TA2鈦管憑借輕質(zhì)、高強度、耐高溫、耐腐蝕等特性，已成為長征系列運載火箭燃料管路、深海探測器耐壓艙體的核心構(gòu)件。據(jù)統(tǒng)計[1]，2023年我國鈦焊管產(chǎn)量達(dá)到7000t，且高端應(yīng)用領(lǐng)域的鈦焊管仍依賴進(jìn)口。這一現(xiàn)狀促使國內(nèi)學(xué)者對鈦及鈦合金焊接工藝展開深入研究，通過采用不同焊接方法探索提升鈦管焊接質(zhì)量的可行路徑。
攪拌摩擦焊（FSW）是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭摩擦生熱，使材料塑化并連接的固態(tài)焊接技術(shù)。黃永德等人[2]使用帶有AlCrN涂層的攪拌頭焊接TC4鈦合金，焊接頭抗拉強度為1041.30MPa，達(dá)到母材強度的95%以上。王欣等人[3]采用FSW焊接TC11鈦合金，發(fā)現(xiàn)在適宜的攪拌頭轉(zhuǎn)速下，攪拌區(qū)的抗拉強度（1403~1433MPa）可超過母材。Li等人[4]對Ti-6Al-4V合金進(jìn)行FSW焊接，焊接頭顯微硬度呈U型分布，且焊縫硬度低于母材。Edwards等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，通過控制FSW的熱循環(huán)（溫度低于β相變點）可獲得強度高于母材的焊接頭[14]
。李博等人[6]通過工藝優(yōu)化，在攪拌區(qū)實現(xiàn)了完全α/β相變，獲得α+β雙態(tài)組織，其平均硬度（360HV）顯著高于母材，主要強化機(jī)制為細(xì)晶強化與復(fù)相強化。
鎢極氬弧焊（TIG）是一種使用惰性氣體氬氣作為保護(hù)氣體的氣電保護(hù)焊焊接方法，工藝成熟且適用性廣。康登等人[7]采用TIG焊接薄壁鈦管，接頭抗拉強度達(dá)到430MPa，斷后伸長率為25%，表現(xiàn)出良好的強塑性匹配。陳元園等人[8]采用氬弧焊焊接TA2鈦板，焊縫最高顯微硬度約為195HV。鄭成博等人[9]采用氬弧焊焊接工業(yè)純鈦，發(fā)現(xiàn)焊縫與熱影響區(qū)主要由粗大鋸齒狀α相組成，焊縫中心顯微硬度達(dá)147.2HV。蘇允海等人[10]采用氬弧焊焊接5mm厚的TA2板材，接頭抗拉強度為598.3MPa，并保持了較高的塑性（斷后伸長率為26.7%，斷面收縮率為38.5%）。孫建剛等人[11]采用氬弧焊焊接TC4鈦合金板材，獲得了無缺陷焊接頭，其平均抗拉強度為924MPa，與母材相當(dāng)，且沖擊功提升至母材1.5倍以上，實現(xiàn)了強度與韌性的良好匹配。
高頻感應(yīng)焊（HFIW）是利用高頻電流在工件表層產(chǎn)生渦流發(fā)熱，經(jīng)加壓實現(xiàn)焊接的方法，該技術(shù)尤其適用于薄壁構(gòu)件。陳琪等人[12]采用HFIW焊接0.5mm厚的TA2鈦管，焊接頭抗拉強度為446.8MPa，顯微硬度呈“M”形對稱分布（兩側(cè)熱影響區(qū)最高，焊縫中心最低）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)[13]，經(jīng)800℃退火處理后，接頭組織由鋸齒狀/針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，硬度分布更均勻，且斷口呈現(xiàn)韌性特征，表明退火處理有效改善了焊接頭的均勻性與韌性。李偉杰等人[14]采用HFIW焊接TA1薄壁鈦管，發(fā)現(xiàn)焊縫和熱影響區(qū)組織主要為粗大的鋸齒狀α相及少量針狀α相。此外，李萬強[15]采用B-Ti57CuZrNi-S釬料高頻感應(yīng)釬焊TC6/TC11，釬焊界面形成β-Ti固溶體及多種金屬間化合物，焊接頭強度最高可達(dá)433MPa，但其性能受工藝參數(shù)影響顯著。
激光焊（LBW）是利用高能量密度激光束熔化金屬實現(xiàn)焊接，其能量密度高，易于獲得高硬度焊縫。陳高澎等人[16]采用LBW焊接10mm厚的TA5鈦板，接頭平均抗拉強度為783MPa，硬度呈“馬鞍形”分布（焊縫最高）。程東海等人[17]研究了0.8mm厚TC4鈦合金的LBW，結(jié)果表明，焊縫區(qū)為網(wǎng)狀α相，抗拉強度約995MPa，略低于母材。Kashaev等人[18-19]采用LBW焊接TC4鈦合金，在優(yōu)化工藝參數(shù)下焊縫整體形成α'馬氏體，其產(chǎn)生的相變強化效應(yīng)使得焊接頭硬度均勻且顯著高于母材。李興宇[20]對TA2鈦板的LBW研究表明，焊縫為晶粒粗大的鋸齒狀α相（內(nèi)含針狀α'相），焊縫中心硬度最高（>170HV），體現(xiàn)了LBW快速硬化的特點。
綜上可見，F(xiàn)SW、TIG、HFIW和LBW4種焊接方法均可用于鈦及鈦合金板、棒的連接，且各有特色，但在鈦管焊接的特定領(lǐng)域，其工藝適用性與性能影響規(guī)律尚不明確。為此，本研究采用上述4種方法焊接TA2鈦管，重點研究不同焊接方法對焊管組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過對比分析各工藝下焊縫形貌、組織特征、力學(xué)性能等方面的差異，旨在明確不同焊接方法的技術(shù)特點與適用條件，為不同使用要求的鈦管選擇更適宜的焊接工藝提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐，從而推動鈦管的焊接工藝優(yōu)化與應(yīng)用拓展。
1、實驗
實驗材料為1.5mm厚的TA2鈦板，其化學(xué)成分見表1，微觀組織見圖1。從圖1可以看出，TA2母材組織由等軸α相組成，晶粒尺寸約為40μm，且晶粒分布較為均勻，排布緊密，晶界清晰。
表1 TA2鈦板化學(xué)成分(w/%)
Table 1 Chemical composition of TA2 titanium plate
| Fe | C | N | H | O | Ti |
| 0.30 | 0.08 0.08 | 0.03 | 0.015 | 0.25 | Bal. |
將TA2鈦板表面清洗干凈，用三輥卷板機(jī)將兩端預(yù)彎，分次卷圓:每次壓下量<20%板厚，速度為2~5m/min，預(yù)留5~8°過卷角，圓管外徑30mm。焊前用砂紙去除表面氧化層，隨后用丙酮、無水乙醇超聲清洗10min，取出干燥。采用FSW、TIG、HFIW和LBW4種方法焊接管材，制備出?30mmx1.5mm TA2鈦管。圖2為4種不同焊接方法原理示意圖，表2為4種不同焊接方法的工藝參數(shù)及特點。
采用HV-120型顯微維氏硬度計測定TA2焊管焊縫區(qū)的顯微硬度，測試壓力為0.49N，保壓時間為20s。每個試樣測量5個點，取平均值作為實驗結(jié)果。采用XRD-7000型X射線衍射儀(XRD)表征焊縫處的物相組成，靶材為Cu-Ka，掃描速度2.00°/min，工作電流40mA，加速電壓40kV，掃描角度20°~90°。金相試樣用 H2O+HNO3+HCl+HF腐蝕劑(體積比為95:2.5:1.5:1)腐蝕，采用OLYMPUS-GX71型金相顯微鏡觀察顯微組織，同時用ImageJ軟件測量晶粒尺寸。參照GB/T6400-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剪切試驗，采用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察剪切斷口形貌。
表2 不同焊接方法工藝參數(shù)及特點
Table 2 Parameters and characteristics of different welding methods
| Welding method | Equipment type | Process parameters | Shielding atmosphere | Advantages | Disadvantages |
| FSW | FSW-3LM-003 FSW Machine | Tool WC-Co alloy; Shoulder?15 mm; Pin 1.8 mm; Rotation 800-1000 r/min; Traverse 60-100 mm/min; Tilt 2°; Plunge 0.15 mm | Ar (>99.999%) | Fine microstructure, high strength, no fusion defects | Expensive equipment, limited to simple structures, parameter-sensitive |
| TIG | PTA-400 Plasma Arc Welder | Current 90-110 A(DCEN); Voltage 12-14 V; Speed 60-80 mm/min; Arc length 2-3 mm | Ar (>99.999%) | Low cost, mature process, excellent protection | Large HAZ, coarse microstructure, significant distortion |
| HFIW | HFRW-50 HF Welder | Frequency 300-350 kHz; Power 120-150 kW;Speed 1.2-1.5 m/min; Force 3.5-4.5 kN; V-angle 4°-6° | Ar (>99.999%) | High efficiency, energy-saving, suitable for continuous thin-wall production | Coarse microstructure, relatively low strength, narrow applicability |
| LBW | IPG-YLS-6000 Fiber Laser | Wavelength 1070 nm; Power 2.5- 3.5 kW; Spot 0.3 mm; Speed 1.8- 2.4 m/min; Defocus+1 mm | He (>99.999%) | Precise heat input, minimal distortion, high depth-to-width ratio | Expensive equipment, porosity sensitivity, stringent assembly requirements |
2、結(jié)果與分析
2.1宏觀照片
圖3為不同方法焊接的TA2鈦管宏觀照片。從圖3a可以看出，采用FSW，焊接開始時壓力不足，導(dǎo)致初始焊縫(方框所示)未焊透且表面粗糙;隨著壓力的增加，后續(xù)焊縫表面光滑，魚鱗紋平整，毛邊飛刺少，質(zhì)量良好，但因摩擦升溫過高導(dǎo)致焊縫表面呈淡金色。從圖3b可以看出，TIG焊縫表面呈現(xiàn)灰黑色，是由于保護(hù)氣氛不足導(dǎo)致部分氧化。從圖3c可以看出，HFIW焊縫熔合充分，焊道筆直均勻，成形良好，但存在肉眼可見的氧化、起皮缺陷。從圖3d可以看出，LBW焊縫較窄，且表面光亮、均勻，未見明顯缺陷，同時其周圍母材顏色未發(fā)生明顯變化，表明熱影響區(qū)相較其他焊接方法更窄，惰性氣體保護(hù)效果良好。
2.2 XRD
圖4為不同方法焊接TA2鈦管焊縫處的XRD譜圖。從圖4可以看出，F(xiàn)SW焊縫處主要為α相(因固相焊接峰值溫度低于β相變點，故無β相)。另外在圖譜中可觀察到衍射峰向左偏移 0.5 °，這與FSW焊接過程中材料發(fā)生晶格畸變有關(guān)[21]。當(dāng)焊接時攪拌頭對材料施加宏觀壓應(yīng)力，晶格會發(fā)生收縮，導(dǎo)致衍射峰向左偏移。TIG焊縫同時存在 α相和β相。在TIG焊接過程中，熔池加熱形成β相，冷卻發(fā)生β → α相變。理論上TIG冷卻速度最小，達(dá)到平衡相變最慢，但TA2中微量雜質(zhì)元素(如Fe)在慢冷條件下發(fā)生擴(kuò)散偏聚，局部形成亞穩(wěn)β相 [22]。HFIW焊縫主要為 α相，另有少量 α ′馬氏體。這是由于HFIW冷卻速度較快，β相不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵糠洲D(zhuǎn)變?yōu)棣?#39;馬氏體。α'馬氏體與α相均為密排六方結(jié)構(gòu)，峰位重疊。此外，還可觀察到微弱的TiO2衍射峰，說明焊接過程中可能發(fā)生了輕微程度的氧化，主要是由于停止加熱后保護(hù)氣氛不足所致。LBW焊縫主要為 α ′馬氏體(與 α相衍射峰重疊)，另有少量β相。高能激光使熔池迅速升溫，母材 α相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵S后極快冷卻發(fā)生β→ α ′相變，但部分β相由于冷速太快，α'馬氏體相變被中途抑制，殘留部分未轉(zhuǎn)變 β相。
2.3金相組織
圖5為FSW焊接TA2鈦管不同區(qū)域的金相照片。從圖5a可以看出，焊縫區(qū)(WZ)晶粒細(xì)小致密，是由于在攪拌過程中，一方面母材晶粒被攪拌針破碎變成細(xì)小晶粒，另一方面攪拌針附近的溫度遠(yuǎn)高于再結(jié)晶溫度，部分晶粒發(fā)生再結(jié)晶，并且此過程時間短暫，被破碎的晶粒和再結(jié)晶的晶粒來不及長大，從而使得攪拌區(qū)晶粒細(xì)密，尺寸在20μm左右。從圖5b可以看出，熱影響區(qū)(HAZ)因攪拌針熱量傳導(dǎo)導(dǎo)致晶粒較母材明顯長大且不均勻。該區(qū)域位于軸肩邊緣下方，晶粒已開始破碎但未受攪拌針直接作用，故不如焊縫區(qū)晶粒均勻細(xì)小。隨著距焊縫中心距離的增大，晶粒直徑呈增大趨勢。這種晶粒尺寸的變化規(guī)律與張樂等人[23]對TA2薄板FSW焊接頭晶粒尺寸的研究結(jié)果一致。
圖6為TIG焊接TA2鈦管不同區(qū)域的金相照片。從圖6a可以看出，WZ分布有較大的不規(guī)則鋸齒狀α相，晶粒尺寸在120μm左右。在a晶內(nèi)，可觀察到析出的點狀β相，這是因為Fe、O等元素在慢冷過程中有足夠時間擴(kuò)散，并在晶格缺陷(如位錯、晶界)或成分起伏區(qū)域富集，形成納米尺度的溶質(zhì)原子團(tuán)簇，從而在a基體中形成亞穩(wěn)β相顆粒。從圖6b可以看出，HAZ晶粒粗大，遠(yuǎn)大于母材晶粒尺寸。這主要是由于焊接過程中，受到焊接熱循環(huán)的影響，HAZ晶粒長大所致。
圖7為HFIW焊接TA2鈦管不同區(qū)域的金相照片。圖7中可觀察到一些黑色小圓點，可能是由于焊接過程中保護(hù)不良出現(xiàn)的夾雜物。從圖7a可以看出，WZ組織由均勻的等軸晶(晶粒尺寸約30μm)及其周圍較大的柱狀α相組成。焊接過程中，在高溫停留時間較長的情況下，焊縫中心晶粒會因冷卻速度較快而形成細(xì)小的等軸晶，而靠近熔合線的區(qū)域由于溫度梯度較大，晶粒則沿與熔合線垂直的方向生長，形成粗大的柱狀晶。張敏等人[24]對Ti45A1合金感應(yīng)焊接模擬時也發(fā)現(xiàn)了類似情況。從圖7b可以看出，HAZ因受熱循環(huán)影響，晶粒尺寸明顯大于母材，并形成針狀α'馬氏體。
圖8為LBW焊接TA2鈦管不同區(qū)域的金相照片。圖8中也可觀察到一些較大的氣孔缺陷。氣孔的形成與焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)，如激光功率、焊接速度和材料厚度等，這些因素會影響熔池的形成和熱流體流動，從而導(dǎo)致形成氣孔[25]。從圖8a可以看出，WZ組織主要由細(xì)小的針狀 α ′馬氏體構(gòu)成。這是由于LBW能量密度大，熱作用時間短，在冷卻過程中焊接組織來不及通過擴(kuò)散轉(zhuǎn)變成平衡的α相，因此形成細(xì)小的針狀α ′馬氏體[26]。從圖8b可以看出，HAZ以板條狀 α ′馬氏體為主。這是由于HAZ溫度較高，α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵S后在母材影響下快速冷卻，使β相沿晶體學(xué)方向有序生長，最終形成排列規(guī)則的板條狀 α'馬氏體 [27]。在圖4所示XRD譜圖中，同樣可觀察到主衍射峰為 α ′馬氏體。
2.4斷口形貌
圖9為不同方法焊接TA2鈦管剪切斷口的SEM形貌。從圖9a可以看出，F(xiàn)SW斷口分層，有兩條平直銳利的裂紋，呈典型層間裂紋特征;從圖9b可以看出，F(xiàn)SW斷口上存在清晰的撕裂棱、少量韌窩和冰糖狀形貌，表明材料斷裂模式為準(zhǔn)解理與沿晶斷裂的混合模式[28]。從圖9c可以看出，TIG斷口表面凹凸不平，存在明顯的撕裂棱，左下角可見放射狀裂紋擴(kuò)展痕跡，源于局部解理;從圖9d可以看出，TIG斷口上存在由放射狀撕裂棱圍成的扇形區(qū)域，邊界有明顯的撕裂棱，且扇形區(qū)域內(nèi)存在韌窩。韌窩底部可觀察到細(xì)小的第二相粒子，這可能是前文中提到的TIG焊接因保護(hù)不足而產(chǎn)生的氧化物或點狀β相。斷口存在扇形解理面和韌窩，表明斷裂模式為準(zhǔn)解理斷裂。從圖9e可以看出，HFIW斷口呈平行定向排列的條狀結(jié)構(gòu)，表面光滑銳利，這是因焊接過程保護(hù)不足生成的脆性氧化膜分層剝離所致[29]。從圖9f可以看出，HFIW斷口以連續(xù)的解理面為主，其呈大片平坦平臺，表面光滑無塑性變形痕跡，為典型的解理斷裂。從圖9g可以看出，LBW斷口整體較為平坦，無明顯宏觀塑性變形特征，局部區(qū)域呈類似臺階的形貌。從圖9h可以看出，LBW斷口由多個局部解理小面構(gòu)成，相鄰小面之間通過塑性撕裂形成的撕裂棱相連接;在解理面周圍觀察到少量韌窩。這種局部解理小面、撕裂棱與韌窩共存的特征，表明斷裂是以脆性解理為主，伴隨局部塑性變形的準(zhǔn)解理模式。該斷口與TC4鈦合金LBW焊接頭的斷口形貌類似[30]。
2.5顯微硬度
圖10為不同方法焊接TA2鈦管焊接頭顯微硬度分布曲線。TA2鈦管母材的顯微硬度為150~170HV。從圖10可以看出，F(xiàn)SW焊接頭顯微硬度呈“W”形分布，焊縫處顯微硬度最高(176.8HV)，HAZ顯微硬度最低(約為150HV)。這是由于在攪拌頭的攪拌作用下，WZ晶粒發(fā)生細(xì)化和加工硬化，造成顯微硬度增大，而HAZ受熱發(fā)生了晶粒長大，造成顯微硬度降低。TIG焊接頭的WZ顯微硬度最大，為171.0HV，高于HAZ及母材區(qū)域的顯微硬度。這是由于焊縫中心形成的點狀納米β顆粒產(chǎn)生彌散強化作用，并能釘扎位錯，從而提高了焊縫硬度。母材區(qū)域的顯微硬度最低，焊接頭最大顯微硬度值與最小顯微硬度值的差值僅為19.4HV。HFIW焊接頭顯微硬度呈“M”形分布，即焊縫中心顯微硬度最低，僅有166.5HV，兩側(cè)HAZ顯微硬度最高。這是由于WZ為較軟的等軸α相，HAZ形成的針狀α'馬氏體產(chǎn)生強化效應(yīng)[31]，使硬度顯著高于母材。LBW焊接頭顯微硬度由焊縫中心向母材大致呈下降趨勢，WZ顯微硬度最高，達(dá)到204.7HV，其次是HAZ，母材的顯微硬度最低。由于激光熱輸入集中，能量密度高，且熔池小，因而冷卻速度快，抑制了β→α相變，使WZ形成高密度針狀α'馬氏體。該過程引入了較高的位錯密度，增大了晶格畸變，使得焊縫顯微硬度明顯高于母材。HAZ形成板條狀α'馬氏體，因板條間可協(xié)調(diào)變形[32]，顯微硬度有所降低。
以上研究表明，若追求超高顯微硬度，可優(yōu)先考慮LBW;若追求高冶金質(zhì)量(低缺陷)與良好綜合性能，推薦選擇FSW;若需控制成本，可選擇HFIW，但在此情況下需加強焊接保護(hù)措施。
3、結(jié)論
(1)FSW焊接TA2鈦管，焊縫成形良好，表面平整無缺陷。焊縫處為細(xì)小的等軸α相，焊縫中心顯微硬度最高，為176.8HV。熱影響區(qū)晶粒出現(xiàn)粗化，顯微硬度約為150HV。剪切斷口呈準(zhǔn)解理斷裂與沿晶斷裂的混合斷口形貌。
(2)TIG可實現(xiàn)TA2鈦管焊接，但焊縫表面氧化，呈灰黑色，焊縫處為粗大鋸齒狀α相和點狀β相，顯微硬度為171.0HV，熱影響區(qū)晶粒粗化，剪切斷口呈準(zhǔn)解理斷裂。
(3)HFIW焊縫表面存在氧化與起皮缺陷，焊縫處為等軸α相，焊縫中心顯微硬度最低，熱影響區(qū)為針狀 α ′馬氏體，顯微硬度最高，剪切斷口呈解理斷裂。
(4)LBW可實現(xiàn)TA2鈦管的高質(zhì)量焊接，獲得銀白色、光滑、無氧化的窄焊縫。焊縫處為細(xì)針狀 α ′馬氏體+殘余β相，顯微硬度為204.7HV，熱影響區(qū)為板條狀α'馬氏體，剪切斷口呈準(zhǔn)解理斷裂。
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（注，原文標(biāo)題：不同方法焊接TA2鈦管的組織與性能_劉子健）
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