厚壁鈦合金熔化焊接技術研究現狀

黃瑞生，方乃文，武鵬博，徐 鍇，秦 建，趙德民，曾才有，周 坤

1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

2.鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

3.廣東省科學院中烏焊接研究所 中國-烏克蘭材料連接與先進制造“一帶一路”聯合實驗室，廣東 廣州 510651

0 前言

鈦合金具有密度低、比強度和比剛度高、耐腐蝕性能優良、可加工性能好等特點［1］，是一種具有發展潛力和應用前景的新型功能材料，被譽為繼鋼、鋁之后的“第三種金屬”，是重要的戰略金屬材料，在航空航天、石油化工、國防裝備等領域得到了廣泛應用［2-3］。近年來，隨著國防工業對設備需求的大型化和輕量化，對厚壁鈦合金的需求越來越迫切，其相應加工技術需求也迫在眉睫。在實際工程應用中，厚壁鈦合金結構件連接主要通過焊接完成，因此高效、優質的厚壁鈦合金焊接技術備受關注。本文對厚壁鈦合金的熔化焊接技術研究現狀進行概括和總結，提出目前厚壁鈦合金熔化焊存在的問題，并對厚壁鈦合金熔化焊技術的發展前景和研究方向進行了展望。

1 鈦合金分類與特性

1.1 鈦合金分類

鈦合金按照化學成分和含量可分為α鈦合金、近α鈦合金（β相質量分數≤10%）、α-β雙相鈦合金（10%≤β相質量分數≤50%）、亞穩定β鈦合金和β鈦合金共計5類［4］。由于α-β雙相鈦合金兼具α型鈦合金的熱穩定性特點和β型鈦合金的熱處理強化特點，綜合性能優異，是目前應用最為廣泛的鈦合金［4］。

1.2 鈦合金材料特性

（1）比強度高。鈦合金屬于輕質合金，密度（20℃）為4.54 g/cm3，約為普通鋼的56%，采用鈦合金制造機械零部件，可顯著減輕質量，達到輕量化的效果。

（2）耐蝕性好。鈦合金暴露在空氣中時，會在表面形成一層穩定、連續、致密的氧化膜，使其處于鈍化的狀態；同時鈦合金的氧化膜具有良好的修復性能，當其因外界因素被破壞時，能夠很快修復，因此鈦合金具有良好的耐腐蝕性［5-6］。

（3）高溫性能好。鈦合金熔點為1 667℃，能在500～600℃的環境中穩定工作，具有較高的蠕變抗性和耐熱性［7］。

1.3 厚壁鈦合金焊接特性

（1）焊接接頭脆化：在沒有防護的條件下，當鈦合金加熱溫度達到250℃開始吸氫，400℃開始吸氧，540℃發生劇烈的氧化，600℃開始吸氮，這些氣體溶入到熔池并發生化學反應，使得焊接接頭發生脆化，導致焊接接頭塑性和韌性迅速下降。

（2）焊接裂紋：鈦合金中S、P、C等雜質含量較低，低熔點共晶化合物較少，結晶溫度區間窄，因此不容易產生熱裂紋；但厚壁鈦合金進行多層多道焊時，由于焊接接頭拘束應力大，導致焊后接頭有較大的殘余應力，在殘余應力的作用下易產生冷裂紋［8］。

（3）氣孔：氣孔是鈦合金焊接時最常出現的缺陷，鈦合金本身元素活潑、飽和蒸汽壓高，當母材和焊材表面受到污染或保護氣不純（含氧、氫或水）時易產生氫氣孔［9］。

2 非熔化極氣體保護焊研究現狀

2.1 傳統TIG焊

非熔化極氣體保護焊（TIG焊）因電弧穩定、焊接飛濺少、焊縫成形好等優點在鈦合金領域獲得了較為廣泛的應用。但在傳統TIG焊接鈦合金過程中，焊接接頭的高溫停留時間較長，液態熔池金屬冷卻速度較快，由于鈦合金的熱導率低，焊縫區和熱影響區的晶粒粗化傾向尤為明顯［10-11］；同時，由于坡口尺寸較大，需要采用多層多道焊接，會帶來焊接效率低、應力與變形過大等問題。

為了減小焊接接頭晶粒粗化傾向，陸鑫［12］采用TIG焊實現坡口角度為60°的20 mm厚TC4鈦合金多層多道焊接，不同熱輸入下的焊接接頭微觀組織如圖1所示，隨著焊接熱輸入的降低，焊縫晶粒逐漸細化，晶粒內部的馬氏體尺寸也越小并且分布越規則。因此采用TIG焊焊接TC4鈦合金厚板時，應嚴格控制焊接熱輸入，防止接頭晶粒粗大，避免產生異常組織和裂紋等缺陷。

圖1 不同熱輸入下焊縫區顯微組織Fig.1 Microstructure of weld zone under different heat input

為降低焊接接頭殘余應力與變形，楊露等［13］采用X型坡口進行正反面交替焊接，實現24 mm厚TC4鈦合金多層TIG焊接，同時基于SYSWELD平臺在焊板兩端完全剛性固定的裝夾條件下對焊接接頭溫度場、應力場和焊接變形進行了數值模擬，如圖2所示。結果表明，采用雙面交替的焊接順序可以顯著降低焊接接頭應力和變形。

圖2 焊接接頭殘余應力厚度剖面圖Fig.2 TEM morphology profile of welding joint residual stress thickness

綜上可知，雖然采用傳統TIG焊焊接厚壁鈦合金時，可以通過適當降低焊接熱輸入、采用X型坡口進行雙面交替焊接的方式來減小晶粒尺寸、降低接頭應力和變形。但仍存在坡口尺寸大導致焊接效率低的問題，使其難以在厚壁鈦合金焊接中大范圍推廣［14］。

2.2 窄間隙TIG焊

窄間隙焊接的坡口尺寸較小，相較傳統坡口填充焊縫體積大幅減少，不僅提高了焊接效率，也降低了生產成本。窄間隙TIG焊接過程靈活，設備成本相對較低，焊接工藝過程穩定。此外，窄間隙坡口還可以減少焊接道次，從而改善焊接變形、控制焊接應力，因此窄間隙TIG焊接厚壁鈦合金具有較大的優勢。但窄間隙TIG焊接的坡口間隙小，易引發電弧沿側壁“爬升”，造成焊道兩側壁底角熱輸入不足，導致側壁熔合不良。目前對于厚壁鈦合金窄間隙TIG焊接技術常采用機械擺動和外加磁場調控電弧的方式，可以有效解決窄間隙側壁熔合不良的問題［15］。

2.2.1 機械擺動窄間隙TIG焊

機械擺動窄間隙TIG焊的原理是：焊接時通過鎢極夾的旋轉實現鎢極在坡口內的左右擺動，使得電弧周期性地指向坡口側壁，保證了坡口側壁的熔合質量，焊接過程示意如圖3所示。機械擺動的窄間隙焊接方式對焊接坡口寬度變化的適應性較強，焊接過程中不易產生側壁未熔合缺陷，焊接質量更加穩定，在厚壁鈦合金窄間隙TIG焊接中得到了廣泛應用［16-17］。

圖3 機械擺動窄間隙TIG焊接過程示意Fig.3 Schematic diagram of mechanical swing narrow gap TIG welding process

姜永春［18］采用機械擺動窄間隙TIG焊接技術，通過選擇合理的焊接參數以及焊接保護措施，實現了52 mm厚TC4鈦合金的優質連接，焊接接頭宏觀金相及微觀組織如圖4所示，熱影響區由于冷卻速度過快生成α′馬氏體，焊縫強度達到母材的90%，熔合區硬度呈現最大值。

圖4 焊接接頭宏觀金相及組織Fig.4 Macroscopic metallography and microstructure of welded joint

李雙等［19］采用機械擺動窄間隙TIG焊接技術實現了30 mm厚的TC4鈦合金單層填絲焊接，并分析了焊接接頭的顯微組織。結果表明，焊縫區晶粒發生嚴重粗化，主要為粗大的柱狀晶，其顯微組織均為針狀α′馬氏體，互相平行分布穿割在β相晶粒內；靠近焊縫側的熱影響區晶粒比靠近母材側的粗化程度大。

綜上可知，機械擺動窄間隙TIG焊接技術焊接過程穩定、設備成本較低，通過鎢極的周期性擺動，能夠有效解決厚壁鈦合金側壁熔合不良的問題。但由于熱輸入大，接頭晶粒粗化傾向較為明顯。

2.2.2 磁控窄間隙TIG焊

磁控窄間隙TIG焊接技術最早由烏克蘭巴頓焊接技術研究所提出［20］，近幾年廣東省焊接技術研究所開展了厚壁鈦合金磁控窄間隙TIG焊接技術的基礎研究和產業應用推廣。磁控窄間隙TIG焊的焊接過程示意和電弧擺動如圖5所示，焊接過程中電磁線圈通入交變電流，穿過線圈的硅鋼片成為導磁體，磁感線穿過電極和電弧，從而實現電弧周期性向兩個側壁擺動，有助于窄間隙側壁熔合，實現窄間隙TIG焊接［21］。

圖5 焊接過程示意圖和電弧擺動Fig.5 Schematic illustration of external transverse magnetic field and arc swing

為實現磁控窄間隙TIG焊的優質焊接，各國學者們開展了磁場強度、磁場頻率和電極位置對側壁熔合、焊縫成形及結晶過程影響的相關研究。Kshirsagar R等［22］研究了外加磁場對焊縫成形的影響，如圖6所示。結果表明，無外加磁場時側壁存在明顯的未熔合，而有外加磁場時側壁熔合良好。

圖6 外加磁場對焊縫成形的影響Fig.6 Effect of external transverse magnetic field on configuration and microstructure of welding seam

華愛兵等［23］研究了外加磁場強度對側壁熔合的影響，結果表明，當磁場強度≥4 mT時，窄間隙焊縫的側壁熔合能得到有效改善，焊縫熔合相對均勻。常云龍等［24］研究了外加磁場頻率對側壁熔合的影響，結果表明，隨著磁場頻率的增大，焊縫底部熔深和電弧沖擊深度增大，焊縫熔寬和焊縫側壁熔深減少。余陳等［25］研究了電極位置對側壁熔合的影響，結果表明，鎢極從中心位置偏移時，近距離側壁電流流入強度增加，遠距離側壁電流流入強度降低，為避免出現側壁熔深不均勻和側壁熔合不良，需要嚴格控制電極位置。孫清潔等［26］研究了電磁強度對結晶過程的影響，磁場作用下鈦合金焊縫一次結晶示意如圖7所示，結果表明，電磁作用可以提高平面狀結晶前沿區域及后來形成的等軸晶的穩定性。隨著磁場強度的增加，熔合線附近區域的組織逐漸由柱狀晶轉變為等軸晶。磁控電弧作用可以顯著提高焊縫中心生成的等軸晶的穩定性，同時隨著磁場強度的增加，等軸晶逐漸呈單方向生長。胡金亮等［27］采用磁控窄間隙TIG焊接技術實現了120 mm厚TA17鈦合金焊接，焊接接頭顯微組織如圖8所示。結果表明，沿接頭橫向方向組織出現顯著的不均勻性，沿接頭厚度方向顯微組織差異不明顯，并且由于焊接熱輸入大，導致熔合區軟化嚴重。

圖7 磁場作用下鈦合金焊縫金屬一次結晶過程Fig.7 Primary crystallization process of titanium alloy weld metal under magnetic field

圖8 120 mm厚TA17鈦合金磁控NG-TIG焊接接頭顯微組織Fig.8 Microstructure of 120 mm-thick TA17 titanium alloy joint welded by magnetically controlled NG-TIG welding seam

綜上可知，磁控窄間隙TIG焊接技術焊接過程穩定、設備成本較低，磁場的加入可以實現電弧周期性擺動，能夠有效解決厚壁鈦合金側壁熔合不良的問題，同時獲得均勻的焊縫區組織，但仍存在因熱輸入大而導致的焊接接頭熔合區軟化嚴重的問題。

窄間隙TIG焊接技術能夠實現厚壁鈦合金的穩定焊接，相比于傳統TIG焊減少了焊接道次，提高了焊接效率。但因接頭晶粒經過多次重熔加熱，導致其存在晶粒粗大和沿厚度方向組織性能分布不均勻的問題。

2.3 潛弧焊

潛弧焊是TIG焊接的一種特殊形式，它采用氦氣作為保護氣體，其電極直徑和焊接電流都較大，且能夠在氦氣與電弧力的共同作用下，排開焊縫位置的液態熔池金屬，電極潛入待焊母材內部，電弧在電極和弧坑底部形成的空腔中燃燒，熔化金屬最終形成熔池。由于電弧燃燒位置低于待焊母材表面，因此稱作潛弧焊。潛弧焊原理如圖9所示。

圖9 潛弧焊原理示意Fig.9 Schematic graph of SAW principle

近年來，學者們相繼進行了潛弧焊接技術應用于大厚度鈦合金的研究。陳國慶等［28］對29 mm厚TA15鈦合金進了潛弧焊對接試驗，獲得了成形較好的焊縫，但由于熱輸入大，焊接接頭焊縫區和熱影響區較寬，接頭斷后伸長率只達到母材的50%，焊接接頭的彎曲性能較差，彎曲到15°即發生斷裂。劉艷梅等［29］采用潛弧焊雙面焊接工藝實現了58 mm厚TA15鈦合金焊接，其焊縫宏觀截面如圖10所示，焊縫區為晶粒尺寸較大的柱狀晶，晶內為針狀α'馬氏體，接頭拉伸斷裂位置為焊縫區，為韌性斷裂，抗拉強度達到母材強度的96%。為提高潛弧焊接頭力學性能，都強等［30］在添加TA1純鈦中間層的條件下，對64 mm厚TA15鈦合金板進行潛弧焊接，結果表明，添加中間層后焊縫中的氫、氧、氮含量均較母材的有所減少，焊接接頭的塑性顯著提高。侯琦等［31］研究了保護氣純度對TA15鈦合金板潛弧焊接頭性能的影響，結果表明，提高保護氣純度可以在一定程度上提高焊接接頭的力學性能。

圖10 焊縫宏觀截面Fig.10 Macroscopic cross section of weld

綜上可知，潛弧焊可以實現厚壁鈦合金的焊接，具有較為穩定的電弧形態，并可以獲得較好的焊縫成形；同時潛弧焊采用氦氣進行同軸保護，與氬相比，氦的電離電位高、導熱率高，因此潛弧焊弧柱區窄而集中，電弧熱量利用率很高，可以實現厚板鈦合金雙面焊接，與窄間隙TIG焊相比焊接效率顯著提高。但該方法焊接熱輸入過大，存在焊接接頭晶粒組織粗大和厚度方向組織性能分布不均勻等問題。

2.4 小結

非熔化極惰性氣體保護焊可以實現厚板鈦合金的焊接，具有較為穩定的電弧形態，并可以獲得較好的焊縫成形，在厚壁鈦合金焊接研究中展現出較高的應用價值。但仍存在焊接熱輸入大所導致的接頭軟化等問題。因此，有必要開展降低厚板鈦合金焊接熱輸入的相關研究，提高厚壁鈦合金非熔化極惰性氣體保護焊組織性能的均勻性。

3 電子束焊研究現狀

電子束焊接技術采用高能密度電子束流轟擊金屬材料，可實現大厚度金屬材料單面焊雙面成形［32-33］；焊接過程中束流功率密度高、焊縫深寬比大，焊接變形??；同時由于電子束焊接需要在真空環境下中開展，可以很好地避免工件在焊接過程中受到氫、氧、氮的危害，因此電子束常應用于大厚度鈦合金的焊接［34-36］。電子束焊接裝置如圖11所示。

圖11 電子束焊接裝置示意Fig.11 Schematic of the electron beam welding

3.1 接頭組織及性能

國內外相關學者對鈦合金的真空電子束焊接接頭組織性能進行了一系列研究。侯江濤［37］采用電子束焊接技術實現了20 mm厚TC4鈦合金的焊接，沿厚度方向分析焊縫區的晶粒尺寸和接頭力學性能。結果表明，焊縫區上部晶粒尺寸為1 200μm，下部晶粒尺寸為200μm，晶粒尺寸的差異導致了性能的差異。Sun等［38］采用電子束焊接技術實現了20 mm厚TC4鈦合金的焊接，對焊接接頭宏觀形貌（見圖12）進行分析，結果表明，焊接接頭上中下3個區域熔合區、熱影響區的寬度及晶粒組織形態及尺寸有較大的差異，晶粒尺寸沿深度方向減小。Wei Lu等［39］采用電子束焊接技術實現了50 mm厚的TC4鈦合金板焊接，沿厚度方向進行了力學性能測試。結果表明，沿焊接深度方向力學性能分布不均勻，焊接接頭的屈服強度、抗拉強度和顯微硬度與母材相比均有所提高，但塑性和韌性有所下降。宋慶軍［40］采用電子束焊接技術實現了60 mm厚度的TC4鈦合金焊接，對焊接接頭組織性能進行分析，結果表明，焊接接頭沿厚度方向組織分布不均勻，由焊縫頂部至底部沖擊韌性逐步降低。

圖12 焊接接頭宏觀形貌Fig.12 Macroscopic appearance of welded joint

綜上可知，厚壁鈦合金經過電子束焊接后，焊縫金屬經歷了快速熱循環過程，焊接接頭各區域在高溫停留的時間不一致，最終導致沿厚度方向各區域的組織性能分布不均勻。為解決厚壁鈦合金電子束焊接接頭沿厚度方向組織性能分布不均勻和接頭力學性能低的問題，相關學者又通過焊接工藝優化和焊后熱處理等方式對電子束焊接接頭的組織性能進行調控。

龔玉兵等［41］針對20 mm厚TC4鈦合金電子束焊接頭組織不均勻性及組織演變規律進行了深入研究，焊接接頭不同區域顯微組織如圖13所示。結果表明，鈦合金焊接接頭在熔寬和熔深方向均存在較大的不均勻性，上部焊接接頭的平均晶粒尺寸大于中部和下部，焊縫上部和中部出現了魏氏組織，使焊縫脆性增大，塑性降低；當采用較大的熱輸入焊接時，可以改善組織分布的不均勻性。李晉煒等［42］通過在焊接過程中對電子束施加一定頻率和偏擺幅值的掃描波形，在焊接接口內嵌入過渡金屬材料，并配合焊接參數的調整，實現了20 mm厚TA15鈦合金電子束焊縫成分的均勻性控制，不同工藝條件下焊縫成分均勻性的控制效果如圖14所示，與傳統電子束焊接相比，掃描電子束焊接合金元素在厚度方向波動較小，成分更均勻。

圖13 焊接接頭不同區域顯微組織Fig.13 Microstructure of different regions of welded joint

圖14 不同工藝條件下焊縫成分均勻性的控制效果（Q1為傳統焊，Q2為掃描焊）Fig.14 Uniformity control effect of weld composition under different process conditions

房衛萍等［43］采用電子束焊接技術實現了100 mm厚TC4鈦合金板焊接，對獲得的焊接接頭進行了850℃再結晶退火和920℃×2 h和500℃×4 h固溶時效熱處理。結果表明，經過固溶時效熱處理獲得的焊縫區、熱影響區及母材區的顯微硬度都高于焊態，焊接接頭抗拉強度比焊態增加了11.3%，屈服強度比焊態提升了17.2%，但斷后伸長率僅為焊態的近50%。馬權等［44］研究了熱處理工藝對Ti-1300合金電子束焊接接頭組織和力學性能的影響。結果表明，焊前不同熱處理對鈦合金焊縫組織和性能影響不大；焊后熱處理工藝無法改變焊縫區β晶粒的形態和尺寸，可以調控焊縫區α相的含量、尺寸和形態，但析出的α相的分布總體趨向于在穩定晶界處形成，焊縫區的性能依賴于析出α相的尺寸和數量，當單獨在較低溫度退火或時效時，焊縫區α相強化效果較好，焊縫強度大于母材。

綜上可知，通過采用合適的焊接熱輸入并結合擺動電子束的方式可以在一定程度上改善焊接接頭組織性能的不均勻性；通過采用焊后熱處理的方式可以提高焊接接頭力學性能。

3.2 接頭殘余應力分布

焊接殘余應力是造成結構件應力腐蝕、疲勞強度降低的重要因素，對其準確評價是焊接構件壽命評估的基礎。劉敏等［45］基于熱彈塑性有限元理論，分析了75 mm厚的TC4鈦合金電子束試件殘余應力分布規律，殘余應力測試結果如圖15所示。結果表明，在距起始和收尾端10 mm及約1/4厚度處的區域，存在著三向的殘余拉應力，且數值較高，對焊接接頭力學性能具有重要影響，應引起足夠的重視。

圖15 殘余應力計算結果Fig.15 Calculation results of residual stress

為降低焊接接頭殘余應力，吳冰等［46］采用盲孔法測量了經真空退火處理后50 mm厚TA15鈦合金電子束焊接頭殘余應力分布，結果表明，熱處理工藝使得焊接接頭的橫縱應力趨于一致，整個焊接接頭的應力趨于均勻化。余陳等［47］采用X射線衍射法測量了經過600℃×2 h熱處理后100 mm厚TC4鈦合金電子束焊接頭的殘余應力分布。結果表明，熱處理后焊接接頭殘余應力有一定程度的降低，并在焊接接頭上下表面的分布有著明顯差異，上表面的橫向和縱向殘余應力都有一定幅度的降低，部分區域的縱向殘余應力由拉應力轉變為壓應力狀態，下表面縱向殘余應力消除效果明顯，部分位置呈現壓應力狀態，而橫向殘余應力消除效果一般。Hosseinzadeh F等［48］采用輪廓法測量了經熱處理后的50 mm厚TC4鈦合金電子束焊接接頭殘余應力的分布，結果表明，在焊縫起始端處拉應力值最高達330 MPa，試板的后端面10 mm范圍內受壓，最大壓應力值達到600 MPa，熱處理后焊縫中心線的拉應力值可降低到30 MPa。綜上可知，焊后熱處理可以顯著降低厚壁鈦合金焊接接頭的殘余應力。

3.3 小結

綜上可知，電子束焊接可以實現厚壁鈦合金焊接，焊接效率高，并可以獲得變形較小及成形良好的焊接接頭，但由于大溫度梯度和狹窄的熔化區域，經過熱循環后，結構內部易形成三向應力，造成接頭塑性、韌性的急劇下降。通過合適的熱處理工藝能夠在一定程度上改善焊接接頭組織性能，但并未完全解決，沿厚度方向仍存在一定程度的組織、性能和應力分布不均衡等問題，為后期的服役工作埋下隱患，并且熱處理工藝既增加了生產成本，又降低了生產效率，同時真空倉也限制了電子束焊接在大型鈦合金構件的應用。因此，有必要開展焊接接頭組織性能及應力分布均勻性方面的研究，特別是在局部真空電子束焊接方向進行深入研究。

4 激光焊研究現狀

激光焊接技術歷經幾十年發展，取得了很大進展，特別是隨著光纖激光器的誕生與光電模塊的發展，激光器的輸出功率不斷增加，光束穩定性不斷提高，為其在厚壁構件焊接領域的應用奠定了堅實基礎［49］。相較于傳統厚壁弧焊技術，激光焊具有焊接效率高、焊接變形和殘余應力小、熱影響區狹窄等特點，對于大型復雜結構焊接的適應性好。以上優勢使得激光焊接技術在近幾年逐漸成為厚壁構件焊接的主要研究熱點之一［50］。目前厚壁鈦合金激光焊接技術主要包括激光填絲焊和真空激光焊。

4.1 窄間隙激光填絲焊

窄間隙激光填絲焊是由送絲機構將填充金屬推送至激光聚焦光斑處，填充金屬在激光束作用下熔化并對焊縫進行填充，最終完成焊接。窄間隙激光填絲焊接示意如圖16所示［51］。近年來，窄間隙激光填絲焊接技術發展迅猛，然而其在厚壁鈦合金焊接中仍然存在側壁未熔合、焊接氣孔、焊接變形及應力大和焊接接頭塑韌性差等問題。

圖16 窄間隙激光填絲焊接示意Fig.16 Schematic diagram of narrow gap laser wire-filling welding

為解決側壁未熔合和焊接氣孔問題，李坤［52］等采用擺動激光束的方式抑制鈦合金氣孔并對其機理進行分析。結果表明，擺動光束對抑制鈦合金小孔型焊接氣孔具有顯著作用，主要原因是光束擺動增加了焊接過程小孔的穩定性，進而降低了小孔型氣孔。徐楷昕［53-54］等采用激光束圓形擺動進行了40 mm厚TC4鈦合金焊接，當擺幅為2 mm、擺動頻率為100～200 Hz時，焊縫無明顯氣孔且側壁熔合良好，分析焊接接頭組織性能可知，焊縫柱狀晶內部分布著密集排列的針狀α'馬氏體和彌散分布的顆粒狀的αg相，同一β晶粒內部α'擇優取向，大角度晶界比例較高，焊接接頭強度較高，但塑韌性較差。綜上可知，擺動激光束可以有效解決側壁未熔合和焊接氣孔問題。

圖17 40 mm厚TC4鈦合金窄間隙截面形貌及組織Fig.17 Morphology and microstructure of narrow gap section of 40 mm thick TC4 titanium alloy

為解決厚壁鈦合金焊接接頭塑韌性差的問題，相關學者采用控制焊接熱輸入和調控焊縫合金元素的方式改善焊接接頭組織性能。方乃文等［55］分析研究了焊接熱輸入對TC4鈦合金激光填絲焊的影響，結果表明，合適的焊接熱輸入可以保證焊接接頭具有較好的塑性。同時采用高溫激光共聚焦顯微鏡原位觀察方法，分析了自主研發設計的Ti-Al-V-Mo系鈦合金在焊接熱循環作用下冷卻過程中組織形成特征及相變規律。結果表明，Mo元素的加入使得相變開始溫度降低，針狀α'馬氏體和初始α相的長徑比變小，提高了焊接接頭的沖擊韌性［56］。由此可知，控制焊接過程熱輸入和合理設計金屬粉芯藥芯焊絲的合金元素配比可以提高焊接接頭的塑韌性。

厚板鈦合金板超窄間隙激光填絲焊接過程是單道多層填充金屬的熱累計，而多層焊接過程中的多次熱循環必然會使焊縫組織變得極為復雜且存在極不均勻的溫度場，同時焊接接頭中也會產生分布不均勻的殘余應力與焊接變形，另外鈦合金具有較大的線膨脹系數和較低的熱導率，因而產生焊接殘余應力和焊接變形的傾向會更大。焊接殘余應力對鈦合金焊接接頭的靜載強度、低周疲勞強度和耐腐蝕性能等都有著非常不利的影響；焊接變形會嚴重影響焊接接頭的外觀成形、降低結構的承載能力，還會降低后期焊接構件裝配精度。

為深入分析坡口形式對焊接接頭殘余應力的影響，方乃文等［57］采用ANSYS仿真軟件對40 mm厚TC4鈦合金激光焊接接頭不同坡口形式的應力應變進行了數值模擬分析，兩種坡口形式縱向應力分布如圖18所示。結果表明，單U型坡口和雙U型坡口焊接接頭的應力分布不同，單U型坡口焊接接頭的端焊縫一側出現了較為明顯的應力集中，而雙U型坡口焊接接頭的應力沿壁厚方向呈對稱分布。

圖18 縱向殘余應力分布應力分布Fig.18 Longitudinal residual stress distribution stress distribution

綜上可知，窄間隙激光填絲焊通過激光束周期性擺動，可以獲得無氣孔、側壁未熔合等焊接缺陷的厚壁鈦合金焊接接頭。通過合理控制焊接過程熱輸入和金屬粉芯藥芯焊絲的合金元素配比，可以提高焊接接頭的塑韌性。但在厚壁鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術領域，仍然需要在焊接接頭組織性能調控方面繼續探索，特別是在激光填入多合金體系的金屬粉芯藥芯焊絲等方面進行深入研究。

4.2 真空激光焊

近年來，大功率工業光纖激光器已經達到萬瓦級水平［58-60］。如何高效地利用高質量的大功率激光，在通過增加激光功率提高激光焊接穿透能力的同時而不犧牲激光焊接的焊接質量是大功率激光焊接工程化應用所面臨的難題。近幾年研究表明，在真空環境下可以顯著增加熔深，并且焊縫氣孔率和焊縫成形也得到極大的改善［61］。德國亞琛工業大學Reisgen U［62］對比了激光焊接、真空激光焊接和電子束的穿透能力。結果表明，在相同線能量的條件下，真空環境下激光焊接所獲得的焊縫熔深比大氣環境下的提高了約2.5倍，并與電子束焊接方法所獲得熔深尺度類似。然而真空環境激光焊接所需的真空度僅為10 Pa，而電子束則至少需要10-1Pa，這說明真空激光焊接方法的成本更低。因此相關學者開展了厚壁結構低真空激光焊接技術的研究。

孟圣昊等［63］研究了中厚板TC4鈦合金真空環境激光焊接特性，結果表明，真空環境激光焊接焊縫成形更加良好，可明顯提高焊縫熔深，增大焊縫深寬比，抑制焊接過程中的飛濺，極大減少焊縫中的氣孔缺陷。哈爾濱焊接研究院有限公司采用低真空（真空度10 Pa）激光焊接技術實現了40 mm厚TC4合金焊接，對比分析不同位置的微區組織與力學性能，焊接接頭宏觀形貌如圖19所示。結果表明，熱影響區組織為α相、殘余β相和α'馬氏體，焊縫熔凝區組織主要包括不同尺寸及分布狀態的α'馬氏體以及低冷卻速率下形成的α相；沿厚度方向拉伸性能均勻性較好，頂部與底部強度值偏大一些，中上部與中下部偏小，但總體差別不大。

圖19 40 mm厚鈦合金焊接接頭宏觀形貌Fig.19 Macromorphology of 40 mm thick titanium alloy welded joint

4.3 小結

綜上可知，真空激光焊接可以實現厚壁鈦合金的焊接，與電子束焊接相比焊接過程所需真空度低，無射線污染，焊接成本低、效率高，是具有發展潛力的厚壁鈦合金焊接方法。但在低真空激光焊接鈦合金厚壁技術領域，仍然需要相關學者針對厚壁鈦合金真空條件下激光能量傳輸特性和焊接接頭組織性能調控等方面進行深入研究。

5 結論

針對航空航天、海洋裝備等領域大厚度鈦合金構件優質焊接制造需求，重點介紹了熔化焊接技術在厚壁鈦合金焊接的研究進展。厚壁鈦合金熔化焊接技術經過十幾年的發展，在焊接工藝、焊接質量控制、接頭組織性能調控等方面取得了很多成果。結合當前的研究現狀，厚壁鈦合金熔化焊接主要有以下幾個研究方向：

（1）厚壁鈦合金焊接的應力控制。由于鈦合金具有導熱系數較小且線膨脹系數較大的特點，在厚壁鈦合金焊接過程中，經過熱循環后，結構內部易形成三向應力，造成接頭塑性、韌性急劇下降。因此針對不同的焊接方法，可以采用焊后熱處理、坡口優化設計、超聲沖擊處理等方式對厚壁鈦合金焊接接頭進行應力應變控制。

（2）多熱源焊接技術開發。目前厚壁鈦合金熔化焊接技術主要為單一熱源，如常規電弧焊、電子束焊接和激光焊接，這些焊接方法存在一定局限性。因此針對厚壁鈦合金焊接可以開展多熱源（如TIG-MIG復合焊、激光-電弧復合焊等）焊接技術開發。

（3）焊接接頭組織性能調控。目前針對厚壁鈦合金焊接接頭組織調控的研究較少，可以開展多合金體系焊接材料的研發，對焊縫組織進行調控，從而達到改善厚壁鈦合金力學性能的目的。