈。

对比发现，电子束焊缝截面为险些平行的幼角度“倒梯形”截面，而激光焊接截面为典型的“束腰形”截面，造成这种了局原因在于焊接接头各区域的热量散布和温度梯度。首先电子束焊接能量密度大于激光焊，同时焊接速度也大于激光焊接，在焊接前进方向的温度梯度会大于激光焊接，易形成险些近似平行的极窄焊缝截面。若是进一步增长焊接板厚及电子束功率，将形成齐全平行的焊缝截面，这在好多钻研中已经得到印证[9]。进一步观察电子束焊缝晶粒取向，险些无指向焊缝中心的柱状晶。由于焊缝中心温度梯度最大，在焊缝上1/3处晶粒取向趋向于中心左袒焊缝表表，切合电子束焊缝特点。

大功率激光焊亦为“匙孔焊”，能较好地保障焊接质量。这是由于，钛合金焊接时，由于溶化在液态金属中的H原子在凝固时溶化度急剧降低，凝固的熔池不能溶化更多的H原子，将会以氢气分子大局析出，形成氢气孔。“匙孔焊”可能极大增长气孔逸出的天堑前提，降低气孔率。因而，大厚度钛合金等离子焊和激光焊均选取“匙孔焊”。

观察激光焊接截面，焊缝上部为椭圆形，可能看到显著的结晶柱状晶特点，由于焊缝表表温度梯度较大，出现向焊缝中心偏上的方向倾斜。焊缝中部由于温度梯度和散热限度出现柱状等轴晶特点。下部为三角形柱状晶区，整体组成典型的“束腰形”截面。

进一步观察焊缝区上部椭圆形柱状晶区，由于越靠近焊缝表表，温度梯度越大，随着温度梯度降低，一次结晶柱状晶方向趋于指向焊缝中心内部。而焊缝背面散热前提与正面类似，中心散热差，越靠近下表表散热越好，因而会形成一个藐幼等轴晶粒束腰区和下表表的柱状晶区。

2.3拉伸和弯曲机能

依照NB/T47014—2011对焊接试板进行拉伸试样、弯曲试样造样，依照GB/T228及CB/T4363进行力学机能测试，了局如表2、3所示，力学机能均可能满足尺度要求。

由表2、3可看出，电子束和激光焊接接头强度均超过尺度要求685MPa，接头合格。对每种焊接步骤拔取4个横向弯曲试样，尺寸为10mm×10mm×300mm，在d＝10t、弯曲角度为90°的前提下进行侧弯试验，表表无任何大于3mm的可见裂纹，弯曲机能优良。

2.4焊接接头硬度散布

对两种接头依照GB/T4340进行HV5维氏硬度检测，如图9所示Ｄ芄豢吹，激光焊接与电子束焊接接头的焊缝区显微硬度均有所提高，这重要是焊缝中存在少量的针状马氏体α'，由于显微硬度值α'＞α＞β相，因而焊缝区硬度变高。

对于激光焊，HAZ区域受到高温作用，晶粒长大，造成软化而硬度值降低；而电子束焊接HAZ区域硬杜纂母材硬度差距不大，满足有关尺度要求。

钛合金焊接易受N、H、O传染，温度超过400℃时，起头吸氧、吸氮、吸氢而产生增沉。在高于600℃时反映剧烈，使钛的机能恶化，产生的化合物使母材硬度提高而塑性显著降低，部门化合物也会影响冲击韧性。因而，《钛造焊接容器》释义及《船用钛合金焊接工艺要求》中也明确钛合金接头中焊缝及扰装响区硬度不宜显著高于母材。由图9能够看出，无论焊缝区还是扰装响区硬度均相比母材均为显著提升，并未出现由于焊接过程中氧化（重要为O和N）引起硬度异常景象。

2.5仿真了局分析

选取ABAQUS对两种焊接过程中的温度场及熔池描摹特点进行仿真，进而相识两种焊接步骤的瞬态热循环，量化热量传递过程，能够明确熔池形成过程与温度梯度散布，以及两种焊接步骤下扰装响区的散布特点。图10为本文所选取的热源模型，蕴含高斯旋转体热源、高斯面热源与锥体热源复合热源。

如图10（a）所示，为高斯面热源模型示意图，其推算公式如下：

式中：q（r）为能量密度；r为热源内肆意一点到热源中心的距离；R为热源有效作用半径；P为功率；η为热效能。

如图10（b）所示，为锥体热源模型示意图，其推算公式如下：

式中：q（r，z）为能量密度；r为热源内肆意一点到热源中心的距离；r0为热源最大作用半径；P为功率；η为热效能；H为热源总高度；re和ri别离为热源高低端的最大作用半径。

如图10（c）所示，为为高斯旋转体热源模型示意图，其推算公式如下：

式中：q（r）为能量密度；Cs为热源建改系数；H为热源有效深度；Q为有效热量；z为是深度方向变量。

选取结构化的六面体网格划分方式，焊缝左近选取近幼弘远的网格尺寸设计，选用的是DC3D8的八节点线性传热六面体单元。最幼单元尺寸为0.5mm×0.5mm×2mm。仿照中的初始温度设置为室温20℃。对于电子束焊接，属于真空环境，仅存在焊件表表辐射散热。辐射系数ε为0.8。推算参数如下:加快电压为150kV、电子束流为40mA、焊接速度为1.5m/minＫ伎加卓仔в拖质岛阜熳刺，通过高斯旋转体热源仿照电子束焊接过程，焊接热效能取为0.85[10-11]。焊接不变后温度场如图11所示。

选取同样前提，仿照激光焊接过程Ｋ伎嫉郊す馍钊酆附拥暮阜烀枘√氐，因而选取组合热源，通过高斯面热源与圆锥体热源的复合作用，使仿照了局与现实焊缝特点相吻合[10]。设定初始环境温度为25℃、环境辐射系数ε为0.85、对流换热系数h为16J/（m2·s-1·℃-1）、焊接热效能设置为0.8。同时仿照激光功率为11000W、焊接速度为1.1m/min。焊接不变后温度场及焊缝截面如图12所示。

由图12能够看出，仿真了局显示在焊接前进方向，电子束不变梯度远远高于激光焊接，加上电子束焊接工件向表界热传递远低于大气环境，因而极易形成极窄的大深宽比焊缝；而激光焊接固然相比弧焊能量密度极高，但由于吸收、散热、反射（羽辉）等成分影响，其熔池能量密度幼于电子束焊缝，因而在较大板厚时会形成“漏斗状”或“束腰状”焊缝截面。

3、结论

（1）对于TA5合金，电子束和激光焊均能实现2∶1大深宽比焊接，激光焊焊缝区截面为“束腰”描摹，而电子束焊缝区为典型的“I”描摹。通过ABAQUS仿真，印证了两种焊接步骤焊缝截面状态的差距。

（2）TA5合金电子束和激光焊焊接接头强度相比，激光焊接头强度更高，两种焊接步骤焊接接头机能优良。

（3）两种焊缝区柱状晶区显著，焊缝区重要为锯齿状α并弥散点状β。而在柱状晶内部为十字交错α+α'混合组织。

（4）电子束和激光焊焊接接头硬度检测批注，均为焊缝区硬度略有升高，激光焊HAZ区域略有降低。

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