基于鈦合金高的比強(qiáng)度高、耐腐蝕、無(wú)磁性等特點(diǎn)，越來(lái)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(lái)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(qiáng)度高、高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備等領(lǐng)域[4-6]。目前，針對(duì)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(bào)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(jì)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(jiàn)表1和表2。TC4鈦合金在焊接時(shí)，由于化學(xué)活性大，高溫時(shí)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(shí)，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(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)要求焊前清理、層間溫度控制、氣體保護(hù)以及焊后冷卻速度控制等工藝措施。焊后一般進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，有效釋放焊接應(yīng)力，同時(shí)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(yàn)
2.1.1TC4鈦合金氬弧焊
鈦合金氬弧焊的工藝特點(diǎn)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(diǎn)是加強(qiáng)焊前清理和氣體保護(hù)，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(yàn)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(jìn)行600℃/1h熱處理，接頭按照GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)取樣，接頭力學(xué)性能見(jiàn)表3。
由表3可知，采用TA18焊絲的焊接接頭強(qiáng)度較低，塑性較高，TC4焊絲的接頭強(qiáng)度高，塑性低。一般來(lái)說(shuō)，鋼制承壓設(shè)備的焊材選擇原則考慮近成分、等強(qiáng)度原則，但對(duì)于高強(qiáng)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(jí)及接頭綜合性能匹配，可采用低強(qiáng)度等級(jí)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(biāo)。TC4鈦合金采用TA18焊絲，焊接接頭在常溫及-50℃時(shí)沖擊性能見(jiàn)表4。
由表4可見(jiàn)，與高強(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)，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(guò)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(qiáng)度及伸長(zhǎng)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(qiáng)度在590℃時(shí)出現(xiàn)極值，600℃以上保溫，強(qiáng)度緩慢上升；接頭伸長(zhǎng)率也呈上升、下降再上升的趨勢(shì)，在590~600℃時(shí)達(dá)到最高。在590℃下，分別保溫1h、1.5h、2h、2.5h、3h，接頭強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率變化如圖4所示。
由圖4可以看出，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，TC4接頭強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率變化不顯著。
綜上，對(duì)于TC4鈦合金結(jié)構(gòu)件的焊后消除應(yīng)力熱處理，為實(shí)現(xiàn)接頭強(qiáng)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(shí)間放電，熔化母材實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合。由于放電時(shí)間與間隔時(shí)間相比十分短，熔池?zé)崃繒?huì)通過(guò)零件傳導(dǎo)到外界，因而焊接接頭不會(huì)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(duì)其有很大的適用性。
分別采用冷焊和氬弧焊，對(duì)TC4鈦合金按照ISO15614.5-2004要求進(jìn)行焊接，焊材為T(mén)A18，接頭按照GB/T228.1-2010要求取樣，接頭強(qiáng)度見(jiàn)表5，接頭各區(qū)域硬度分布如圖5所示。冷焊接頭強(qiáng)度高于母材最低抗拉強(qiáng)度，與氬弧焊接頭強(qiáng)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。可見(jiàn)，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(yàn)
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(yuǎn)距離焊接，同時(shí)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(shì)。鈦合金激光焊控制要素是避免深熔焊時(shí)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(duì)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(píng)定試驗(yàn)方法》焊接，采用對(duì)接自熔焊，接頭按照GB/T228.1-2010要求取樣，接頭性能見(jiàn)表6。
由表6可以看出，TC4激光焊接頭強(qiáng)度高于母材抗拉強(qiáng)度下限值，伸長(zhǎng)率相對(duì)氬弧焊大幅提高，接近母材水平。可見(jiàn)，激光功率和焊接速度等參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度影響較大。試驗(yàn)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(qiáng)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(xì)小等特點(diǎn)，焊接接頭性能好，焊縫和熱影響區(qū)不會(huì)被空氣污染，且焊接厚件時(shí)效率高。
對(duì)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(píng)定試驗(yàn)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(qiáng)度及伸長(zhǎng)率見(jiàn)表7。
由表7可以看出，無(wú)論是焊態(tài)還是熱處理態(tài)，TC4鈦合金電子束焊接頭強(qiáng)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(qiáng)度稍有降低，接頭強(qiáng)度升高；母材和接頭塑性變化不顯著。
對(duì)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(jìn)行對(duì)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(qiáng)度、硬度高，上部強(qiáng)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(qiáng)度硬度低；焊縫下部的晶粒逐漸細(xì)化，等軸晶增多，焊縫強(qiáng)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(yàn)
電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、焊件變形小和容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、船舶、航天航空等領(lǐng)域。點(diǎn)焊是一種利用電流通過(guò)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(shí)加壓進(jìn)行焊接的方法。焊接時(shí)不需要填充金屬。點(diǎn)焊過(guò)程是包含了熱、力、電等相互耦合作用的復(fù)雜過(guò)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(diǎn)焊的焊接性良好，焊透率可達(dá)20%~90%。熔核質(zhì)量好，一般選用強(qiáng)規(guī)范。
針對(duì)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(píng)定焊接工藝規(guī)程第5部分-電阻焊》，采用雙面雙點(diǎn)工藝進(jìn)行電阻焊試驗(yàn)，按照ISO14270-2000《電阻點(diǎn)焊、縫焊和凸焊的機(jī)械撕裂試驗(yàn)用樣品尺寸及程序》對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行撕裂試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)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(shí)間的延長(zhǎng)，焊點(diǎn)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(tái)斷裂。
2.4小結(jié)
綜上，TC4鈦合金不同焊接方法的工藝特點(diǎn)為：淤焊接接頭塑性（以伸長(zhǎng)率來(lái)表征），激光焊（與母材相當(dāng)）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(shì)明顯；激光焊適用于薄板焊接，焊接效率高；氬弧焊的可達(dá)性最好，適用于異形結(jié)構(gòu)件及修補(bǔ)焊接等工況。
3、存在問(wèn)題及研究方向
（1）對(duì)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(duì)鋼材而言，鈦合金接頭強(qiáng)度高，塑性?xún)?chǔ)備不足，各種焊接方法的接頭疲勞特性還需進(jìn)一步研究。
（2）鈦合金焊接接頭強(qiáng)度評(píng)價(jià)體系尚不完備。對(duì)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(yàn)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(píng)定試驗(yàn)》中彎曲試驗(yàn)彎心直徑為6t（t為試樣厚度），但都未給定伸長(zhǎng)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(píng)定》彎曲試驗(yàn)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(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，TC4鈦合金工藝評(píng)定的彎曲試驗(yàn)合格率極低，很難通過(guò)彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)鈦合金接頭的塑性，尚缺少試驗(yàn)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(qiáng)度、塑性、韌性等均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
（2）TC4鈦合金氬弧焊采用TA18焊絲，接頭強(qiáng)度平均值982.5MPa，伸長(zhǎng)率7.5%，強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率達(dá)11%以上，相比氬弧焊大幅提升，達(dá)到母材水平。
（5）TC4鈦合金電子束焊接頭強(qiáng)度高于母材，塑性低于母材；經(jīng)熱處理后母材強(qiáng)度稍有降低，焊接接頭強(qiáng)度升高；電子束接頭低溫韌性良好。
（6）TC4鈦合金電阻點(diǎn)焊，隨著厚度增大，即焊接電流的增加與通電時(shí)間的延長(zhǎng)，焊點(diǎn)直徑與焊透率均相應(yīng)增大，試件剪切力逐漸增大。
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作者簡(jiǎn)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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