关于采用高功率真空激光束焊接制备的厚板Ti6321钛合金微观结构演变及其力学性能衰减机制的研究

《Materials Science and Engineering: A》：Study on microstructure evolution and mechanical properties weakening mechanism of thick-plate Ti6321 titanium alloy fabricated by high-power vacuum laser beam welding

真空激光焊接厚板钛合金Ti6321的焊接形貌、微观结构演变及力学性能研究，成功获得X射线一级评定的50mm对接接头，揭示了真空环境对焊接质量的影响机制及力学性能分布规律，为工程应用提供理论支撑。

　　

张帅峰|郑振丹|李帅奇|徐亚丽|陈家明|田鹏飞|吴少杰|张凡星|郝健|朱玉辉|廖志谦|程方杰

中国洛阳，471023，国家海洋腐蚀与防护重点实验室

摘要

为了促进高功率真空激光束焊接（VLBW）在海洋工程用厚板钛合金结构部件中的应用，本研究系统地研究了焊接成形、微观结构演变和力学性能。在10 Pa的真空度和16 kW的激光功率下，成功实现了达到X射线无损检测I级的50毫米对接接头。由于真空环境中板材表面和核心之间的热循环均匀性，上V形区和下I形区之间的微观结构特征和力学性能表现出优异的均匀性。基材（BM）呈现出由等轴初生α（α_p）、层状次生α（α_s）和残余β（β_r）组成的双峰结构。热影响区（HAZ）中出现了具有断裂晶界的α_g、针状马氏体α（α’）、连续分布的α_GB和β_r。焊接金属（WM）中则含有α’、α_GB和β_r。通过原位EBSD拉伸试验，发现WM中的微裂纹形成机制是由于相邻α’之间的几何不匹配以及晶界处的高KAM值所致。WM的强度、延展性、硬度和冲击韧性分别为BM的112%、64%、114%和94%。HAZ的冲击韧性（40.3 J）低于WM（45.0 J）和BM（47.7 J），这归因于α_g的裂纹止裂能力较弱。本研究为VLBW-Ti6321的实际制造过程及其后续性能控制提供了坚实的理论支持。

引言

钛合金具有优异的综合性性能，包括低密度、高强度和出色的耐腐蚀性，因此被广泛应用于航空航天、汽车和海洋工程[1]、[2]。随着使用要求的不断提高，钛合金部件正朝着大尺寸和厚板方向发展[3]、[4]。大尺寸厚板钛合金结构部件需要焊接以实现可靠的连接，而焊接质量是影响这些部件使用寿命的关键因素[5]、[6]。常见的厚板钛合金焊接方法包括气体钨极氩弧焊（GTAW）、真空电子束焊（VEBW）和激光束焊（LBW）。

GTAW使用电弧作为保护气体环境中的热源，在低电流下可实现稳定的焊接过程，并能在钨电极和填充丝非同轴组合的情况下抑制飞溅[7]。熊等人[8]使用传统的手动GTAW焊接了12毫米厚的Ti6321合金，其HAZ具有针状α’和连续分布的α_GB，冲击韧性低于基材（BM）和焊接金属（WM）。丁等人[9]使用磁控窄间隙GTAW减少了焊接次数，成功焊接了30毫米厚的Ti6321合金，焊接金属具有粗大的β柱状晶体和晶内篮状结构，接头强度达到BM的95%。崔等人[10]使用高穿透力的keyhole GTAW焊接了12毫米厚的TC4合金，在2.30-2.62 kJ/mm的热输入下实现了单次穿透，强度和冲击韧性满足使用要求。然而，由于钨电极的电流承载能力较低，以及低热输入下的熔合缺陷问题，GTAW在大尺寸厚板钛合金结构部件中的应用受到限制[7]、[11]。

VEBW在真空环境中使用电子束作为热源，无需开槽即可实现单次穿透，并能防止杂质污染[12]、[13]。卢等人[14]使用VEBW焊接了50毫米厚的TC4合金，α’和β柱状晶体的晶粒尺寸随焊接深度的增加而逐渐减小，从而使得强度和硬度逐渐增加，延展性逐渐降低。傅等人[15]通过电子束振动抑制微观结构不均匀性，焊接了60毫米厚的Ti6211合金，焊接金属具有针状α’，并且沿焊接深度方向表现出均匀性。但由于高真空要求（10^-5-10^-3 Pa）的高成本以及大型重型焊接枪的轨迹访问性差，VEBW在大尺寸厚板钛合金结构部件中的应用也受到限制[16]、[17]。

激光束焊（LBW）在保护气体环境或真空环境中使用激光束作为热源，因其高能量密度、窄热影响区（HAZ）和最小的焊接变形等优点，成为大尺寸厚板钛合金结构部件的首选焊接方法[18]。传统的LBW是在大气环境中进行的，激光束照射工件时会产生等离子体羽流，且激光功率越大，等离子体羽流越强烈[19]，导致难以实现厚板钛合金的深度穿透[20]。尽管侧吹可以抑制等离子体羽流，但在高功率LBW下的效果有限[21]。此外，高功率LBW下keyhole不稳定，容易产生飞溅、气孔、凹陷根部等成形缺陷[22]，因此传统LBW仅适用于厚度小于10毫米的薄板钛合金。

为了增加穿透深度和减少成形缺陷，大阪大学于1985年提出了真空激光束焊（VLBW）[23]、[24]。VLBW在低真空环境下进行，可以有效抑制等离子体羽流并提高keyhole稳定性[19]、[25]。随着超高压光纤激光器的快速发展，VLBW受到了越来越多的关注，已有大量关于钢材、铝合金和铜合金的研究。Krichel等人[26]报道，使用40 kW激光功率对S355JR钢进行VLBW时，可实现115毫米的超深穿透而不会产生缺陷。王等人[27]报道，使用30 kW激光功率对5A06铝合金进行VLBW时，仅需两次焊接即可获得130毫米的对接接头且无气孔。Reisgen等人[28]报道，使用12 kW激光功率对Cu-ETP铜合金进行VLBW时，可以提高keyhole稳定性，减少等离子体羽流并降低气孔率，有效改善焊接质量。近年来，关于钛合金的VLBW研究较少。李等人[17]报道，使用6 kW激光功率对Ti-6Al-4V进行VLBW时，可实现16毫米的深穿透，是大气环境下的1.5倍。Elmer等人[29]报道，使用6 kW激光功率对Ti-6Al-4V进行VLBW时，可以获得深度与宽度比为17:1、穿透深度为20毫米的接头。Lee等人[20]报道，在使用1 kW激光功率的VLBW中，与氩气保护相比，氦气保护能更好地抑制等离子体羽流和氧化。这些研究均证明了VLBW在增加穿透深度和减少成形缺陷方面的有效性。

目前，VLBW是实现船舶制造和海洋工程中厚板钛合金高效高质量焊接的首选技术之一，但复杂的工作条件对钛合金焊接接头的性能提出了严格要求。然而，现有研究主要集中在低功率VLBW（<10 kW）的工艺优化上，这不足以支持VLBW在船舶制造和海洋工程中厚板钛合金结构部件的应用。这种不足主要体现在两个方面：一方面，关于工艺参数对焊接成形影响的研究不足，难以建立可行的工艺窗口，从而阻碍了无缺陷接头的实现；另一方面，接头微观结构演变、微裂纹形成机制和力学性能仍不清楚。

在本研究中，成功实现了50毫米厚板Ti6321钛合金的高功率VLBW，焊接接头达到了X射线无损检测的I级，并观察到沿厚度方向的微观结构和性能的优异均匀性。通过实验和模拟相结合，研究了不同热循环下的微观结构演变。利用原位EBSD拉伸试验研究了微裂纹形成机制，并系统地研究了力学性能。本研究为大型厚板钛合金结构部件的高功率VLBW提供了坚实的实验基础。

焊接工艺

基材（BM）为Ti6321，这是一种为大型深海设备应用开发的具有中等强度和高韧性的近α钛合金。Ti6321的名义元素浓度为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo（重量百分比），测量得到的元素浓度见表1。Ti6321的制造工艺包括轧制+热处理，厚度为50毫米。

VLBW平台的示意图分别见图1a。VLBW平台包括真空系统

焊接成形

图4a显示了真空度对焊接截面宏观结构和相应穿透深度/焊接宽度的影响。结果表明，随着真空度的增加，接头的穿透深度逐渐增加，焊接宽度逐渐减小。具体来说，在低真空度（3000 Pa）下，焊接截面的穿透深度为16.8毫米，焊接宽度为15.1毫米。

结论

本研究系统地阐明了厚板Ti6321钛合金高功率VLBW的焊接成形、微观结构演变和力学性能。成功实现了50毫米全穿透且无气孔缺陷的对接接头，并系统讨论了沿厚度方向和横向的微观结构演变机制，以及作为接头冲击韧性薄弱区的HAZ的形成机制

作者贡献声明

李帅奇：可视化处理。徐亚丽：数据验证。陈家明：实验研究、数据管理。朱玉辉：实验研究。廖志谦：项目管理、资金获取、数据分析。张帅峰：实验研究、资金获取、数据分析、概念构思。程方杰：数据验证、监督、资金获取、概念构思。郑振丹：初稿撰写、可视化处理、实验研究、数据分析、概念构思。田鹏飞：实验研究

数据可用性

由于国防计划协议，支持本研究的原始数据受保密限制，不能公开。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本项目得到了国防工业技术开发计划（授权号：JCKY2023206A002）和天津市自然科学基金（授权号：23JCZDJC01130）的支持。