鈦及鈦合金以優(yōu)異的抗海水腐蝕能力（低速海水腐蝕速率≤7.6×10-7mm/a）以及較高的比強(qiáng)度和比剛度，被廣泛應(yīng)用于船舶及海洋工程，被譽(yù)為 “海洋金屬”。同時(shí)，鈦及鈦合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、抗疲勞和抗蠕變性能，綜合性能優(yōu)良，也被廣泛用于航空航天、化工等領(lǐng)域，也被譽(yù)為 “21 世紀(jì)金屬”“戰(zhàn)略金屬”[1]。

TA5（Ti - 4Al - 0.005B）合金是一種屈服強(qiáng)度≥560 MPa 的中等強(qiáng)度的 α 型鈦合金，其主要合金成分為 4wt% Al 和 0.005wt% B。與高強(qiáng)的雙相 TC4（Ti - 6Al4V）合金相比，TA5 塑性、沖擊韌性方面性能優(yōu)良，同時(shí)根據(jù)兩種合金的 Mo 當(dāng)量及 Al 當(dāng)量，TA5 的焊接性更加優(yōu)異。與工業(yè)純鈦相比，TA5 有更優(yōu)異的抗點(diǎn)腐蝕、抗空泡破損能力；因此，TA5 以其優(yōu)良的塑韌性、焊接性、耐蝕性 [2 - 6] 等性能和較高的強(qiáng)度，已被廣泛應(yīng)用于海水、港口、海洋平臺(tái)等海洋環(huán)境 [2，7]。

激光焊接技術(shù)和電子束焊接技術(shù)均屬于高能束焊接技術(shù)，對(duì)鈦合金均有良好的工藝適應(yīng)性。圖 1 為常見焊接方法熔池范圍對(duì)比，可看出，電子束和激光焊接技術(shù)是現(xiàn)有焊接技術(shù)中能量密度最高的焊接方法 [8]。

電子束（electron beam，EB）焊與激光（laser beam，LB）焊在進(jìn)行中等厚度以上焊接時(shí)均為 “匙孔” 焊，其基本原理如圖 2 所示，均通過典型的焊接 “匙孔” 取得質(zhì)量優(yōu)良的焊接接頭。

電子束焊接是在加速電壓 20~150kV 下，將電子加速到光速的 0.3~0.7 倍，然后經(jīng)過強(qiáng)聚焦后使能量聚集，轟擊被焊工件來實(shí)現(xiàn)焊接，如圖 3 所示。電子束的功率密度高達(dá) 107 W/cm²，當(dāng)待焊接工件被加速后的電子束轟擊時(shí)，瞬間產(chǎn)生極高的溫度，足以使焊縫金屬局部熔化和甚至汽化；同時(shí)，能量集中和局部高溫使被加熱的金屬蒸發(fā)形成蒸汽空腔（匙孔），從而實(shí)現(xiàn)深熔 “匙孔” 焊接 [6]。大功率激光焊接為 “匙孔焊” 時(shí)，極高的激光密度使得被焊部位發(fā)生汽化，形成致密的等離子體及金屬蒸汽；并通過壁聚焦效應(yīng)持續(xù)不斷將能量傳遞到小孔深處，以得到傳統(tǒng)弧焊無法達(dá)到的 “匙孔”，從而持續(xù)焊接。

雖然電子束焊和激光焊均屬于高能束焊接，但在能量密度、穿孔機(jī)理、小孔穩(wěn)定性、焊接缺陷形成機(jī)理等方面均有所不同。對(duì)于鈦合金，想要獲得高質(zhì)量的大深寬比焊縫，無論采用電子束焊還是激光焊，均優(yōu)先采用 “匙孔” 焊接模式。但電子束在真空下焊接，其工件導(dǎo)熱條件、熔池表面張力、氣孔（空穴）等相比激光焊接均各有不同。

現(xiàn)有研究主要集中在單一焊接方法的性能優(yōu)化，缺乏對(duì)這兩種焊接技術(shù)在鈦合金焊接中的直接對(duì)比。本文將對(duì)激光焊接與電子束焊接性能進(jìn)行對(duì)比研究，通過深入分析兩者在焊接過程中所表現(xiàn)的各項(xiàng)性能，為鈦合金加工制造提供更加科學(xué)的焊接方法，推動(dòng)該領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1、試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用滿足 GB/T3621—2007 的 10mm 厚 TA5 板材，試板規(guī)格為 300 mm×150 mm×10 mm，其化學(xué)成分見表 1。其力學(xué)性能 Rm≥685 MPa、Rp02≥585 MPa、A≥12 %。

表 1 TA5 的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

Al	B	Fe	C	N	H	O	其他	Ti
3.3 - 4.7	0.005	0.30	0.08	0.04	0.015	0.15	0.4	余量

1.2 焊接過程

電子束焊接設(shè)備采用 150 kV、60 kW 高壓定槍電子束焊機(jī)。焊接時(shí)采用 150kV 電壓、40mA 束流，焊接速度 1500mm/min。

激光焊接采用 20kW 光纖激光器，焊接時(shí)使用 11kW 功率，焊接速度為 1100mm/min。

1.3 力學(xué)性能和無損檢測

在型號(hào)為 MTSE45.305 - A 的 300kN 材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在型號(hào)為 BHT5106 的彎曲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲測試，試驗(yàn)過程符合 GB/T228 及 CB/T4363 規(guī)定。對(duì)焊后試板按照 NB/T47013.2 及 NB/T47013.5 進(jìn)行射線檢測和滲透檢測。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面和截面形貌

兩種焊接方法焊后均得到成型優(yōu)良的焊接試板，焊縫外觀如圖 4 所示�？煽闯觯瑑煞N焊接方法焊縫正面寬度均為 3.5 - 4.5mm。由于電子束焊和激光焊均沒有填充金屬，焊道兩側(cè)熔合線附近有輕微下凹（并非弧焊中的咬邊）。焊縫背面比正面略窄，寬度 3 - 4 mm，均為典型 “大深寬比” 的單面焊雙面成型形貌。同時(shí)，由于焊接過程溫度梯度大，焊縫冷卻快，形成了魚鱗紋。電子束焊是在真空環(huán)境焊接，且其焊縫背面由于沒有類似激光焊接的背部氣體保護(hù)，沒有任何氣體壓力，其背部成型光滑度相比激光較差。同時(shí)，由于電子束焊接速度大于激光焊接速度，其焊縫正背面兩側(cè)相比激光有輕微局部咬邊。對(duì)兩試板按照 NB/T47013.2 及 NB/T47013.5 進(jìn)行射線檢測和滲透檢測，射線檢測滿足 Ⅱ 級(jí)，滲透檢測滿足 Ⅰ 級(jí)要求。

2.2 組織分析

圖 5 顯示了電子束焊及激光焊接接頭微觀金相，焊縫區(qū) WZ 為鋸齒狀并彌散點(diǎn)狀 β，鋸齒狀 α 中混雜少量非平衡六方晶格馬氏體 α'，馬氏體常見截止在原始 β 晶界，大多時(shí)候 α' 與針狀 α 有時(shí)難以區(qū)分。由于 TA5 合金幾乎沒有 β 穩(wěn)定化元素，因此馬氏體 α' 特征及形貌表現(xiàn)并不明顯。而近焊縫的熱影響區(qū)（HAZ）和近母材（BM）的 HAZ 均為鋸齒狀 α 點(diǎn)狀 β。

圖 6、7 分別為電子束及激光焊焊接接頭柱狀晶區(qū)的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的 EBSD 圖像（彩圖見電子版，下同），可以看出兩種焊接方法凝固時(shí)原始 β 柱狀晶界清晰，而在柱狀晶內(nèi)部為十字交錯(cuò)的 α+α' 混合組織。由熱影響區(qū) EBSD 可以看出，焊縫側(cè)晶粒尺寸較大，呈鋸齒狀，而母材側(cè)晶粒更加細(xì)小，更趨于等軸晶特征。兩種焊接方法焊縫區(qū)及熱影響區(qū)晶粒狀態(tài)差異不大，均為典型的高能束焊接形貌。

由于高能束焊能量密度極高，對(duì)金屬是一種快速加熱、冷卻、凝固和結(jié)晶過程，會(huì)形成近似平行的大深寬比焊縫。對(duì)于被焊接材料，被熔化金屬體積越小，焊接應(yīng)力和焊接變形則越小。因此，從使用角度分析，高能束焊接質(zhì)量往往優(yōu)于需要開大角度坡口的弧焊。對(duì)焊接后的試板進(jìn)行宏觀金相觀測，如圖 8 所示�？煽闯觯�電子束和激光焊焊縫均為典型的大深寬比的高能束焊縫形貌（深寬比均≥2:1），兩種接頭的母材（BM）、熱影響區(qū)（HAZ）及焊縫區(qū)（WZ）及熔合線清晰，焊縫區(qū)域的晶粒取向清晰。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電子束焊縫截面為幾乎平行的小角度 “倒梯形” 截面，而激光焊接截面為典型的 “束腰形” 截面，造成這種結(jié)果原因在于焊接接頭各區(qū)域的熱量分布和溫度梯度。首先電子束焊接能量密度大于激光焊，同時(shí)焊接速度也大于激光焊接，在焊接前進(jìn)方向的溫度梯度會(huì)大于激光焊接，易形成幾乎近似平行的極窄焊縫截面。如果進(jìn)一步增加焊接板厚及電子束功率，將形成完全平行的焊縫截面，這在很多研究中已經(jīng)得到印證 [9]。進(jìn)一步觀察電子束焊縫晶粒取向，幾乎無指向焊縫中心的柱狀晶。由于焊縫中心溫度梯度最大，在焊縫上 1/3 處晶粒取向趨向于中心偏向焊縫表面，符合電子束焊縫特征。

大功率激光焊亦為 “匙孔焊”，能較好地保證焊接質(zhì)量。這是因?yàn)�，鈦合金焊接時(shí)，由于溶解在液態(tài)金屬中的 H 原子在凝固時(shí)溶解度急劇降低，凝固的熔池不能溶解更多的 H 原子，將會(huì)以氫氣分子形式析出，形成氫氣孔。“匙孔焊” 能夠極大增加氣孔逸出的邊界條件，降低氣孔率。因此，大厚度鈦合金等離子焊和激光焊均采用 “匙孔焊”。

觀察激光焊接截面，焊縫上部為橢圓形，能夠看到明顯的結(jié)晶柱狀晶特征，由于焊縫表面溫度梯度較大，呈現(xiàn)向焊縫中心偏上的方向傾斜。焊縫中部由于溫度梯度和散熱限制呈現(xiàn)柱狀等軸晶特征。下部為三角形柱狀晶區(qū)，整體構(gòu)成典型的 “束腰形” 截面。進(jìn)一步觀察焊縫區(qū)上部橢圓形柱狀晶區(qū)，由于越靠近焊縫表面，溫度梯度越大，隨著溫度梯度降低，一次結(jié)晶柱狀晶方向趨于指向焊縫中心內(nèi)部。而焊縫背面散熱條件與正面類似，中心散熱差，越靠近下表面散熱越好，因此會(huì)形成一個(gè)細(xì)小等軸晶粒束腰區(qū)和下表面的柱狀晶區(qū)。

2.3 拉伸和彎曲性能

按照 NB/T47014—2011 對(duì)焊接試板進(jìn)行拉伸試樣、彎曲試樣制樣，按照 GB/T228 及 CB/T4363 進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表 2、3 所示，力學(xué)性能均能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表 2 接頭抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試樣	EB - 1#	EB - 2#	LB - 1#	LB - 2#
Rm/MPa	705	715	807	804
合格	是	是	是	是

表 3 接頭彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果

試樣	EB - 1#	EB - 2#	EB - 3#	EB - 4#	LB - 1#	LB - 2#	LB - 3#	LB - 4#
裂紋	無	無	無	無	無	無	無	無
合格	是	是	是	是	是	是	是	是

由表 2、3 可看出，電子束和激光焊接接頭強(qiáng)度均超過標(biāo)準(zhǔn)要求 685 MPa，接頭合格。對(duì)每種焊接方法選取 4 個(gè)橫向彎曲試樣，尺寸為 10mm×10mm×300 mm，在 d = 10t 彎曲角度為 90° 的條件下進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，表面無任何大于 3mm 的可見裂紋，彎曲性能良好。

2.4 焊接接頭硬度分布

對(duì)兩種接頭按照 GB/T4340 進(jìn)行 HV5 維氏硬度檢測，如圖 9 所示�？梢钥吹剑�激光焊接與電子束焊接接頭的焊縫區(qū)顯微硬度均有所提高，這主要是焊縫中存在少量的針狀馬氏體 α'，由于顯微硬度值 α'>α>β 相，因此焊縫區(qū)硬度變高。

對(duì)于激光焊，HAZ 區(qū)域受到高溫作用，晶粒長大，造成軟化而硬度值降低；而電子束焊接 HAZ 區(qū)域硬度與母材硬度差別不大，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

鈦合金焊接易受 N、H、O 污染，溫度超過 400℃時(shí)，開始吸氧、吸氮、吸氫而產(chǎn)生增重。在高于 600℃時(shí)反應(yīng)劇烈，使鈦的性能惡化，產(chǎn)生的化合物使母材硬度提高而塑性顯著降低，部分化合物也會(huì)影響沖擊韌性。因此，《鈦制焊接容器》釋義及《船用鈦合金焊接工藝要求》中也明確鈦合金接頭中焊縫及熱影響區(qū)硬度不宜明顯高于母材。由圖 9 可以看出，無論焊縫區(qū)還是熱影響區(qū)硬度均相比母材均為明顯提升，并未出現(xiàn)由于焊接過程中氧化（主要為 O 和 N）引起硬度異常現(xiàn)象。

2.5 仿真結(jié)果分析

采用 ABAQUS 對(duì)兩種焊接過程中的溫度場及熔池形貌特征進(jìn)行仿真，進(jìn)而了解兩種焊接方法的瞬態(tài)熱循環(huán)，量化熱量傳遞過程，可以明確熔池形成過程與溫度梯度分布，以及兩種焊接方法下熱影響區(qū)的分布特點(diǎn)。圖 10 為本文所采用的熱源模型，包括高斯旋轉(zhuǎn)體熱源、高斯面熱源與錐體熱源復(fù)合熱源。

如圖 10 (a) 所示，為高斯面熱源模型示意圖，其計(jì)算公式如下：

式中：q (r) 為能量密度，r 為熱源內(nèi)任意一點(diǎn)到熱源中心的距離；R 為熱源有效作用半徑，P 為功率，η 為熱效率。

如圖 10 (b) 所示，為錐體熱源模型示意圖，其計(jì)算公式如下：

式中：q (r, z) 為能量密度 ，r 為熱源內(nèi)任意一點(diǎn)到熱源中心的距離；r0 為熱源最大作用半徑，P 為功率；η 為熱效率 ；H 為熱源總高度 ，re 和 r 分別為熱源上下端的最大作用半徑。

如圖 10 (c) 所示，為為高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型示意圖，其計(jì)算公式如下：

式中：q (r) 為能量密度；Cs 為熱源修正系數(shù)，H 為熱源有效深度；Q 為有效熱量 ，z 為是深度方向變量

采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格劃分方式，焊縫附近采用近小遠(yuǎn)大的網(wǎng)格尺寸設(shè)計(jì)，選用的是 DC3D8 的八節(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體單元。最小單元尺寸為 0.5 mm×0.5mm×2mm。模擬中的初始溫度設(shè)置為室溫 20℃。對(duì)于電子束焊接，屬于真空環(huán)境，僅存在焊件表面輻射散熱，輻射系數(shù)為 0.8，計(jì)算參數(shù)如下：加速電壓為 150kV、電子束流為 40mA、焊接速度為 1.5m/min。考慮小孔效應(yīng)和實(shí)際焊縫形狀，通過高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模擬電子束焊接過程，焊接熱效率取為 0.85 [10 - 11]。焊接穩(wěn)定后溫度場如圖 11 所示。

采用同樣條件，模擬激光焊接過程�？紤]到激光深熔焊接的焊縫形貌特征，因此采用組合熱源，通過高斯面熱源與圓錐體熱源的復(fù)合作用，使模擬結(jié)果與實(shí)際焊縫特征相吻合 [10]。設(shè)定初始環(huán)境溫度為 25 ℃，環(huán)境輻射系數(shù)為 0.85，對(duì)流換熱系數(shù) h 為 16 J/(m2・s-1・℃-1)，焊接熱效率設(shè)置為 0.8，同時(shí)模擬激光功率為 11000 W、焊接速度為 1.1m/min。焊接穩(wěn)定后溫度場及焊縫截面如圖 12 所示。

由圖 12 可以看出，仿真結(jié)果顯示在焊接前進(jìn)方向，電子束穩(wěn)定梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于激光焊接，加上電子束焊接工件向外界熱傳遞遠(yuǎn)低于大氣環(huán)境，因此極易形成極窄的大深寬比焊縫；而激光焊接雖然相比弧焊能量密度極高，但由于吸收、散熱、反射（羽輝）等因素影響，其熔池能量密度小于電子束焊縫，因此在較大板厚時(shí)會(huì)形成 “漏斗狀” 或 “束腰狀” 焊縫截面。

3、結(jié)論

(1) 對(duì)于 TA5 合金，電子束和激光焊均能實(shí)現(xiàn) 2:1 大深寬比焊接，激光焊焊縫區(qū)截面為 “束腰” 形貌，而電子束焊縫區(qū)為典型的 “I” 形貌。通過 ABAQUS 仿真，印證了兩種焊接方法焊縫截面形態(tài)的差異。

(2) TA5 合金電子束和激光焊焊接接頭強(qiáng)度相比，激光焊接頭強(qiáng)度更高，兩種焊接方法焊接接頭性能良好。

(3) 兩種焊縫區(qū)柱狀晶區(qū)明顯，焊縫區(qū)主要為鋸齒狀并彌散點(diǎn)狀 β。而在柱狀晶內(nèi)部為十字交錯(cuò) α+α' 混合組織。

(4) 電子束和激光焊焊接接頭硬度檢測表明，均為焊縫區(qū)硬度略有升高，激光焊 HAZ 區(qū)域略有降低。

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