1、序言

钛脊合金拥有密度幼?无磁性?比强度和比刚度高?耐海水和海洋大气侵蚀能力强，在航空航天?船舶造作和化工冶金等领域得到了宽泛的利用，被誉为 “海洋金属” 和 “太空金属”[1-6]。TA5 是一种在纯钛基础上增长了 4% Al 元素和 0.005% B 元素形成的一种中等强度的 α 型钛合金，由于含有单一的 α 相，故不能进行热处置强化。船用钛脊合金的焊接，对我国整个海洋工程设备?甚至整个工业技术的发展都有着关键性作用 [7]。

目前，关于 TA5 钛合金激光焊接工艺的钻研较少，大多集中在比力熟悉的 TIG?MIG 焊等。对于传统的溶解焊接技术，由于设备成本低?焊接过程安稳等特点，在现代焊接工业造作领域仍占据着肯定的主导职位，但其出产效能低?焊接热输入大?变形大?晶粒粗壮?熔透能力差等缺点，对于厚板焊接时必要加工设计坡口，并思考选取何衷炻口大局?坡吵嘴度等问题，而后选取多层多路焊，这可能会造成工件变形并产生较大的残存应力。大连交通大学刘守义等 [8] 别离对 4mm 和 6mm 的 TA5 钛合金进行 MIG 焊接组织机能钻研，钻研发现，在焊接接头的焊缝区硬度最低，扰装响区组织重要为粗壮的针状 α 相，焊缝区组织出现了大量的针状马氏体相，并且焊接接头拥有优良的冷弯和拉伸力学机能；锌萍即笱渴篮 [9] 对 3mm 厚的 TC4 钛合金进行平板脉冲激光堆焊试验，钻研了局批注，脉冲频率?峰值功率?焊接速度和占空比对焊接接头的成形和质量都有显著影响。

相迸宗传统的溶解焊 (TIG?FSW 等) 步骤，激光焊有其怪异的优势，例如能量密度高?焊接速度快?深宽比大?自动化水平高档，已经在船舶加工造作领域获得了宽泛的利用，但国内表对于厚板钛合金无间隙不开坡口单面焊双面成形的焊接钻研较少，因而发展本文钻研拥有沉要的理讲价值和现实意思。

2、试验

2.1 试验资料

本次试验所用资料为轧造态 TA5 钛合金，名义成分为 Ti-4Al-0.005B，材质切合 GB/T 3621-2007 要求，是一种中等强度的近 α 型钛合金。试板规格别离为 10mm×200mm×300mm。凭据图 1 可知，TA5 钛合金母材的微观组织由等轴 α 相和少量 β 相组成，β 相均匀散布在 α 相晶界左近，呈点状和线性散布，化学成分和力学机能别离见表 1?表 2。

表 1 TA5 合金的化学成分 (质量分数)(%)

表 2 TA5 合金室温力学机能

2.2 焊接工艺

试验选取高功率德国 IPG 激光器 YLS-20000 对 10mm 厚的 TA5 钛合金进行激光自熔焊对接试验，最大输出激光功率能够达到 20000W，活动系统重要为德国 KUKA 六轴联动机械人 KR60HA，定位精度在 0.05mm，可能实现高精密复杂轨迹的焊接，出格适合激光自熔焊接。经过大量的工艺试验和分析，优化后的激光 - MIG 复合焊接选取如图 2 所示的坡口，坡口间隙为 0~0.2mm，激光功率为 12000W，焊接速度为 0.020m/s，离焦量为 + 10mm，为了预防焊接过程被空气中的 N?H 和 O 氧化，在正反两面用 99.99% 的纯氩气进行；。

2.3 检测步骤

焊接实现后，选取 X 射线检测对内部质量进行评定，射线检测可能在不粉碎接头的情况下，检测到接头内部是否存在气孔?未熔合及裂纹等缺点，凭据 NB/T 47013.2-2015《承压设备无损检测 - 射线检测》AB 级射线检测技术进行评定。当满足尺度要求后，选取数控线切割方式沿垂直于焊缝方向上截取大幼为 6mm×10mm×30mm 的试样，随后利用分歧精度的砂纸进行打磨?抛光和侵蚀。为了可能精准观察到焊接接头组织，首先选取金相显微镜 OLYMPUS GX71 进行低倍观察，随后选取扫描电子显微镜 Quanta 650 FEG 进行高倍观察组织内部结构。凭据 GB/T 4340.1-2009《金属资料维氏硬度试验第 1 部门：试验步骤》尺度进行维氏硬度测试，在全自动维氏硬度机 KB30SR-FA 上对焊接接头进行显微硬度测试，在焊缝熔宽方向上部?中部和下部三个方向打点测试，两测试距离为 0.3mm，加载载荷为 5kg，持续功夫 15s；凭据 GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验步骤》在全能资料试验机上进行，焊接接头加工成如图 3 所示的拉伸试样。

3、了局与分析

3.1 接头宏观描摹

TA5 钛合金激光焊接接头的宏观描摹如图 4a?b 所示，该工艺前提下获得的焊接接头呈银白色金属光泽，表表成形均匀，无表表裂纹?夹渣以及驼峰等显著缺点，但焊缝表表存在轻微咬边，这是由于激光焊自身的工艺特点决定的；对焊接接头进行 X 射线检测，焊接接头内部无气孔?同化?侧壁未熔合以及内部裂纹等缺点，可能满足 NB/T 47013.2-2015《承压设备无损检测第 2 部门：射线检测》I 级合格要求，如图 4c 所示。

3.2 接头横截面宏观描摹

从图 5 可看出，TA5 钛合金横截面描摹出现典型的 “沙漏形”，焊缝顶部的柱状晶尺寸显著大于焊缝中部和底部的尺寸，这与在焊接过程中受激光热源的影响有直接关系，焊缝顶部受热源的影响较大，达到了 β 相齐全转变温度，α 相全数转变为 β 相，随后迅速长大为粗壮的 β 柱状晶，同时焊缝是从底部方向凝固到顶部，因而会出现上?下部熔合区较宽而中央部门熔合区较窄的熔池描摹。凭据焊接接头受熔池热传导作用的分歧，焊接接头能够进一步细分为焊缝区?扰装响区和母材区。

3.3 焊接接头的微观组织

TA5 钛合金激光焊接头微观组织特点如图 6 所示，焊缝中心区组织重要为粗壮的 β 相柱状晶，柱状晶的晶界齐全清澈，晶界内部为交错成网篮状描摹的藐幼的 α 针状马氏体和板条马氏体，这重要是由于钛的热导率低，对过热极度敏感，使得晶粒沿着温度梯度的方向天生粗壮的 β 柱状晶，针状马氏体在 β 柱状晶的内部和天堑同时形核和长大，在激光焊接过程中，焊接加热温度超过了 β 相转变温度，此时 α 相会全数转变为液态的高温 β 相，随后在急剧冷却的过程中焊缝区金属经历熔池结晶和 β→α 相转变过程，由于 β 相中的合金元素来不及扩散转变为平衡的 α 相，而是通过原子的近程迁徙产生切边相变，天生大量藐幼的针状马氏体 α' 相。α' 相在 β 柱状晶的内部和天堑同时形核和长大，通过高倍 SEM 电镜发现，α 马氏体大多出现锯齿状和针状。扰装响区蕴含近焊缝区 (粗晶区) 和近母材区 (细晶区) 两个区域，粗晶区重要由 α 相和 α' 相组成，其中 α' 相呈短针状交叉散布；细晶区重要由 α 相?α' 相和 β 相组成，扰装响区的组织出现逐步演变的过程，接头扰装响区在激光焊接时各个地位受到的焊接热循环和热传导作用分歧，因而显微组织存在很大差距？拷阜齑Φ娜抛跋烨，由于受熔池的热传导作用较强，温度迅速升高，母材中的 α 相全数转变为 β 相，在随后的急剧冷却过程中，β 相会部门转变为针状马氏体，其余转变为 α 相。近母材区受熔池的热传导作用较弱，此处获得的热量相对较少，在加热过程中母材中的 α 相未可能全数转变为 β 相，冷却过程中 β 相会有部门残存，其余转变为少量的针状马氏体。

3.4 焊接接头的力学机能

(1) 拉伸试验了局分析 由图 7 能够看出，TA5 钛合金激光焊接接头拉伸断裂地位重要产生在远离焊缝的母材处，通过试验发现焊接接头的抗拉强度均匀值为 783MPa，高于母材的抗拉强度 773MPa，因而断裂产生在母材处，在拉伸过程中母材会率先产生部门的塑性变形，产生颈缩，而焊缝金属的组织重要为过鼓和的针状马氏体 α'，抗拉强度较高，产生的应变较幼，从而形成了缺口效应，使得母材处先产生应力集中，最终优先断裂。同时凭据表 3 能够看出，焊接接头的伸长率相对母材有所降低，在提高焊接接头的强度的同时，韧性在肯定水平上会有所降低。

表 3 TA5 钛合金激光焊接头横向圆拉了局

(2) 拉伸试样断口描摹分析 断裂是固体受到表界的应力或应变作用后的反映，断裂的过程蕴含裂纹形核和裂纹扩大。而断口总是产生在金属组织中最幽微的处所，拉伸试样的断口反映了被测试资料在表力作用下 (拉应力)，资料内部从裂纹源形成裂纹，经过裂纹的成长和扩大直至形成断口的过程。在钻研断裂时，对断口的观察?分析和钻研是对资料机能深刻把握的关键Ｄ芄煌ü峡诿枘》治鋈プ暄卸狭训母侍猓喝缍狭哑鹨?断裂方式?断裂机造?断裂过程等。

钛合金焊接接头在拉伸过程中会出现显著的不均匀的塑性变形，产生韧性断裂，重要体此刻断口描摹为无光泽的杯锥状，并且出现了颈缩，断口截面重要是韧窝。韧性断裂的断口通常分为 3 个区域：中心纤维区?放射区和剪切唇 [6]。当拉伸载荷超过钛合金自身的屈服极限时，首先产生均匀的塑性变形，在单向拉应力的作用下，在接头的部门就会形成裂纹；当载荷达到抗拉强度时，试样就会出现颈缩，此时试样会受到切应力的作用，扭转了应力状态，通常沿着 45° 方向断开，成为杯锥状断口，此时韧窝描摹由等轴状扭转为椭圆形或者拉长形。

(3) 显微硬度 从图 9 能够看出，激光焊的显微硬度散布整体上出现 “马鞍形”，母材的硬度相对较低，重要散布在 300HV 左近；熔合区左近的硬度相对较高，大幼重要在 330HV 左近，由于激光焊接过程的冷却速度较快，相当于淬火，使得焊缝处形成了由针状马氏体 α' 相组成的网篮组织，α' 订交错分列，其拥有较高的位错密度和孪晶针状组织形成了大量的晶界，晶粒变得藐幼，凭据 Hall-Patch 公式可知，晶粒越藐幼，单元面积上的晶界越多，而晶界能够使得位错在界面处产生位错塞积，从而故障位错活动，而位错活动的故障从宏观上来看阐发为资料的强度和硬度的提高。同时，硬度大幼的变动与显微组织过渡状态和组织不均耘仔关，激光焊焊缝和扰装响区都出现了较多高硬度的针片状马氏体相 α'，形成了互订交错的网篮组织，凭据 TEM 了局发现，网篮组织的内部存在大量的位错，并且位错密度较高，并且 α' 马氏体的显微硬度最高，凭据钻研批注，显微硬度值 α'>α>β 相 [10]，靠近熔合线左近的 α' 马氏体较多，因而出现了硬度最高值。扰装响区的显微组织重要由针状马氏体 α' 相向 α 相和等轴 α 相逐步演变，因而，扰装响区的显微硬杜仔逐步降落的趋向。而母材的显微组织由等轴 α 相和 β 相组成，不含针状马氏体相，所以其硬度最低。

4、实现语

本文选取激光自熔焊接步骤实现了 10mm 厚 TA5 钛合金的焊接，对焊接接头的显微组织特点和力学机能进行了钻研，得到如下结论：

TA5 钛合金激光自熔焊获得的接头成形优良，无显著的焊接质量缺点，满足 NB/T 47013.2-2015《承压设备无损检测第 2 部门：射线检测》I 级合格要求；焊缝中心区由粗壮的 β 柱状晶和晶内藐幼的针状马氏体 α' 相组成，靠近焊缝侧的扰装响区组织为片状?锯齿状 α 相与针状马氏体 α' 相；随着远离焊缝中心，扰装响区组织呈逐步演变的特点，靠近母材侧扰装响区组织为片状 α 相?少量针状马氏体 α' 相和残存 β 相，并最终趋于母材组织 α 相与 β 相。

焊接接头的均匀抗拉强度为 783MPa，高于母材的均匀抗拉强度，拉伸断裂产生在远离焊缝的母材处，断口描摹出现塑形断裂，均匀断后伸长率为 14.4%，相较于母材维持不变；激光焊在提高接头强度的同时，塑性维持不变。

焊接接头硬度最高值呈此刻熔合线，扰装响区和焊缝区次之，母材区显微硬度最低，这与针状马氏体 α' 相的状态散布与大幼有关。

参考文件

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（注，原文标题：TA5钛合金激光焊接头组织与力学机能分析）