船用TA5钛合金板激光焊接接头成形质量与微观结构调控研究——基于高功率激光焊接工艺，剖析焊缝区-热影响区-母材区组织过渡特性及硬度/拉伸性能响应规律

1、序言

钛及钛合金具有密度小､无磁性､比强度和比刚度高､耐海水和海洋大气腐蚀能力强，在航空航天､船舶制造和化工冶金等领域得到了广泛的应用，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加了 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，故不能进行热处理强化。船用钛及钛合金的焊接，对我国整个海洋工程装备､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研究较少，大多集中在比较熟悉的 TIG､MIG 焊等。对于传统的熔化焊接技术，由于设备成本低､焊接过程平稳等特点，在现代焊接工业制造领域仍占据着一定的主导地位，但其生产效率低､焊接热输入大､变形大､晶粒粗大､熔透能力差等缺陷，对于厚板焊接时需要加工设计坡口，并考虑采用何种坡口形式､坡口角度等问题，然后采用多层多道焊，这可能会造成工件变形并产生较大的残余应力。大连交通大学刘守义等 [8] 分别对 4mm 和 6mm 的 TA5 钛合金进行 MIG 焊接组织性能研究，研究发现，在焊接接头的焊缝区硬度最低，热影响区组织主要为粗大的针状 α 相，焊缝区组织出现了大量的针状马氏体相，并且焊接接头具有良好的冷弯和拉伸力学性能。华中科技大学涂世豪 [9] 对 3mm 厚的 TC4 钛合金进行平板脉冲激光堆焊试验，研究结果表明，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。

相比于传统的熔化焊 (TIG､FSW 等) 方法，激光焊有其独特的优势，例如能量密度高､焊接速度快､深宽比大､自动化程度高等，已经在船舶加工制造领域获得了广泛的应用，但国内外对于厚板钛合金无间隙不开坡口单面焊双面成形的焊接研究较少，因此开展本文研究具有重要的理论价值和现实意义。

2、试验

2.1 试验材料

本次试验所用材料为轧制态 TA5 钛合金，名义成分为 Ti-4Al-0.005B，材质符合 GB/T 3621-2007 要求，是一种中等强度的近 α 型钛合金。试板规格分别为 10mm×200mm×300mm。根据图 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 相均匀分布在 α 相晶界附近，呈点状和线性分布，化学成分和力学性能分别见表 1､表 2。

表 1 TA5 合金的化学成分 (质量分数)(%)

表 2 TA5 合金室温力学性能

2.2 焊接工艺

试验采用高功率德国 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，最大输出激光功率可以达到 20000W，运动系统主要为德国 KUKA 六轴联动机器人 KR60HA，定位精度在 0.05mm，能够实现高精密复杂轨迹的焊接，特别适合激光自熔焊接。经过大量的工艺试验和分析，优化后的激光 - MIG 复合焊接采用如图 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，为了防止焊接过程被空气中的 N､H 和 O 氧化，在正反两面用 99.99% 的纯氩气进行保护。

2.3 检测方法

焊接完成后，采用 X 射线检测对内部质量进行评定，射线检测能够在不破坏接头的情况下，检测到接头内部是否存在气孔､未熔合及裂纹等缺陷，根据 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。当满足标准要求后，采用数控线切割方式沿垂直于焊缝方向上截取大小为 6mm×10mm×30mm 的试样，随后利用不同精度的砂纸进行打磨､抛光和腐蚀。为了能够精准观察到焊接接头组织，首先采用金相显微镜 OLYMPUS GX71 进行低倍观察，随后采用扫描电子显微镜 Quanta 650 FEG 进行高倍观察组织内部结构。根据 GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第 1 部分：试验方法》标准进行维氏硬度测试，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，两测试间隔为 0.3mm，加载载荷为 5kg，持续时间 15s；根据 GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》在万能材料试验机上进行，焊接接头加工成如图 3 所示的拉伸试样。

3、结果与分析

3.1 接头宏观形貌

TA5 钛合金激光焊接接头的宏观形貌如图 4a､b 所示，该工艺条件下获得的焊接接头呈银白色金属光泽，表面成形均匀，无表面裂纹､夹渣以及驼峰等明显缺陷，但焊缝表面存在轻微咬边，这是由于激光焊本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､夹杂､侧壁未熔合以及内部裂纹等缺陷，能够满足 NB/T 47013.2-2015《承压设备无损检测第 2 部分：射线检测》I 级合格要求，如图 4c 所示。

3.2 接头横截面宏观形貌

从图 5 可看出，TA5 钛合金横截面形貌呈现典型的 “沙漏形”，焊缝顶部的柱状晶尺寸明显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 相完全转变温度，α 相全部转变为 β 相，随后迅速长大为粗大的 β 柱状晶，同时焊缝是从底部方向凝固到顶部，因此会呈现上､下部熔合区较宽而中间部分熔合区较窄的熔池形貌。根据焊接接头受熔池热传导作用的不同，焊接接头可以进一步细分为焊缝区､热影响区和母材区。

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征如图 6 所示，焊缝中心区组织主要为粗大的 β 相柱状晶，柱状晶的晶界完整清晰，晶界内部为交织成网篮状形貌的细小的 α 针状马氏体和板条马氏体，这主要是由于钛的热导率低，对过热十分敏感，使得晶粒沿着温度梯度的方向生成粗大的 β 柱状晶，针状马氏体在 β 柱状晶的内部和边界同时形核和长大，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 相会全部转变为液态的高温 β 相，随后在快速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移发生切边相变，生成大量细小的针状马氏体 α' 相。α' 相在 β 柱状晶的内部和边界同时形核和长大，通过高倍 SEM 电镜发现，α 马氏体大多呈现锯齿状和针状。热影响区包括近焊缝区 (粗晶区) 和近母材区 (细晶区) 两个区域，粗晶区主要由 α 相和 α' 相组成，其中 α' 相呈短针状交叉分布；细晶区主要由 α 相､α' 相和 β 相组成，热影响区的组织呈现逐渐演变的过程，接头热影响区在激光焊接时各个位置受到的焊接热循环和热传导作用不同，因此显微组织存在很大差异。靠近焊缝处的热影响区，由于受熔池的热传导作用较强，温度迅速升高，母材中的 α 相全部转变为 β 相，在随后的快速冷却过程中，β 相会部分转变为针状马氏体，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 相未能够全部转变为 β 相，冷却过程中 β 相会有部分残余，其余转变为少量的针状马氏体。

3.4 焊接接头的力学性能

(1) 拉伸试验结果分析 由图 7 可以看出，TA5 钛合金激光焊接接头拉伸断裂位置主要发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平均值为 783MPa，高于母材的抗拉强度 773MPa，因此断裂发生在母材处，在拉伸过程中母材会率先发生局部的塑性变形，产生颈缩，而焊缝金属的组织主要为过饱和的针状马氏体 α'，抗拉强度较高，产生的应变较小，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。同时根据表 3 可以看出，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，韧性在一定程度上会有所降低。

表 3 TA5 钛合金激光焊接头横向圆拉结果

(2) 拉伸试样断口形貌分析 断裂是固体受到外界的应力或应变作用后的反应，断裂的过程包括裂纹形核和裂纹扩展。而断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，拉伸试样的断口反映了被测试材料在外力作用下 (拉应力)，材料内部从裂纹源形成裂纹，经过裂纹的生长和扩展直至形成断口的过程。在研究断裂时，对断口的观察､分析和研究是对材料性能深入掌握的关键。可以通过断口形貌分析去研究断裂的基本问题：如断裂起因､断裂方式､断裂机制､断裂过程等。

钛合金焊接接头在拉伸过程中会出现明显的不均匀的塑性变形，发生韧性断裂，主要体现在断口形貌为无光泽的杯锥状，并且出现了颈缩，断口截面主要是韧窝。韧性断裂的断口一般分为 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本身的屈服极限时，首先产生均匀的塑性变形，在单向拉应力的作用下，在接头的局部就会形成裂纹；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，改变了应力状态，一般沿着 45° 方向断开，成为杯锥状断口，此时韧窝形貌由等轴状改变为椭圆形或者拉长形。

(3) 显微硬度 从图 9 可以看出，激光焊的显微硬度分布整体上呈现 “马鞍形”，母材的硬度相对较低，主要分布在 300HV 附近；熔合区附近的硬度相对较高，大小主要在 330HV 附近，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' 相交错排列，其具有较高的位错密度和孪晶针状组织形成了大量的晶界，晶粒变得细小，根据 Hall-Patch 公式可知，晶粒越细小，单位面积上的晶界越多，而晶界可以使得位错在界面处产生位错塞积，从而阻碍位错运动，而位错运动的阻碍从宏观上来看表现为材料的强度和硬度的提高。同时，硬度大小的变化与显微组织过渡状态和组织不均匀有关，激光焊焊缝和热影响区都出现了较多高硬度的针片状马氏体相 α'，形成了相互交错的网篮组织，根据 TEM 结果发现，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，根据研究表明，显微硬度值 α'>α>β 相 [10]，靠近熔合线附近的 α' 马氏体较多，因此出现了硬度最高值。热影响区的显微组织主要由针状马氏体 α' 相向 α 相和等轴 α 相逐渐演变，因此，热影响区的显微硬度有逐渐下降的趋势。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、结束语

本文采用激光自熔焊接方法实现了 10mm 厚 TA5 钛合金的焊接，对焊接接头的显微组织特征和力学性能进行了研究，得到如下结论：

TA5 钛合金激光自熔焊获得的接头成形良好，无明显的焊接质量缺陷，满足 NB/T 47013.2-2015《承压设备无损检测第 2 部分：射线检测》I 级合格要求；焊缝中心区由粗大的 β 柱状晶和晶内细小的针状马氏体 α' 相组成，靠近焊缝侧的热影响区组织为片状､锯齿状 α 相与针状马氏体 α' 相；随着远离焊缝中心，热影响区组织呈逐渐演变的特点，靠近母材侧热影响区组织为片状 α 相､少量针状马氏体 α' 相和残余 β 相，并最终趋于母材组织 α 相与 β 相。

焊接接头的平均抗拉强度为 783MPa，高于母材的平均抗拉强度，拉伸断裂发生在远离焊缝的母材处，断口形貌呈现塑形断裂，平均断后伸长率为 14.4%，相较于母材保持不变；激光焊在提高接头强度的同时，塑性保持不变。

焊接接头硬度最高值出现在熔合线，热影响区和焊缝区次之，母材区显微硬度最低，这与针状马氏体 α' 相的形态分布与大小有关。

参考文献

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（注，原文标题：TA5钛合金激光焊接头组织与力学性能分析）