于 航，李軍兆，張望成，孫清潔,

（1.湖南湘投金天新材料有限公司,湖南 益陽 413057；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),山東 威海 264209)）

0 引言

鈦?zhàn)钕扔?948 年在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到應(yīng)用，之后用于機(jī)身、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等，其中，TC4 鈦合金作為一種新興材料具有良好的耐蝕性、高的比強(qiáng)度及較好的韌性和焊接性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、石油化工等領(lǐng)域，是應(yīng)用最為廣泛的兩相鈦合金[1-3]。

目前，在簡化結(jié)構(gòu)和減輕重量方面，焊接逐漸成為TC4 鈦合金加工的主要手段，且激光焊是TC4鈦合金焊接的常見方法。激光焊接是一種特殊的熔焊方法，它利用高能量密度（106～1012W/cm2）的聚焦激光束作為熱源加熱和熔化工件，基于激光與材料相互作用的光熱效應(yīng)形成的熔焊[4-10]。與其他焊接方式相比激光焊具有焊接變形小、穿透性強(qiáng)、焊縫熱影響區(qū)小、焊縫成形美觀等特點(diǎn)，在TC4 鈦合金薄板及精密零件的焊接上具有廣闊的應(yīng)用前景[11-16]。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)TC4 鈦合金的激光焊接工藝研究較為全面，主要研究方式為改變焊接速度、激光功率、離焦量等參數(shù)以調(diào)整焊接熱輸入，對(duì)焊接接頭組織進(jìn)行優(yōu)化，最終改善焊接接頭力學(xué)性能，也有少部分學(xué)者通過改變激光入射角度、掃描路徑、激光頻率等方式研究其對(duì)焊接接頭組織及力學(xué)性能的影響[17-26]。此外，形狀復(fù)雜的部件和復(fù)雜的焊接環(huán)境也會(huì)對(duì)焊接接頭的焊縫形狀、孔隙率和強(qiáng)度產(chǎn)生影響[27-35]，但是，相關(guān)方面研究相對(duì)較少。

因此，筆者主要綜述了不同激光焊接工藝參數(shù)對(duì)TC4 鈦合金板材激光焊焊縫幾何形狀、顯微組織及力學(xué)性能的影響，為TC4 鈦合金激光焊焊接工藝制定提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考，以便在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中提高焊接質(zhì)量。

1 激光焊接參數(shù)對(duì)TC4 合金焊縫幾何形狀的影響

激光作用于材料表面所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象包括表面溫度升高、熔化、匙孔的形成以及激光誘導(dǎo)等離子體的產(chǎn)生，如圖1 所示[36]。這些物理現(xiàn)象決定了焊接過程的熱作用機(jī)理，從而出現(xiàn)了熱傳導(dǎo)焊接和深熔焊接兩種不同的焊接模式，對(duì)于某些特定材料，有特定的功率密度閾值，當(dāng)激光作用在材料上的功率密度低于該閾值時(shí)，激光能量被材料表面吸收并迅速轉(zhuǎn)移到材料內(nèi)部，形成寬且深的熱傳導(dǎo)焊縫；當(dāng)激光作用在材料上的功率密度高于該閾值時(shí)，在工件表面將熱量傳遞到材料內(nèi)部之前，激光能量使材料表面迅速升溫、熔化和蒸發(fā)，并隨著連續(xù)輸入激光能量，形成厚度方向的匙孔，匙孔沿焊接方向移動(dòng)，其后面的熔池迅速冷卻凝固，形成寬度和深度較大的深熔焊縫[36-39]。大量研究表明TC4 鈦合金激光焊接過程中，焊縫區(qū)的幾何形狀和熱影響區(qū)的寬度均會(huì)隨著激光焊接功率、焊接速度、熱輸入等參數(shù)的變化而變化[38,40-44]。低熱輸入情況下，板材未被匙孔穿透，熔池形成閉合匙孔模式，激光束僅通過封閉匙孔的頂部開口反射出去，進(jìn)而形成Y 形焊縫；高熱輸入情況下，板材完全被匙孔穿透，熔池形成開放式匙孔模式，反射的激光束從鑰匙孔的底部和頂部逸出，進(jìn)而形成X 形焊縫或H 形焊縫，不同匙孔模式下形成的焊縫幾何形狀如圖2 所示[36-38,41,45-46]。此外，也有學(xué)者將Y 形焊縫稱之為漏斗形焊縫和V形焊縫，目前，不同學(xué)者對(duì)焊縫幾何形狀的定義尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[46-47]。

圖1 不同強(qiáng)度激光作用于金屬表面的物理過程[36]Fig.1 Physical processes of laser of different intensities acting on metal surface

圖2 匙孔穿透模式及焊縫形貌示意[41,46?47]Fig.2 Schematic diagram of keyhole penetration mode and weld morphology

姜毅等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，隨著TC4 鈦合金焊接過程中激光功率的增大，焊縫上熔寬和下熔寬均增大且上熔寬和下熔寬尺寸差異減小。當(dāng)激光功率為1 600 W、焊接速度為1.4 m/min、離焦量為1 mm時(shí)，焊縫上熔寬和下熔寬分別為2.5、2.1 mm 時(shí)，1.2 mmTC4 鈦合金完全焊透。Hong 和Shin[40]通過多物理相預(yù)測(cè)模型對(duì)不同激光功率和焊接速度下1.62 mm 厚TC4 鈦合金激光匙孔焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，指出激光功率在800～1 000 W 和焊接速度在1.73～4 m/min 時(shí)，具有較好的焊接效果。在較高的焊接速度和較低的激光功率下，由于匙孔無法產(chǎn)生深空腔，焊縫熔深逐漸降低。楊東旭[48]在3 mm TC4 鈦合金激光焊接接頭溶質(zhì)元素分布及不均勻性研究中指出，焊接速度為3 m/min、離焦量為0 mm 情況下，隨著激光功率從1 000 W 增加至3 000 W 時(shí)，焊縫熔深、熔寬、余高均逐漸增加，且熔深的變化程度要大于熔寬的變化程度；激光功率為2 500 W、離焦量為0 mm 情況下，隨著焊接速度從2.0 m/min 增加至4.5 m/min 時(shí)，熔深、熔寬和余高均逐漸減小，焊縫邊緣與母材過渡越來越不平滑，焊縫成形逐漸不穩(wěn)定。焊接速度過快或過慢都不能形成良好的焊縫。李明軍等人[12]研究了不同焊接速度下3 mm TC4 鈦合金激光焊接接頭成形及組織的影響，指出焊接功率2 300 W、離焦量為0 mm、焊接速度為2.1～3.9 m/min 時(shí)，焊縫幾何形狀為X形焊縫。隨著焊接速度的提高，熱輸入減小，熔池向周邊的鋪展能力降低，凝固速度提高，導(dǎo)致焊接速度的提高將使焊縫上部和焊縫下部的半圓形區(qū)域減小，焊接速度對(duì)焊縫成形的影響如圖3（a）所示。

圖3 焊接速度對(duì)焊縫幾何形狀的影響[12,42]Fig.3 The influence of welding speed on weld geometrical dimension

Akbari 等人[42,49]也指出3 mm TC4 合金脈沖激光焊接過程中，焊縫熔寬和熔深會(huì)隨著焊接速度的增加而減小，如圖3（b）所示。Akman 等人[50]研究了激光脈沖能量、持續(xù)時(shí)間和峰值功率對(duì)3 mm TC4 激光焊接頭顯微組織及力學(xué)性能的影響，指出可以通過精確控制激光輸出參數(shù)來控制激光焊縫幾何形狀，峰值功率是影響熔深最重要的參數(shù)，但是，峰值功率過高會(huì)導(dǎo)致焊縫溫度超過TC4 合金的蒸發(fā)點(diǎn)，促使焊縫表面縮孔的形成，脈沖時(shí)間的增加會(huì)促進(jìn)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度的增加。在脈沖持續(xù)時(shí)間為5 ms、光斑直徑為0.65 mm 情況下，激光峰值功率從1 120 W 增加至2 680 W 時(shí)，焊縫熔深逐漸增加。與低峰值功率相比，在較高峰值功率條件下的熱影響區(qū)寬度和熔池寬度之比更大，并且由于激光脈沖與焊縫的相互作用時(shí)間更長，促使焊縫形成更寬的熔池和熱影響區(qū)，當(dāng)峰值功率3 000 W、脈沖持續(xù)時(shí)間10 ms 時(shí)，焊縫具有最深的熔池深度2.97 mm，激光脈沖峰值功率對(duì)焊縫幾何參數(shù)的影響如圖4（a）所示。Gao 等人[24]研究了重疊因子對(duì)脈沖Nd:YAG 激光焊接TC4 薄板焊縫顯微組織和力學(xué)性能影響，指出焊縫區(qū)的寬度會(huì)隨著重疊因子值的增加而增加，且焊縫區(qū)底部寬度與頂部寬度的比值隨著重疊因子值的增加而增加。當(dāng)重疊因子值為0%時(shí)，焊縫區(qū)的底部寬度與頂部寬度之比約為0.38，焊縫區(qū)的頂部比底部寬；當(dāng)重疊因子值為76.8%時(shí)，焊縫區(qū)的底部寬度與頂部寬度之比約為1.0，焊縫區(qū)的頂部寬度等于底部寬度。激光焊接過程中，匙孔形狀會(huì)受到熔池形狀的影響，熔池中間寬度較窄時(shí)，不利于焊接接頭底部激光束能量積累；當(dāng)熔池中間寬度增大時(shí)，焊接接頭底部可吸收更多激光束能量。因此，當(dāng)重疊因子值增加時(shí)，頂部和底部之間的焊縫寬度差異減小，不同重疊系數(shù)下焊縫區(qū)底部與頂部的寬度比值如圖4（b）所示。Li 等人[43]研究了TC4 合金異種厚度激光焊接參數(shù)對(duì)焊接溫度場(chǎng)和熔池尺寸的影響，指出焊接速度增加時(shí)，激光束投射到焊縫的持續(xù)時(shí)間更短，導(dǎo)致熔池及其附近的溫度降低，促使熔池深度和寬度、熱影響區(qū)寬度均減小，如表1 所示。此外，板材厚度對(duì)焊縫偏差的影響最大，薄板上較低的冷卻速率促使其產(chǎn)生較高的溫度梯度，從而導(dǎo)致激光束吸收顯著增加并且熔池向薄板偏移。

圖4 激光脈沖工藝參數(shù)對(duì)焊縫幾何形狀的影響[24,50]Fig.4 The influence of laser pulse process parameters on weld geometrical dimension

表1 不同焊接速度下熔池幾何形狀的比較[43]Table 1 Comparison of the geometry of the molten pool for various welding speeds

綜上可知，隨著激光焊接過程中焊接速度的升高、激光功率的降低，導(dǎo)致焊縫處加熱時(shí)間較短，不足以產(chǎn)生足夠的焊縫熔深；在較低的焊接速度下，入射激光束和母材之間的相互作用時(shí)間較長，更多的熱能傳遞到匙孔壁，這種熱能的存在產(chǎn)生了更深的匙孔，進(jìn)而形成較深的焊縫；如果傳遞的能量過高，則熔池表面會(huì)出現(xiàn)材料的汽化和損失，并形成燒蝕[11,12,51]。激光焊接過程中，可通過改變離焦量的大小，促使焊縫處產(chǎn)生不同的能量密度，進(jìn)而獲得適當(dāng)?shù)暮缚p形貌，也可通過考慮熔池周圍的溫度變化和熱循環(huán)過程來模擬、預(yù)測(cè)焊縫幾何形狀（寬度和深度）的變化。此外，激光大角度斜向焊接存在明顯的激光反射作用，需要降低焊接速度和提高激光功率以控制良好的焊縫成形。薄壁鈦合金的低速激光焊工藝窗口較窄，需要對(duì)激光能量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，通過控制焊縫溫度和激光工藝參數(shù)等，可以精確控制焊接過程[15,24,43]。

2 激光焊接參數(shù)對(duì)TC4 鈦合金焊縫金屬顯微組織及力學(xué)性能的影響

激光焊接與傳統(tǒng)焊接模式相比，焊縫具有殘余變形小、組織細(xì)小、熱影響區(qū)窄、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，更適合于焊接TC4 鈦合金[41,52-53]。β 相的快速凝固轉(zhuǎn)變是TC4 鈦合金激光焊接過程中的典型現(xiàn)象，其中，TC4 鈦合金焊接接頭中針狀馬氏體α′相、魏氏α 相和塊狀α 相的組織占比與焊接接頭的冷卻速度存在一定關(guān)系[53-58]。Baruah 和Bag[59]對(duì)0.5 mm TC4 合金板Nd:YAG 激光焊接接頭的工藝參數(shù)（即脈沖能量、脈沖寬度和焊接速度）進(jìn)行研究，指出板材變形會(huì)隨著熱量輸入的增加而增大，且由于細(xì)小的α′馬氏體的存在，導(dǎo)致焊縫區(qū)的硬度非常高。但是，無論脈沖能量和焊接速度如何，焊縫區(qū)的平均硬度均高于熱影響區(qū)，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度均大于母材，并且顯微硬度隨著脈沖能量的增加和焊接速度的降低而降低，如圖5 所示。

圖5 硬度分布變化[59]Fig.5 Variation of hardness distribution

楊靜等人[60-61]指出0.8 mm TC4 鈦合金激光焊最佳離焦量為-0.5 mm。焊縫區(qū)為粗大β 柱狀晶，柱狀晶內(nèi)部主要為針狀馬氏體α′組成的網(wǎng)籃組織；熱影響區(qū)由原α 和針狀馬氏體α′組成，但馬氏體α′數(shù)量相對(duì)較少。隨著焊熱輸入量的增加，馬氏體的形態(tài)由單相平行單向生長轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞蛏L，且分布更加密集和散亂，但焊接工藝參數(shù)的改變對(duì)相組成基本沒有影響，各相的相對(duì)含量隨焊接線能量的變化也不顯著。不同焊接工藝參數(shù)下接頭的強(qiáng)度均高于母材，但塑性低于母材，如表2 所示。Hong 和Shin[40]對(duì)不同激光功率和焊接速度下1.62 mm TC4 鈦合金激光匙孔焊接過程研究中指出，在焊縫冷卻過程中，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)在冷卻過程中經(jīng)歷了馬氏體α′相和相變?chǔ)?相的轉(zhuǎn)變，并且焊縫區(qū)和熱影響區(qū)中形成的馬氏體數(shù)量受冷卻速度的影響，無論焊接工藝參數(shù)如何，熱影響區(qū)的冷卻速率始終較低，焊縫區(qū)硬度均大于熱影響區(qū)。但是，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)邊界處存在更高含量的針狀馬氏體α′，焊接接頭硬度峰值會(huì)在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)邊界處出現(xiàn)。趙曉龍等人[62]指出當(dāng)激光功率為2000～3 500 W、焊接速度為1.5～8.0 m/min、離焦量為-1.5～1.5 mm時(shí)，2 mm TC4 鈦合金均可獲得表面和內(nèi)部無氣孔等缺陷的高質(zhì)量焊縫。激光焊接頭抗拉強(qiáng)度為1 095～1 106 MPa，屈服強(qiáng)度為1 054～1 066 MPa，均大于母材；激光焊縫斷后伸長率為10.1%～11.1%，低于母材。Campanelli 等人[63]研究了不同焊接速度對(duì)2 mm TC4 鈦合金激光焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能影響，指出焊接速度的增加會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)和焊縫區(qū)尺寸的減小，焊縫金屬顯微組織由較大的晶粒組成，原β 相晶粒內(nèi)部為不同取向的α′馬氏體組成，焊縫抗拉強(qiáng)度低于母材且斷后伸長率明顯降低，不同焊接速度下焊縫力學(xué)性能變化如圖6 所示。李仲樹和周金宇[64]在研究2.1 mm TC4 鈦合金激光焊縫微觀組織和性能中指出，焊縫區(qū)為網(wǎng)籃狀α′針狀馬氏體，熱影響區(qū)存在少量α′馬氏體。焊縫區(qū)顯微硬度高于熱影響區(qū)，熱影響區(qū)顯微硬度高于母材，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)顯微硬度隨著焊接功率的增加而增加，但是，焊接功率對(duì)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率影響不大，如表2 所示。

表2 焊接接頭拉伸力學(xué)性能[60,64,11]Table 2 Tensile mechanical properties of welded joints

圖6 不同焊接速度下焊縫金屬力學(xué)性能[63]Fig.6 Mechanical properties of weld metal with different welding speeds

Aravind 等人[65]采用VIKOR 優(yōu)化方法對(duì)3 mm TC4 激光焊接參數(shù)進(jìn)行了研究，指出優(yōu)化后的焊接參數(shù)為：焊接功率1 600 W，焊接速度0.3 m/min，保護(hù)氣體流量20 L/min；采用CO2激光焊接工藝具有更高的功率密度，焊縫具有鎖孔形狀，焊縫熔深為3.55 mm，焊縫寬度為3.06 mm；焊縫區(qū)組織主要為α′馬氏體，焊縫區(qū)硬度(HV)為810，熱影響區(qū)硬度(HV)為541。黃煒等人[11]研究了激光功率對(duì)3.5 mm TC4 合金焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能的影響（見表2 所示），指出激光功率4 000 W、焊接速度3.0 m/min 時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度與母材接近。當(dāng)激光功率從3 500 W 增加至4 500 W 時(shí)，不同激光功率下熱影響區(qū)顯微組織由初生α 相和少量α′馬氏體組成，焊縫區(qū)顯微組織主要為針狀α′馬氏體和有少量的β 相，焊縫區(qū)的顯微硬度最高，熱影響區(qū)的顯微硬度次之，母材的顯微硬度最低，焊接接頭各區(qū)顯微硬度分布變化基本相同。

徐甄真等人[10]研究了不同焊接速度下4 mm TC4 合金激光焊接接頭顯微硬度、顯微組織和晶粒取向的關(guān)系，指出母材的顯微組織由白色等軸α 相和晶間β 相組成；焊縫區(qū)顯微組織主要為原β 晶界隔開的針狀馬氏體；完全轉(zhuǎn)變熱影響區(qū)主要為針狀馬氏體和塊狀相變?chǔ)粒徊糠洲D(zhuǎn)變熱影響區(qū)為針狀馬氏體、塊狀轉(zhuǎn)變?chǔ)痢⒃?相和β 相。在焊縫金屬的冷卻過程中，初生馬氏體成核并長大至晶界處，垂直于初生馬氏體上生長的次生馬氏體在遇到晶界或初生馬氏體時(shí)停止生長。從焊縫金屬到母材，馬氏體減少，原α 相和β 相增加，相變?chǔ)?先增加后減少。在較寬的焊縫中或在不同焊速接頭的焊縫中心，顯微硬度隨著冷卻速率、馬氏體大小和馬氏體的晶界取向差而變化，熔合線上顯微硬度最高。隨著焊接速度的增加，焊接接頭的最高顯微硬度和顯微硬度在焊縫深度和橫向上的不均勻程度都增加，但焊縫較窄時(shí)，冷卻速率等引起的顯微硬度差異較小。焊接速度對(duì)焊縫顯微組織和硬度的影響如圖7 所示。K?se 和Karaca[51]研究了不同熱輸入對(duì)4 mm TC4合金光纖激光焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響，指出低熱輸入條件下焊縫區(qū)顯微組織由晶內(nèi)針狀馬氏體α′和晶界原β 相組成；高熱輸入條件下焊縫區(qū)顯微組織發(fā)生粗化，魏氏α 相結(jié)構(gòu)增加。低熱輸入條件下焊接接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均優(yōu)于高熱輸入條件下焊接接頭，此外，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度均高于母材，焊縫區(qū)硬度最高，增加激光功率或降低焊接速度（增加熱輸入）都會(huì)導(dǎo)致硬度降低，如圖8 所示。

圖7 焊接速度對(duì)焊縫金屬顯微組織和硬度的影響[10]Fig.7 The effect of welding speed on the microstructure and hardness of the weld metal[10]

圖8 不同熱輸入下焊接接頭顯微組織及維氏硬度變化[51]Fig.8 Microstructure and Vickers hardness changes of welded joints under different heat input[51]

許愛平等人[13]研究了5 mm TC4 鈦合金激光焊接最優(yōu)工藝參數(shù)，指出激光功率2 900 W、焊接速度3.6 m/min 時(shí)，焊縫中心為粗大的β 柱狀晶且晶界清晰可見，β 柱狀晶內(nèi)部為縱橫交錯(cuò)的針狀α′馬氏體；熱影響區(qū)主要為α+β+α′，熱影響區(qū)中α′馬氏體含量少于焊縫中α′馬氏體含量。Xu 等人[66]研究了焊接速度對(duì)6 mm TC4 合金激光焊焊縫區(qū)的顯微組織，指出焊縫區(qū)組織轉(zhuǎn)變受焊接速度影響，馬氏體α′是焊縫區(qū)主要組織。當(dāng)焊接速度為1.4 m/min時(shí)，焊縫區(qū)主要組織為馬氏體α′相和少量相變?chǔ)?相；當(dāng)焊接速度為1.6～2.0 m/min 時(shí)，焊縫區(qū)主要組織為馬氏體α′相和少量殘留β 相。Liu 等人[67]研究了激光焊接工藝對(duì)5.1 mm TC4 合金焊縫顯微組織和力學(xué)性能影響，指出激光焊焊縫顯微組織及力學(xué)性能受焊接參數(shù)影響會(huì)發(fā)生明顯變化。當(dāng)激光功率為10 000 W、焊接速度為2～6 m/min 時(shí)，焊縫全熔透；當(dāng)激光功率為10 000 W、焊接速度為8 m/min 時(shí)，焊縫部分熔透。部分轉(zhuǎn)變熱影響區(qū)由原始α 相、原始β 相、相變?chǔ)?相、馬氏體α′相和殘余β 相組成；完全轉(zhuǎn)變熱影響區(qū)和焊縫區(qū)由相變?chǔ)?相、馬氏體α′相和殘余β 相組成。隨著焊接速度的增加，相變?chǔ)?相消失，完全轉(zhuǎn)變熱影響區(qū)和焊縫區(qū)主要為馬氏體α′組織，此外，隨著焊接速度的增加，焊縫區(qū)中馬氏體α′逐漸細(xì)化。焊縫區(qū)在10 000 W 和2 m/min 焊接參數(shù)下平均硬度（HV）約為357，焊縫硬度隨著焊接速度的增加逐漸增加至最高值402，不同焊接速度下焊縫區(qū)晶粒寬度及顯微硬度，如圖9所示。

圖9 不同焊接速度下焊縫區(qū)晶粒寬度及顯微硬度[67]Fig.9 Grain width and microhardness of weld zone at different welding speeds[67]

綜上可知，在激光焊接過程中，從熔池到母材，由于溫度梯度和時(shí)間差異等因素，焊縫金屬會(huì)產(chǎn)生不均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)[68-70]。TC4 合金的冷卻速率超過410 °C/s 才能獲得完全的馬氏體α′相，較低的冷卻速率下TC4 合金的顯微組織為馬氏體α′相、塊狀αm相和擴(kuò)散形成的魏氏α 相混合微觀結(jié)構(gòu)[17,53]，TC4 鈦合金固溶體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變，如圖10（a）所示。

焊縫區(qū)顯微組織常見為無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成的針狀馬氏體α′以及擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成的塊狀αm相和魏氏α相等組織，焊縫區(qū)組織轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D10（b）所示。焊縫區(qū)網(wǎng)籃狀的針狀馬氏體是提高焊縫強(qiáng)度和硬度的主要組織，不同形貌的網(wǎng)籃狀組織對(duì)焊縫金屬強(qiáng)度的提高程度存在一定差別，網(wǎng)籃組織大致可分為三種形貌：①網(wǎng)籃組織由單向生長的針狀馬氏體組成，其間存在不同取向的細(xì)小針狀馬氏體；②網(wǎng)籃組織由互相垂直針狀馬氏體組成；③網(wǎng)籃組織內(nèi)部針狀馬氏體存在多種取向且交錯(cuò)生長[68-70]。此外，焊縫區(qū)晶界處缺陷的存在也會(huì)對(duì)針狀馬氏體的形成起到促進(jìn)作用[2,68-71]。當(dāng)焊接熱輸入較小、高溫時(shí)間較短時(shí)，焊縫區(qū)的冷卻速度較大，馬氏體多以細(xì)小、單一取向生長，對(duì)焊縫金屬的強(qiáng)化效果較好；當(dāng)焊接熱輸入較大、高溫時(shí)間較長時(shí)，焊縫區(qū)溫度較高且冷卻速度較小，導(dǎo)致針狀馬氏體粗大且存在多取向生長結(jié)構(gòu)，對(duì)焊縫金屬的強(qiáng)化效果減弱。

熱影響區(qū)主要呈帶狀分布且組織常見為原α 相、原β 相、塊狀αm相、細(xì)小針狀馬氏體α′相組成的混合組織，與焊縫區(qū)相比其晶粒較為細(xì)小[2,17,72-73]，熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D10（c）所示。熱影響區(qū)原α 晶粒和針狀馬氏體的大小和比例沿從母材到焊縫區(qū)方向不斷變化，母材側(cè)的熱影響區(qū)主要由塊狀αm相、原α 相和原β 相以及少量α′相組成，焊縫區(qū)側(cè)的熱影響區(qū)主要由針狀馬氏體α′相和塊狀αm相組成，熱影響區(qū)冷卻過程中產(chǎn)生的針狀馬氏體占比從母材到焊縫區(qū)方向存在不斷增大的趨勢(shì)[2,17]。焊接過程中溫度較焊縫區(qū)低，原α 相和β 相存在不完全轉(zhuǎn)變且高溫時(shí)間較短，高溫β 晶粒僅有輕微的長大，生成的針狀馬氏體組織較為細(xì)小。焊接峰值溫度和升溫速度增加后，原α 晶粒逐漸長大，后被先轉(zhuǎn)變的原β 晶粒不斷吞并形成尺寸較大的高溫β 相，冷卻過程中將會(huì)形成尺寸較大的針狀馬氏體，焊接工藝對(duì)熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變及力學(xué)性能的影響具有一定的相似性[72-73]。表3 為不同厚度下TC4 鈦合金激光焊接可供參考工藝。

圖10 TC4 鈦合金組織轉(zhuǎn)變示意[17,53]Fig.10 Schematic diagram of TC4 titanium alloy microstructure transformation

表3 不同厚度下TC4 鈦合金的激光焊接工藝參數(shù)Table 3 Laser welding process parameters of TC4 titanium alloy with different thicknesses

3 激光焊接接頭的焊后熱處理

大功率激光焊接，因其能量密度極高，被焊工件經(jīng)受快速加熱和冷卻的反復(fù)作用，使得焊縫區(qū)和熱影響區(qū)域極窄，硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材，該區(qū)域的塑性相對(duì)較低。為了降低焊接接頭的硬度,應(yīng)采取焊接前預(yù)熱和焊后回火等相應(yīng)的工藝措施[4]。趙曉龍等人[74]研究了多次熱處理對(duì)2 mm TC4 激光焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能影響，指出多次熱處理后，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)顯微組織無明顯變化，焊縫區(qū)力學(xué)性能較為優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度達(dá)1 100 MPa，斷面收縮率為10.9%，多次熱處理后的力學(xué)性能與焊態(tài)基本相同，如表4 所示。Kabir 等人[75]研究了去應(yīng)力退火（SRA）和固溶時(shí)效處理（STA）對(duì)3.2 mm 和5.1 mm TC4激光焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能影響（見圖11），指出焊態(tài)和去應(yīng)力退火后顯微組織均為馬氏體α′相或馬氏體α′相和魏氏α 相組成的混合組織，固溶時(shí)效處理后顯微組織為片狀α 相和層片間β 相組成。與焊態(tài)相比，去應(yīng)力退火進(jìn)一步增加了焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度，而固溶時(shí)效處理降低了焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度值，此外，焊縫區(qū)的硬度最大，而熱影響區(qū)的硬度介于焊縫區(qū)和母材之間。

表4 激光焊接接頭及多次熱處理后的力學(xué)性能[74]Table 4 Mechanical properties of laser welded joints after multiple heat treatment

圖11 焊態(tài)、SRA 和STA 條件下三個(gè)不同區(qū)域的平均硬度Fig.11 Average hardness of the three different zones in as-welded,SRA,and STA conditions[75]

焊后熱處理的主要目的在于松弛焊接殘余應(yīng)力、減少畸變、改善焊接接頭的性能等，熱處理方式常見為單一高溫回火或正火加高溫回火處理[76]。低于β 轉(zhuǎn)變的較高溫度下對(duì)TC4 鈦合金焊接接頭進(jìn)行固溶處理會(huì)導(dǎo)致α 板條粗化，而在去應(yīng)力退火過程中，TC4 鈦合金焊接接頭晶界α 相僅會(huì)出現(xiàn)部分的溶解現(xiàn)象[74-75]。較高溫度下的退火會(huì)導(dǎo)致焊縫組織的粗化，并且產(chǎn)生晶間β 相，造成焊縫彎曲性能的降低。TC4 鈦合金在600～650 ℃進(jìn)行焊后熱處理，在保證焊接接頭性能的基礎(chǔ)上可達(dá)到最好的焊后消除殘余應(yīng)力的效果[76-78]。

4 總結(jié)與展望

1) 激光焊焊縫幾何形狀的變化主要原因在于焊接熱輸入的改變導(dǎo)致焊接過程中激光焊匙孔形狀及模式發(fā)生了改變；焊縫中無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變形成的針狀馬氏體是提高焊縫強(qiáng)度的主要組織，可適當(dāng)調(diào)整焊接工藝參數(shù)改善焊接接頭各顯微組織間的最佳占比，獲得焊接接頭的最佳強(qiáng)韌性匹配；應(yīng)對(duì)激光能量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，控制焊縫溫度和激光工藝參數(shù)等保證焊縫質(zhì)量。

2) 目前，關(guān)于TC4 激光焊接工藝大多建立在研究者的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，只是針對(duì)單個(gè)參數(shù)的三點(diǎn)法或四點(diǎn)法進(jìn)行研究，較少有采用科學(xué)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)TC4 激光焊接工藝體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可借鑒的研究方法相對(duì)較少。

3) 目前，TC4 鈦合金激光焊接工藝主要關(guān)注于平板對(duì)焊試驗(yàn)的工藝研究，對(duì)于復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)的部件以及復(fù)雜的焊接環(huán)境相關(guān)方面研究相對(duì)較少。4) 基于人工智能和模擬大數(shù)據(jù)的發(fā)展日益成熟，將激光焊接技術(shù)搭載智能分析系統(tǒng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從模擬、焊接工藝、焊接數(shù)據(jù)庫預(yù)測(cè)分析為一體的智能焊接系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化焊接技術(shù)的研究是當(dāng)前有待開發(fā)的一項(xiàng)重要應(yīng)用領(lǐng)域。