基于鈦合金高的比強度高、耐腐蝕、無磁性等特點，越來越多的行業(yè)興起了“鈦代鋼”的技術(shù)革命。隨著鈦合金構(gòu)件向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展，焊接作為一種高效連接方式，已成為鈦合金制造不可或缺的手段，越來越受到重視[1-3]。
TC4是應(yīng)用最為廣泛的鈦合金之一，為α+β雙相鈦合金，焊接性良好，具有密度低、比強度高、高溫性能好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備等領(lǐng)域[4-6]。目前，針對TC4鈦合金材料，各種焊接方法獲得的接頭性能的系統(tǒng)研究還鮮為報道。本研究在弧焊、束焊和電阻焊工藝條件下，分析了TC4鈦合金的焊接性及接頭性能，為設(shè)計者全面掌握TC4鈦合金焊接性能，選擇更合理的接頭型式及更適宜的焊接方法，從而改善焊接應(yīng)力分布、優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)等提供技術(shù)支持。
1、TC4鈦合金焊接性分析
TC4鈦合金化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2。TC4鈦合金在焊接時，由于化學(xué)活性大，高溫時容易被空氣、水分、油脂等污染，吸收氣體雜質(zhì)，形成氣孔，導(dǎo)致接頭塑性和韌性顯著下降；同時，由于導(dǎo)熱性差，焊接接頭易出現(xiàn)晶粒粗大，引起接頭塑性下降；在氫和殘余應(yīng)力作用下，冷裂紋傾向大，由于其彈性模量小，焊接變形大，且矯形困難[7-8]。
TC4鈦合金適用于中高強度的焊接結(jié)構(gòu)，焊接時要求焊前清理、層間溫度控制、氣體保護以及焊后冷卻速度控制等工藝措施。焊后一般進行消除應(yīng)力熱處理，有效釋放焊接應(yīng)力，同時穩(wěn)定焊后尺寸，消除鈦合金焊接回彈。
2、不同焊接工藝TC4鈦合金接頭性能分析
2.1TC4鈦合金弧焊試驗
2.1.1TC4鈦合金氬弧焊
鈦合金氬弧焊的工藝特點是熱影響區(qū)寬度較寬，變形較大。鈦合金氬弧焊質(zhì)量控制要點是加強焊前清理和氣體保護，防止焊接接頭氣體污染，產(chǎn)生脆性組織導(dǎo)致塑性、韌性下降。
（1）不同焊接材料的接頭性能
TC4鈦合金按照ISO15614.5-2004《金屬材料焊接程序的規(guī)范和鑒定焊接程序試驗第5部分：鈦、鋯及其合金》焊接，分別采用TA18及TC4焊絲焊接，焊后進行600℃/1h熱處理，接頭按照GB/T228.1-2010標準取樣，接頭力學(xué)性能見表3。
由表3可知，采用TA18焊絲的焊接接頭強度較低，塑性較高，TC4焊絲的接頭強度高，塑性低。一般來說，鋼制承壓設(shè)備的焊材選擇原則考慮近成分、等強度原則，但對于高強度的鈦合金，接頭塑性較低，考慮到焊接接頭在使用條件下的受力等級及接頭綜合性能匹配，可采用低強度等級的焊材，以保證接頭具有足夠的塑性。
低溫沖擊韌性是衡量材料低溫性能的重要指標。TC4鈦合金采用TA18焊絲，焊接接頭在常溫及-50℃時沖擊性能見表4。
由表4可見，與高強度β鈦合金接頭低溫沖擊韌性相比，TC4鈦合金接頭具有較好的低溫沖擊性能。有研究表明，TC4鈦合金相對于純鈦、α和近α鈦合金的韌脆轉(zhuǎn)變溫度略高，使用溫度一般約為-196.15℃（77K）[9]。其焊接接頭金相組織如圖1所示。
TC4氬弧焊接頭焊縫組織為馬氏體+初生α+β轉(zhuǎn)，熱影響區(qū)組織為α+β轉(zhuǎn)，母材組織為α+β。接頭組織分布均勻，保證了接頭強度、低溫韌性的穩(wěn)定和一致連續(xù)性。
（2）不同熱處理制度的接頭性能
TC4鈦合金按照ISO15614.5-2004標準焊接，焊絲為φ1.6mm的TA18，焊接接頭在焊態(tài)和熱處理態(tài)下，硬度分布如圖2所示。由圖2可見，經(jīng)熱處理后，TC4氬弧焊接頭各區(qū)域的硬度有所提高。焊態(tài)下，焊縫區(qū)硬度低于熱影響區(qū)和母材，熱處理態(tài)下焊縫區(qū)硬度高于熱影響區(qū)。這是由于在熱處理過程中，焊接接頭吸氧，造成硬度升高。
TC4鈦合金接頭分別在550℃、590℃、600℃、650℃、680℃溫度下保溫1h，接頭強度及伸長率變化如圖3所示。
由圖3可知，隨熱處理溫度升高，TC4氬弧焊接頭抗拉強度在590℃時出現(xiàn)極值，600℃以上保溫，強度緩慢上升；接頭伸長率也呈上升、下降再上升的趨勢，在590~600℃時達到最高。在590℃下，分別保溫1h、1.5h、2h、2.5h、3h，接頭強度及伸長率變化如圖4所示。
由圖4可以看出，隨著保溫時間延長，TC4接頭強度升高，伸長率變化不顯著。
綜上，對于TC4鈦合金結(jié)構(gòu)件的焊后消除應(yīng)力熱處理，為實現(xiàn)接頭強度與塑性的最優(yōu)匹配，提高焊接接頭的綜合力學(xué)性能，適宜的熱處理工藝為590℃/1.5~2h。
2.1.2TC4鈦合金冷焊
冷焊原理是鎢極在幾秒的周期內(nèi)以幾十毫秒的超短時間放電，熔化母材實現(xiàn)原子間結(jié)合。由于放電時間與間隔時間相比十分短，熔池?zé)崃繒ㄟ^零件傳導(dǎo)到外界，因而焊接接頭不會有熱集聚。TC4鈦合金導(dǎo)熱性能較差，熔池附近溫度梯度較大，冷焊對其有很大的適用性。
分別采用冷焊和氬弧焊，對TC4鈦合金按照ISO15614.5-2004要求進行焊接，焊材為TA18，接頭按照GB/T228.1-2010要求取樣，接頭強度見表5，接頭各區(qū)域硬度分布如圖5所示。冷焊接頭強度高于母材最低抗拉強度，與氬弧焊接頭強度相差不大。冷焊接頭硬度分布為熱影響區(qū)最高，焊縫次之，兩者硬度均高于母材。與氬弧焊相比，冷焊接頭焊縫區(qū)硬度低于氬弧焊接頭，熱影響區(qū)硬度高于氬弧焊接頭。這是由于冷焊熱影響區(qū)冷卻速度快，形成馬氏體數(shù)量較多造成。
冷焊的熱影響區(qū)寬度小，熱量快速傳導(dǎo)，因此冷焊焊接變形小。TC4鈦合金冷焊與氬弧焊接頭金相組織如圖6所示，2mm厚TC4板材角焊縫冷焊的熱影響寬度為0.7~1.0mm，氬弧焊的熱影響區(qū)寬度為1.8~2.2mm?？梢?，相同條件下，冷焊相比氬弧焊而言，熱輸入大大降低。
2.2TC4鈦合金束焊試驗
2.2.1激光焊
激光焊非常適合鈦合金材料的焊接，尤其在鈦合金薄板及精密零件的焊接上具有廣闊的應(yīng)用前景[10-11]。激光焊能量密度大，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離焊接，同時焊接效率高、焊接質(zhì)量好，在鈦合金薄板焊接上具有很大優(yōu)勢。鈦合金激光焊控制要素是避免深熔焊時產(chǎn)生的焊接氣孔，并降低光致等離子體的屏蔽效應(yīng)，提高激光焊接穩(wěn)定性[12-14]。
針對0.8mm厚度的TC4鈦合金，按照GB/T29710-2013《電子束及激光焊接工藝評定試驗方法》焊接，采用對接自熔焊，接頭按照GB/T228.1-2010要求取樣，接頭性能見表6。
由表6可以看出，TC4激光焊接頭強度高于母材抗拉強度下限值，伸長率相對氬弧焊大幅提高，接近母材水平。可見，激光功率和焊接速度等參數(shù)對接頭強度影響較大。試驗表明，在熱輸入35~40J/mm，功率密度（3.9~4.0）伊104W/cm2工藝參數(shù)下，TC4激光焊接頭強度與塑性匹配最優(yōu)。
2.2.2電子束焊
鈦及鈦合金的電子束焊具有冶金質(zhì)量好、焊縫窄、深寬比大、焊接角變形小、焊縫及熱影響區(qū)晶粒細小等特點，焊接接頭性能好，焊縫和熱影響區(qū)不會被空氣污染，且焊接厚件時效率高。
對比TC4鈦合金母材和電子束焊接頭，按照GB/T29710-2013《電子束及激光焊接工藝評定試驗方法》焊接，接頭按照GB/T228.1-2010要求取樣，在焊態(tài)和熱處理態(tài)下，其強度及伸長率見表7。
由表7可以看出，無論是焊態(tài)還是熱處理態(tài)，TC4鈦合金電子束焊接頭強度高于母材，塑性低于母材；焊接接頭經(jīng)600℃/2h熱處理，母材強度稍有降低，接頭強度升高；母材和接頭塑性變化不顯著。
對TC4鈦合金電子束焊接頭與氬弧焊接頭不同區(qū)域的低溫沖擊性能進行對比，結(jié)果如圖7所示。
從圖7可以看出，TC4鈦合金在-50℃沖擊條件下，電子束焊接頭沖擊韌性熱影響區(qū)大于焊縫區(qū)；氬弧焊接頭沖擊韌性焊縫區(qū)大于熱影響區(qū)；氬弧焊的接頭沖擊韌性高于電子束焊接頭。大厚度TC4鈦合金電子束焊縫下部強度、硬度高，上部強度、硬度低，焊縫上部是接頭性能的薄弱部位，即大厚度鈦合金電子束焊接頭上部和下部處存在著明顯的力學(xué)性能不均勻。其產(chǎn)生原因是電子束接頭上部和下部存在著金相組織的不均勻分布。
圖8所示為厚度25mm的TC4鈦合金電子束焊縫上部、中部、下部的金相組織，焊縫上部由于晶粒粗大，柱狀晶明顯，導(dǎo)致強度硬度低；焊縫下部的晶粒逐漸細化，等軸晶增多，焊縫強度硬度升高，這種組織不均勻分布導(dǎo)致了焊縫力學(xué)性能的不均勻[15-17]。
2.3TC4鈦合金電阻焊試驗
電阻點焊具有生產(chǎn)效率高、焊件變形小和容易實現(xiàn)自動化焊接等特點，廣泛應(yīng)用于汽車制造、船舶、航天航空等領(lǐng)域。點焊是一種利用電流通過焊件及接觸產(chǎn)生的電阻熱作為熱源將零件局部加熱，同時加壓進行焊接的方法。焊接時不需要填充金屬。點焊過程是包含了熱、力、電等相互耦合作用的復(fù)雜過程，焊接接頭質(zhì)量受到多種因素的影響[18-20]。鈦合金電阻點焊的焊接性良好，焊透率可達20%~90%。熔核質(zhì)量好，一般選用強規(guī)范。
針對TC4材質(zhì)的0.8mm薄板與不同厚度的筋條，按照ISO15609-5-2005《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定焊接工藝規(guī)程第5部分-電阻焊》，采用雙面雙點工藝進行電阻焊試驗，按照ISO14270-2000《電阻點焊、縫焊和凸焊的機械撕裂試驗用樣品尺寸及程序》對焊點進行撕裂試驗，結(jié)果見表8。
由表8可以看出，隨著薄板試件厚度增大，以及焊接電流的增加與通電時間的延長，焊點直徑與焊透率均相應(yīng)增大，試件剪切力逐漸增大。最終試件均在焊縫處斷裂，斷裂性質(zhì)為凸臺斷裂。
2.4小結(jié)
綜上，TC4鈦合金不同焊接方法的工藝特點為：淤焊接接頭塑性（以伸長率來表征），激光焊（與母材相當）躍電子束焊躍氬弧焊（約為母材的50%左右）；于焊接變形，氬弧焊躍電子束焊躍激光焊。其中，電子束焊接適用于質(zhì)量要求高的焊接，在大厚度鈦合金焊接中優(yōu)勢明顯；激光焊適用于薄板焊接，焊接效率高；氬弧焊的可達性最好，適用于異形結(jié)構(gòu)件及修補焊接等工況。
3、存在問題及研究方向
（1）對鈦合金各種焊接方法的接頭疲勞性能研究數(shù)據(jù)尚不充分。由于焊接接頭材料的非均質(zhì)特性、幾何不連續(xù)性及有殘余應(yīng)力的存在，使焊接接頭的疲勞行為與非焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞行為有根本不同。相對鋼材而言，鈦合金接頭強度高，塑性儲備不足，各種焊接方法的接頭疲勞特性還需進一步研究。
（2）鈦合金焊接接頭強度評價體系尚不完備。對于TC4鈦合金，ISO15614-2005《金屬材料焊接程序的規(guī)范和鑒定焊接程序試驗第5部分：鈦、鋯及其合金》和GB/T40801-2021《鈦、鋯及其合金的焊接工藝評定試驗》中彎曲試驗彎心直徑為6t（t為試樣厚度），但都未給定伸長率約20%材料的彎曲角度；CB/T4363-2013《船用鈦及鈦合金焊接工藝評定》彎曲試驗中彎心直徑規(guī)定為20t，彎曲角90°；QJ1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》規(guī)定TC4鈦合金接頭的彎曲角度為31°。
在企業(yè)實際執(zhí)行過程中，TC4鈦合金工藝評定的彎曲試驗合格率極低，很難通過彎曲試驗來評價鈦合金接頭的塑性，尚缺少試驗數(shù)據(jù)支撐。
4、結(jié)論
（1）TC4鈦合金具有良好的焊接性，適合氬弧焊、激光焊、電子束焊及冷焊等焊接方法，接頭強度、塑性、韌性等均能達到標準要求。
（2）TC4鈦合金氬弧焊采用TA18焊絲，接頭強度平均值982.5MPa，伸長率7.5%，強度和塑性匹配良好，接頭具有良好的低溫沖擊韌性和連續(xù)一致的金相組織。
（3）TC4鈦合金冷焊相比氬弧焊，強度變化不大，焊縫區(qū)硬度低于熱影響區(qū)，冷焊的熱影響區(qū)寬度0.7~1.0mm，約為氬弧焊熱影響區(qū)寬度的50%，焊接變形改善明顯。
（4）TC4鈦合金激光焊接頭強度較高，伸長率達11%以上，相比氬弧焊大幅提升，達到母材水平。
（5）TC4鈦合金電子束焊接頭強度高于母材，塑性低于母材；經(jīng)熱處理后母材強度稍有降低，焊接接頭強度升高；電子束接頭低溫韌性良好。
（6）TC4鈦合金電阻點焊，隨著厚度增大，即焊接電流的增加與通電時間的延長，焊點直徑與焊透率均相應(yīng)增大，試件剪切力逐漸增大。
參考文獻：
[1]劉果宗，蔡學(xué)章，胡耀君.幾種鈦合金的沖擊韌性及影響因素[J].稀有金屬材料與工程，1987（4）：10-13.
[2]王啟興.鈦合金電子束焊接在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的前景[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2013，28（2）：87-92.
[3]樊兆寶，安紹孔，王英健，等.真空電子束焊接技術(shù)及其在空空導(dǎo)彈彈體加工中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2010（16）：53-56.
[4]李獻軍，王鎬，馬忠賢.鈦在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用及前景[J].世界有色金屬，2013（8）：1-4.
[5]張穎云，陳素明，李波.激光焊接參數(shù)對1.2mmTC4鈦合金薄板焊縫的影響[J].焊管，2019，42（9）：26-31.
[6]楊家林，郭鵬.鈦合金材料激光焊接試驗研究[J].新技術(shù)新工藝，2003（6）：29-31.
[7]張克華，董定元.鈦及鈦合金的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，1985.
[8]王中林.鈦合金激光焊接工藝分析[J].新技術(shù)新工藝，2012（7）：83-85.
[9]曹祖涵，石曉輝，范智（，等.TC11鈦合金低溫沖擊韌性及其組織相關(guān)性[J].材料熱處理學(xué)報，2020（11）：53-59.
[10]楊靜，程東海，黃繼華，等.TC4鈦合金激光焊接頭組織與性能[J].稀有金屬材料與工程，2009，38（2）：259-262.
[11]楊爍，宋文清，曲伸，等.薄壁TC4鈦合金激光焊縫成型試驗研究[J].焊接，2019（1）：5-11.
[12]高賓，鄧琦林，周春燕.鈦合金激光焊接過程中氣體保護問題的研究[J].電加工與模具，2009（5）：44-49.
[13]孫燕潔，徐艷利，李瑞.TC4鈦合金薄板T型接頭激光焊接工藝研究[J].航天制造技術(shù)，2010（4）：19-23.
[14]陳俐，胡倫驥，鞏水利.薄板鈦合金激光焊熔透穩(wěn)定性臨界條件的計算[J].焊接學(xué)報，2005，26（11）：35-38.
[15]安鵬飛，王其紅，李士凱，等.深潛器用Ti80電子束焊接接頭精細組織結(jié)構(gòu)特征[J].焊接學(xué)報，2017，38（5）：96-99.
[16]郝曉博，李渤渤，劉茵琪，等.Ti80合金中厚板沿板厚方向組織與性能的不均勻分布[J].金屬熱處理，2019，44（2）：50-53.
[17]高峰，倪家強，常榮輝.TC21、TA15、TC18、TC4四種鈦合金高壓電子束焊接力學(xué)性能及微觀組織研究[J].航空制造技術(shù)，2014（S1）：34-37.
[18]趙大偉，梁東杰，王元勛.基于回歸分析的鈦合金微電阻點焊焊接工藝優(yōu)化[J].焊接學(xué)報，2018，39（4）：79-83.
[19]孫安全，郭初陽，孫小平，等.鈦合金材料電阻焊工藝控制[J].新技術(shù)新工藝，2018（11）：6-10.
[20]白鋼，張勇，楊思乾.點焊熔合尺寸與工藝參數(shù)關(guān)系的模型化處理[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（5）：570-572.
作者簡介：王鵬（1986-），男，碩士，工程師，主要從事鈦合金焊接技術(shù)研究工作。
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