TA18(Ti-3Al-2.5Ｖ)是美國20世紀60年代末研制的一種近α型鈦合金，因其具有良好的力學性能、加工性能和優于TC4鈦合金的焊接性能，被廣泛用作航空管材[1]。相比不銹鋼或鋁合金管材，TA18鈦合金管材不僅能承受更大的工作壓力，還能滿足航空航天領域對可靠性及持久性的要求[2]。

在工程應用過程中，鈦合金管材、 板材和型材均會受到空間位置及裝配精度的限制，勢必要采用合適的焊接方法對其進行連接[3-４]。 在實際應用中，TA18 鈦合金管材常以無縫管的形式使用，因而對于TA18 鈦合金的研究主要集中在軋制及無縫管加工方面[5 － 7]。

隨著鈦焊管制備技術的發展，相比無縫鈦管，鈦焊管在制造成本、 綠色高效、 壁厚均勻一致性等方面顯示出一定的優勢，并已在某些領域取代無縫鈦管獲得應用[8]。 然而，現階段針對TA18鈦合金焊管的研究較少，尤其是焊縫對服役性能的影響有待深入研究。 因此，分別采用鈦焊管工業生產中常用的直流鎢極氬弧焊(直流 TIG)、 脈沖鎢極氬弧焊(脈沖 TIG)和激光焊接工藝對TA18鈦合金板材進行焊接，研究不同焊接工藝對焊縫幾何形狀、 顯微組織及力學性能的影響，以期為TA18鈦合金焊管的研發提供一定的理論依據和技術參考，推進鈦合金焊管的生產應用。

1、實驗

實驗材料為2ｍｍ 厚的TA18鈦合金冷軋帶卷，其化學成分如表1所示。 從冷軋鈦帶卷上切取試樣，規格為 500mm × 100mm × 2mm。

采用直流 TIG、 脈沖 TIG 和激光焊接3種方式分別沿著板材軋制方向焊接TA18鈦合金板材。 施焊前，用砂紙打磨試樣表面，然后用酒精沖洗，烘干。

TIG 焊接和激光焊接過程中均采用純氬氣對高溫焊接熔池區域進行雙面保護，其中鎢極保護噴嘴氣體流量為 8L/min，焊接拖罩氣體流量為10L/min，背面保護氣體流量為10L/min。

TIG 焊機型號為松下 ＹＣ-４00ＴＸ４ 型，激光器為6000Ｗ 光纖激光器，焊接工藝參數如表2所示。 在使用脈沖 TIG 焊接時，基值電流是峰值電流的 20％ ，同時脈沖頻率設定為 200 Ｈｚ，有利于降低焊接總體

的熱輸入，方便控制熔池的形貌和尺寸，使得焊道表面紋理光滑。 脈沖 TIG 焊接的平均電流為180A，直流 TIG 焊接的電流為215A。

按圖 1 所示，采用激光切割機在TA18鈦合金焊接接頭位置截取金相試樣和力學性能試樣。 金相試樣經過磨拋后，用 Ｋｒｏｌｌ 試劑進行腐蝕。 采用 ＸＪＺ-6Ａ 型光學顯微鏡觀察焊接接頭組織，并用 ４02ＭＶＡ型顯微硬度計測量焊接接頭不同位置的顯微硬度，加載載荷為9.8Ｎ，持續時間為15s。 拉伸試樣按照ＧＢ / Ｔ 2651—2008 加工，標距長度為 100mm。 采用ＣＭＴ5105 型萬能試驗機進行室溫拉伸性能測試，拉伸速率在試樣屈服之前為0.2mm/min，之后增加至20mm/min。 彎曲試樣按照GB/T2653—2008 加工，壓頭直徑為 6mm，下壓頭間距為 12mm，彎曲速率為 60mm/min。

2、結果與分析

2.1 宏觀形貌

圖2為不同焊接工藝下TA18鈦合金焊接接頭表面的宏觀形貌，焊縫及熱影響區寬度如表3所示。

圖2可以看出，TIG 焊接和激光焊接都可實現TA18 鈦合金板材雙面良好成形，焊縫正面和背面均連續均勻。 由于直流 TIG 焊接熱輸入較大，焊縫寬度達到8.72mm； 采用脈沖 TIG 焊接時，高頻脈沖促使電弧能量集中，整體的焊接熱輸入減小，焊縫寬度降低至7.40mm； 而激光焊接過程中激光束具有更強的穿透性且激光能量更加集中，致使激光焊接接頭焊縫和熱影響區寬度均明顯降低，焊縫寬度僅為2.66mm，相比于直流 TIG 焊接降低約69.5％ 。

激光焊接具有最快的熔池加熱和冷卻速度，熔池高溫停留時間短，液態金屬流動性差，熔池中心的液態金屬不能及時回流到焊縫兩側，導致焊縫兩側咬邊缺陷增加。 而脈沖 TIG 焊接可對焊接熔池的流動性進行調控，因而能夠更好地控制焊縫熔透行為、 焊縫寬度和咬邊。 相比激光焊接，脈沖 TIG 焊縫中心位置熔池下塌降低，熱影響區位置的熔池咬邊也得到一定削弱。

2.2 顯微組織

圖 3 為不同焊接工藝下TA18鈦合金焊接接頭的橫截面形貌。 圖 ４ 為TA18鈦合金焊接接頭橫截面組成區域示意圖。 由圖 ４ 可以看出，TA18 鈦合金焊接接頭主 要 分 為 母 材 ( ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ，ＢＭ)、 熱 影 響 區(ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ，ＨＡＺ)和焊縫區(ｗｅｌｄ ｚｏｎｅ，ＷＺ)，而熱影響區根據受熱情況分為粗晶熱影響區(ｃｏａｒｓｅｇｒａｉｎ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ，ＣＧＨＡＺ) 和 細 晶 熱 影 響 區(ｆｉｎｅ ｇｒａｉｎ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ，ＦＧＨＡＺ)。 從圖 3 可以看出，直流 TIG 焊接接頭粗晶熱影響區的晶粒呈現鑄態組織特征。 脈沖 TIG 焊接方式能夠降低焊縫熔池的整體熱輸入，同時峰值電流和基值電流交替對熔池液態金屬進行加熱和冷卻，有利于加強對焊接熔池的攪拌作用，細化粗大的柱狀晶粒。 激光焊接具有較快的加熱和冷卻速率，熔池液態金屬主要依附于熱影響區半熔化晶粒形核長大，熔池高溫停留時間相對較短，晶粒來不及長大便凝固； 焊縫柱狀晶區晶粒呈 ４5°夾角從兩側對稱向焊縫中心位置生長，具有較大的長寬比。

圖 5 為TA18鈦合金焊接接頭不同位置的金相組織。 從圖 5 可以看出，雖然直流 TIG、 脈沖 TIG、 激光焊接的熱源形式有所差異，但焊接接頭不同區域的微觀組織特征基本相似。TA18鈦合金母材組織為等軸 α 相，當焊接加熱溫度超過 α/ β 轉變溫度時，母材中的 α 相向 β 相轉變，高溫下 β 晶粒快速長大[９ － 10]。 在隨后的快速冷卻過程中，焊縫熔池內粗大的 β 晶 粒 保 存 至 固 相，并 形 成 針 狀 馬 氏 體 α′相[11]。 直流 TIG 焊接接頭中除針狀馬氏體 α′相之外，還存在大量先共析 α 相，其中焊縫區內先共析α 相占比最大且呈塊狀團聚分布，這表明即使在焊縫熔池快速冷卻的過程中，熔池內局部區域仍存在較大溫差，導致不同位置的冷卻速度不同，造成焊縫區不同位置顯微組織存在差異。 與直流 TIG 焊縫中存在較大的塊狀 α 相不同，脈沖 TIG 焊縫中的針狀馬氏體 α′相更加細小，呈交錯的網籃組織形態。

激光焊接焊縫區顯微組織主要為原始 β 晶界隔開的針狀馬氏體 α′相及少量的塊狀相變 α 相，且網籃狀排列的針狀馬氏體 α′相占比最大，組織最細。

粗晶熱影響區為針狀馬氏體 α′相和更加細小、彌散分布的塊狀轉變 α 相。 隨著距離熱源中心位置的增加，細晶熱影響區的加熱溫度較低且冷卻速度快，晶粒尺寸仍然較小，僅有部分 α 相轉變為高溫β 相(深色)，隨后冷卻過程中形成 α ＋ α′相組織。

2.3 力學性能

由于TA18鈦合金直流 TIG、 脈沖 TIG 和激光焊接接頭微觀組織存在差異，導致焊縫顯微硬度也有所不同。TA18鈦合金母材顯微硬度值為2.17GPa，激光焊接接頭焊縫區的平均顯微硬度值達到2.73GPa，顯著高于直流 TIG 和脈沖 TIG(焊縫區的平均顯微硬度值分別為2.53、 2.57GPa)。 這是因為激光焊接具有較快的冷卻速率，導致焊縫區形成大量細小的網籃狀排列的針狀馬氏體 α′相，而網籃狀排列的針狀馬氏體 α′相是提高焊縫強度和硬度的主要組織[９，12]。

圖 6 為TA18鈦合金室溫拉伸試樣的照片，圖 7為不同焊接工藝下TA18鈦合金焊接接頭的室溫拉伸性能。 從圖 6 可以看到，不同焊接工藝下拉伸試樣的斷裂位置均位于母材處。TA18鈦合金母材的抗拉強度為 65９ＭＰａ，屈服強度為 626 ＭＰａ，延伸率為22.0％ 。 從圖 7 可知，焊接工藝對TA18鈦合金焊接接頭抗拉強度及屈服強度的影響不大。 激光焊接工藝下，焊接接頭的延伸率最高，達到20.5％ ，為母材的 ９3％ ； 直流 TIG 焊接工藝下的延伸率最低，為16.0％ ，是母材的 72％ 。 這是因為激光焊接接頭焊縫區和熱影響區的寬度要顯著小于 TIG 焊接，在拉伸試樣標距范圍內母材的變形協調區間更大。

TA18 鈦合金焊接接頭的彎曲性能如表 ４ 所示。從表 ４ 可見，激光焊接接頭的彎曲角度普遍低于TIG焊接接頭，這是由于激光焊縫中的針狀馬氏體 α′相較多，造成焊接接頭硬度增加。

3、結 論

(1) 與直流 TIG 焊接工藝相比，脈沖 TIG 焊接工藝的電弧能量集中，整體的焊接熱輸入減小，焊縫熔寬降低； 激光焊接工藝可顯著降低焊接接頭的寬度，與直流 TIG 焊接工藝相比焊接接頭寬度減少約69.5％ 。

(2)TA18鈦合金激光焊接接頭顯微組織主要為原始 β 晶界隔開的針狀馬氏體 α′相及少量的塊狀相變 α 相，且網籃狀排列的針狀馬氏體 α′相占比最大，組織最細。

(3) 3 種焊接工藝下拉伸試樣的斷裂位置均位于母材處，其中，激光焊接工藝下焊接接頭的延伸率最高，為 20.5％ ，達到母材的93％ 。 與 TIG 焊接接頭相比，激光焊接接頭具有更高的顯微硬度，但其彎曲性能相對較低。

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