钛脊合金以优异的抗海水侵蚀能力(低速海水侵蚀速度≤7.6×10-7mm/a),以及较高的比强度和比刚度,被宽泛利用于船舶及海洋工程,被誉为“海洋金属”。同时,钛脊合金拥有优异的高温力学机能、抗委顿和抗蠕变机能,综合机能良好,也被宽泛用于航空航天、化工等领域,也被誉为“21世纪金属”“战术金属”[1]。
TA5(Ti-4Al-0.005B)合金是一种屈服强度≥560MPa的中等强度的α型钛合金,其重要合金成分为4wt%Al和0.005wt%B。与高强的双相TC4(Ti-6Al4V)合金相比,TA5塑性、冲击韧性方面机能良好,同时凭据两种合金的Mo当量及Al当量,TA5的焊接性越发优异。与工业纯钛相比,TA5有更优异的抗点侵蚀、抗空泡破损能力;因而,TA5以其良好的塑韧性、焊接性、耐蚀性[2-6]等机能和较高的强度,已被宽泛利用于海水、港口、海洋平台等海洋环境[2,7]。
激光焊接技术和电子束焊接技术均属于高能束焊接技术,对钛合金均有优良的工艺适应性。图1为常见焊接步骤熔池领域对比,可看出,电子束和激光焊接技术是现有焊接技术中能量密度最高的焊接步骤[8]。

电子束(electronbeam,EB)焊与激光(laserbeam,LB)焊在进行中等厚度以上焊接时均为“匙孔”焊,其根基道理如图2所示,均通过典型的焊接“匙孔”获得质量良好的焊接接头。

电子束焊接是在加快电压20~150kV下,将电子加快到光速的0.3~0.7倍,而后经过强聚焦后使能量荟萃,轰击被焊工件来实现焊接,如图3所示。
电子束的功率密度高达107W/cm2,当待焊接工件被加快后的电子束轰击时,瞬间产生极高的温度,足以使焊缝金属部门溶解和甚至汽化;同时,能量集中和部门高温使被加热的金属蒸发形成蒸汽空腔(匙孔),从而实现深熔“匙孔”焊接[6]。大功率激光焊接为“匙孔焊”时,极高的激光密度使得被焊部位产生汽化,形成致密的等离子体及金属蒸汽;并通过壁聚焦效应持续不休将能量传递到幼孔深处,以得到传统弧焊无法达到的“匙孔”,从而持续焊接。
固然电子束焊和激光焊均属于高能束焊接,但在能量密度、穿孔机理、幼孔不变性、焊接缺点形成机理等方面均有所分歧。对于钛合金,想要获得高质量的大深宽比焊缝,无论选取电子束焊还是激光焊,均优先选取“匙孔”焊接模式。但电子束在真空下焊接,其工件导热前提、熔池表表张力、气孔(空穴)等相比激光焊接均各有分歧。
现有钻研重要集中在单一焊接步骤的机能优化,不足对这两种焊接技术在钛合金焊接中的直接对比。本文将对激光焊接与电子束焊接机能进行对比钻研,通过深刻分析两者在焊接过程中所阐发的各项机能,为钛合金加工造作提供越发科学的焊接步骤,推动该领域技术的进一步发展。
1、试验资料及步骤
1.1试验资料
选用满足GB/T3621—2007的10mm厚TA5板材,试板规格为300mm×150mm×10mm,其化学成分见表1。其力学机能Rm≥685MPa、Rp0.2≥585MPa、A≥12%。

1.2焊接过程
电子束焊接设备选取150kV、60kW高压定枪电子束焊机。焊接时选取150kV电压、40mA束流,焊接速度1500mm/min。激光焊接选取20kW光纤激光器,焊接时使用11kW功率,焊接速度为1100mm/min。
1.3力学机能和无损检测
在型号为MTSE45.305-A的300kN资料试验机上进行拉伸试验,在型号为BHT5106的弯曲试验机上进行弯曲测试,试验过程切合GB/T228及CB/T4363划定。对焊后试板依照NB/T47013.2及NB/T47013.5进行射线检测和渗入检测。
2、试验了局与分析
2.1焊缝表表和截面描摹
两种焊接步骤焊后均得到成型良好的焊接试板,焊缝表观如图4所示?煽闯,两种焊接步骤焊缝正面宽度均为3.5~4.5mm。由于电子束焊和激光焊均没有填充金属,焊路两侧熔合线左近有轻微下凹(并非弧焊中的咬边)。焊缝背面比正面略窄,宽度3~4mm,均为典型“大深宽比”的单面焊双面成型描摹。同时,由于焊接过程温度梯度大,焊缝冷却快,形成了鱼鳞纹。电子束焊是在真空环境焊接,且其焊缝背面由于没有类似激光焊接的背部气体;,没有任何气体压力,其背部成型光滑度相比激光较差。同时,由于电子束焊接速度大于激光焊接速度,其焊缝正背面两侧相比激光有轻微部门咬边。对两试板依照NB/T47013.2及NB/T47013.5进行射线检测和渗入检测,射线检测满足Ⅱ级,渗入检测满足Ⅰ级要求。

2.2组织分析
图5显示了电子束焊及激光焊接接头微观金相。焊缝区(WZ)为锯齿状α并弥散点状β,锯齿状α中混合少量非平衡六方晶格马氏体α',马氏体常见截止在原始β晶界,大多时辰α'与针状α有时难以分辨。由于TA5合金险些没有β不变动元素,因而马氏体α'特点及描摹阐发并不显著;而近焊缝的扰装响区(HAZ)和近母材(BM)的HAZ均为锯齿状α+点状β[6]。

图6、7别离为电子束及激光焊焊接接头柱状晶区的焊缝区和扰装响区的EBSD图像(彩图见电子版,下同)D芄豢闯,两种焊接步骤,凝固时原始β柱状晶界清澈,而在柱状晶内部为十字交错的α+α'混合组织。由扰装响区EBSD能够看出,焊缝侧晶粒尺寸较大,呈锯齿状,而母材侧晶粒越发藐幼,更趋于等轴晶特点。两种焊接步骤焊缝区及扰装响区晶粒状态差距不大,均为典型的高能束焊接描摹。

由于高能束焊能量密度极高,对金属是一种急剧加热、冷却、凝固和结晶过程,会形成近似平行的大深宽比焊缝。对于被焊接资料,被溶解金属体积越幼,焊策应力和焊接变形则越幼。因而,从使用角度分析,高能束焊接质量往往优于必要开大角度坡口的弧焊。对焊接后的试板进行宏观金相观测,如图8所比的高能束焊缝描摹,深宽比均≥2∶1,两种接头的母材(BM)、扰装响区(HAZ)及焊缝区(WZ)及熔合线清澈,焊缝区域的晶粒取向清澈。

对比发现,电子束焊缝截面为险些平行的幼角度“倒梯形”截面,而激光焊接截面为典型的“束腰形”截面,造成这种了局原因在于焊接接头各区域的热量散布和温度梯度。首先电子束焊接能量密度大于激光焊,同时焊接速度也大于激光焊接,在焊接前进方向的温度梯度会大于激光焊接,易形成险些近似平行的极窄焊缝截面。若是进一步增长焊接板厚及电子束功率,将形成齐全平行的焊缝截面,这在好多钻研中已经得到印证[9]。进一步观察电子束焊缝晶粒取向,险些无指向焊缝中心的柱状晶。由于焊缝中心温度梯度最大,在焊缝上1/3处晶粒取向趋向于中心左袒焊缝表表,切合电子束焊缝特点。
大功率激光焊亦为“匙孔焊”,能较好地保障焊接质量。这是由于,钛合金焊接时,由于溶化在液态金属中的H原子在凝固时溶化度急剧降低,凝固的熔池不能溶化更多的H原子,将会以氢气分子大局析出,形成氢气孔。“匙孔焊”可能极大增长气孔逸出的天堑前提,降低气孔率。因而,大厚度钛合金等离子焊和激光焊均选取“匙孔焊”。
观察激光焊接截面,焊缝上部为椭圆形,可能看到显著的结晶柱状晶特点,由于焊缝表表温度梯度较大,出现向焊缝中心偏上的方向倾斜。焊缝中部由于温度梯度和散热限度出现柱状等轴晶特点。下部为三角形柱状晶区,整体组成典型的“束腰形”截面。
进一步观察焊缝区上部椭圆形柱状晶区,由于越靠近焊缝表表,温度梯度越大,随着温度梯度降低,一次结晶柱状晶方向趋于指向焊缝中心内部。而焊缝背面散热前提与正面类似,中心散热差,越靠近下表表散热越好,因而会形成一个藐幼等轴晶粒束腰区和下表表的柱状晶区。
2.3拉伸和弯曲机能
依照NB/T47014—2011对焊接试板进行拉伸试样、弯曲试样造样,依照GB/T228及CB/T4363进行力学机能测试,了局如表2、3所示,力学机能均可能满足尺度要求。

由表2、3可看出,电子束和激光焊接接头强度均超过尺度要求685MPa,接头合格。对每种焊接步骤拔取4个横向弯曲试样,尺寸为10mm×10mm×300mm,在d=10t、弯曲角度为90°的前提下进行侧弯试验,表表无任何大于3mm的可见裂纹,弯曲机能优良。
2.4焊接接头硬度散布
对两种接头依照GB/T4340进行HV5维氏硬度检测,如图9所示D芄豢吹,激光焊接与电子束焊接接头的焊缝区显微硬度均有所提高,这重要是焊缝中存在少量的针状马氏体α',由于显微硬度值α'>α>β相,因而焊缝区硬度变高。

对于激光焊,HAZ区域受到高温作用,晶粒长大,造成软化而硬度值降低;而电子束焊接HAZ区域硬杜纂母材硬度差距不大,满足有关尺度要求。
钛合金焊接易受N、H、O传染,温度超过400℃时,起头吸氧、吸氮、吸氢而产生增沉。在高于600℃时反映剧烈,使钛的机能恶化,产生的化合物使母材硬度提高而塑性显著降低,部门化合物也会影响冲击韧性。因而,《钛造焊接容器》释义及《船用钛合金焊接工艺要求》中也明确钛合金接头中焊缝及扰装响区硬度不宜显著高于母材。由图9能够看出,无论焊缝区还是扰装响区硬度均相比母材均为显著提升,并未出现由于焊接过程中氧化(重要为O和N)引起硬度异常景象。
2.5仿真了局分析
选取ABAQUS对两种焊接过程中的温度场及熔池描摹特点进行仿真,进而相识两种焊接步骤的瞬态热循环,量化热量传递过程,能够明确熔池形成过程与温度梯度散布,以及两种焊接步骤下扰装响区的散布特点。图10为本文所选取的热源模型,蕴含高斯旋转体热源、高斯面热源与锥体热源复合热源。
如图10(a)所示,为高斯面热源模型示意图,其推算公式如下:

式中:q(r)为能量密度;r为热源内肆意一点到热源中心的距离;R为热源有效作用半径;P为功率;η为热效能。
如图10(b)所示,为锥体热源模型示意图,其推算公式如下:

式中:q(r,z)为能量密度;r为热源内肆意一点到热源中心的距离;r0为热源最大作用半径;P为功率;η为热效能;H为热源总高度;re和ri别离为热源高低端的最大作用半径。
如图10(c)所示,为为高斯旋转体热源模型示意图,其推算公式如下:

式中:q(r)为能量密度;Cs为热源建改系数;H为热源有效深度;Q为有效热量;z为是深度方向变量。

选取结构化的六面体网格划分方式,焊缝左近选取近幼弘远的网格尺寸设计,选用的是DC3D8的八节点线性传热六面体单元。最幼单元尺寸为0.5mm×0.5mm×2mm。仿照中的初始温度设置为室温20℃。对于电子束焊接,属于真空环境,仅存在焊件表表辐射散热。辐射系数ε为0.8。推算参数如下:加快电压为150kV、电子束流为40mA、焊接速度为1.5m/minK伎加卓仔в拖质岛阜熳刺,通过高斯旋转体热源仿照电子束焊接过程,焊接热效能取为0.85[10-11]。焊接不变后温度场如图11所示。

选取同样前提,仿照激光焊接过程K伎嫉郊す馍钊酆附拥暮阜烀枘√氐,因而选取组合热源,通过高斯面热源与圆锥体热源的复合作用,使仿照了局与现实焊缝特点相吻合[10]。设定初始环境温度为25℃、环境辐射系数ε为0.85、对流换热系数h为16J/(m2·s-1·℃-1)、焊接热效能设置为0.8。同时仿照激光功率为11000W、焊接速度为1.1m/min。焊接不变后温度场及焊缝截面如图12所示。

由图12能够看出,仿真了局显示在焊接前进方向,电子束不变梯度远远高于激光焊接,加上电子束焊接工件向表界热传递远低于大气环境,因而极易形成极窄的大深宽比焊缝;而激光焊接固然相比弧焊能量密度极高,但由于吸收、散热、反射(羽辉)等成分影响,其熔池能量密度幼于电子束焊缝,因而在较大板厚时会形成“漏斗状”或“束腰状”焊缝截面。
3、结论
(1)对于TA5合金,电子束和激光焊均能实现2∶1大深宽比焊接,激光焊焊缝区截面为“束腰”描摹,而电子束焊缝区为典型的“I”描摹。通过ABAQUS仿真,印证了两种焊接步骤焊缝截面状态的差距。
(2)TA5合金电子束和激光焊焊接接头强度相比,激光焊接头强度更高,两种焊接步骤焊接接头机能优良。
(3)两种焊缝区柱状晶区显著,焊缝区重要为锯齿状α并弥散点状β。而在柱状晶内部为十字交错α+α'混合组织。
(4)电子束和激光焊焊接接头硬度检测批注,均为焊缝区硬度略有升高,激光焊HAZ区域略有降低。
参考文件:
[1]王建忠,敖庆波,荆鹏,等.多孔钛的造备及利用[J].罕见金属资料与工程,2022,51(5):1907-1918.
[2];,廖志谦,王向东.海洋工程钛金属资料[M].北京:化学工业出版社,2016.
[3]李亚江.轻质资料焊接[M].北京:化学工业出版社,2019.
[4]何书林,冯永琦,王永强,等.TA5钛合金组织对锻件机能的影响[J].金属学报,2002,38(z1):204-205.
[5]刘守义,王有君,耿涛,等.钛合金MIG焊接头组织机能[J].大连交通大学学报,2018,39(3):86-88.
[6]雷幼伟,刘甲,余巍,等.TA5钛合金万瓦光纤激光焊接工艺钻研[J].罕见金属资料与工程,2024,53(2):417-423.
[7]黄先明,谢文龙,王瑞琴,等.海洋工程用TA5-A钛合金中厚板材钻研[J].热加工工艺,2017,46(5):163-165.
[8]陈利阳,雷幼伟,殷亚运,等.CuNi90/10合金电子束焊接工艺钻研[J].资料开发与利用,2023,38(4):92-97.
[9]高奇,蒋鹏,耿永亮,等.Ti-6321大厚度钛合金电子束焊接接头组织及机能[J].罕见金属资料与工程,2020,49(3):990-996.
[10]季齐宝,王文焱,张帅锋,等.TA2工业纯钛激光焊接的数值仿照分析[J].激光与光电子学进展,2022,59(17):274-281.
[11]邢飞,孙海江,刘伟军,等.氧含量对激光定向能量沉积Ti-6Al4V钛合金组织和机能的影响[J].热加工工艺,2024,53(2):88-93
有关链接
- 2024-09-14 轧造工艺对TA5钛合金薄板组织与机能的影响
- 2024-06-11 铸造温度对TA5-A钛合金棒组织及机能的影响
- 2024-01-20 成形及退火温度对舰船用TA5钛合金棒显微组织和力学机能的影响
- 2024-01-10 海洋工程舰船用TA5钛合金板材工艺对显微组织和力学机能的影响
- 2023-09-13 定造船舶航空用TC4钛合金棒 TA5钛合金板 钛合金锻件 库存充足
- 2023-08-25 现货供给深海船舶用钛合金板 钛合金丝 钛合金锻件 规格齐全 批量价优
- 2023-07-08 Betway必威金属热销TA15钛板 钛合金板 钛锻件 材质保障
- 2023-05-07 热销航空舰船用TA5钛合金板 钛合金丝 钛合金锻件 规格齐全 厂家直供
- 2023-04-06 航空船舶用TA5钛合金棒钛板的个性
- 2021-10-15 Ti80/TA5/TiB19钛合金资料在船舶建造耐压壳体中的利用特点
