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因?yàn)殁伜辖鹁邆浔葟?qiáng)度高的特性甘井子鉚焊廠，具有耐腐蝕的性能，全無磁性，靠著這些點(diǎn)，在越來越多的行業(yè)之中，興起了“鈦代鋼”這樣一種技術(shù)革命。隨著鈦合金構(gòu)件朝著大型化發(fā)展，朝著復(fù)雜化方向所發(fā)展，焊接身為一種高效連接方式，已然變成鈦合金制造少不了的手段，由此越發(fā)受到重視。
一是TC4屬于被應(yīng)用得最為廣泛的鈦合金所屬類別里的其中一些鈦合金，它是作為雙相鈦合金當(dāng)中的α加β形式存在的，其焊接方面的性能是良好的，它有著密度比較低這樣子的特性，還有憑借比強(qiáng)度比較高以及高溫性能表現(xiàn)良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域、武器裝備領(lǐng)域等地方。二是當(dāng)前這一現(xiàn)實(shí)狀況下，針對TC4鈦合金材料而言，各種焊接方法所獲取到的接頭性能的系統(tǒng)研究是還很少被報道出來的。本研究處于弧焊工藝條件下，分析了TC4鈦合金的焊接性及接頭性能，為設(shè)計者全面掌握TC4鈦合金焊接性能時，也處于束焊工藝條件之下做相關(guān)工作，還處于電阻焊工藝條件之中進(jìn)行相關(guān)事宜，從而為選擇更適合的焊接方法以及合理的接頭型式，進(jìn)而改善焊接應(yīng)力分布、做好優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)等方面的工作，提供技術(shù)支撐 。
1、TC4鈦合金焊接性分析
從表1和表2中， TC4鈦合金的化學(xué)成分以及力學(xué)性能得以呈現(xiàn)。當(dāng)處于焊接狀態(tài)時是TC4鈦合金，鑒于其化學(xué)活性極大，于高溫之際，這種合金極易被空氣、水分、油脂等給污染，進(jìn)而吸收氣體雜質(zhì)，最終形成氣孔，致使接頭的塑性以及韌性出現(xiàn)顯著的下降；與此同時車床，因?yàn)閷?dǎo)熱性不良，焊接接頭容易出現(xiàn)晶粒粗大的狀況，從而引發(fā)接頭塑性下降；在氫以及殘余應(yīng)力的作用之下，冷裂紋傾向較大，由于其彈性模量較小，焊接變形較大，并且矯形存在困難。
TC4鈦合金可用于中高強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)，焊接之時，需采取焊前清理工藝措施，還要控制層間溫度，實(shí)施氣體保護(hù)手段，并且把控焊后冷卻速度。焊后通常會開展消除應(yīng)力熱處理，以此有效釋放焊接應(yīng)力，與此同時穩(wěn)定焊后尺寸，并且消除鈦合金焊接回彈。
2、不同焊接工藝TC4鈦合金接頭性能分析
2.1TC4鈦合金弧焊試驗(yàn)
2.1.1TC4鈦合金氬弧焊
鈦合金氬弧焊有著這樣的工藝特點(diǎn)，即其熱影響區(qū)的寬度是比較寬泛的，而且變形顯得比較大。鈦合金氬弧焊存在質(zhì)量控制要點(diǎn)，那便是要強(qiáng)化焊前清理以及氣體保護(hù)，去避免焊接接頭由于氣體污染，進(jìn)而出現(xiàn)脆性組織致使塑性、韌性有所下降。
（1）不同焊接材料的接頭性能
按ISO15614.5 - 2004《金屬材料焊接程序的規(guī)范和鑒定焊接程序試驗(yàn)第5部分：鈦、鋯及其合金》對TC4鈦合金進(jìn)行焊接，焊接時分別采用TA18及TC4焊絲，焊好后進(jìn)行600℃/1h的熱處理，接頭按GB/T228.1 - 2010標(biāo)準(zhǔn)采集樣品，接頭力學(xué)性能情況可見于表3 。
按照表3能夠知道，運(yùn)用TA18焊絲的焊接接頭，其強(qiáng)度處在較低水平，然而塑性卻比較高。至于TC4焊絲的接頭，強(qiáng)度是高的，但其塑性低。通常來講，鋼制承壓設(shè)備在選擇焊材的時候，遵循的原則是考慮近成分以及等強(qiáng)度原則。不過對于高強(qiáng)度的鈦合金而言，接頭的塑性較低。鑒于焊接接頭在使用時的受力等級以及接頭綜合性能匹配方面的情況，能夠采用低強(qiáng)度等級的焊材，借此確保接頭擁有充足的塑性。
衡量材料低溫性能的重要指標(biāo)是低溫沖擊韌性，TA18焊絲被用于TC4鈦合金，焊接接頭在常溫時的沖擊性能以及在-50℃時的沖擊性能列于表4 。
從表4能夠看出，相較于高強(qiáng)度β鈦合金接頭的低溫沖擊韌性，TC4鈦合金接頭具備更好的低溫沖擊性能 。經(jīng)研究顯示，TC4鈦合金相較于純鈦、α以及近α鈦合金，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度略微偏高，使用溫度通常約為-196.15℃（77K） 。其焊接接頭金相組織如圖1所呈現(xiàn)的那樣 。
TC4進(jìn)行氬弧焊接時，接頭的焊縫組織結(jié)構(gòu)為馬氏體加上初生α以及β轉(zhuǎn)，其熱影響區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)為α加上β轉(zhuǎn)，母材的組織結(jié)構(gòu)是α加上β。接頭的組織分布呈現(xiàn)出均勻的狀態(tài)，這確保了接頭強(qiáng)度、低溫韌性能夠保持穩(wěn)定，且具備一致的連續(xù)性。
（2）不同熱處理制度的接頭性能
按ISO15614.5 - 2004標(biāo)準(zhǔn)對TC4鈦合金進(jìn)行焊接，所用焊絲是φ1.6mm的TA18，焊接接頭處于焊態(tài)和熱處理態(tài)時，其硬度分布呈圖2所示情況。從圖2能夠看出，經(jīng)過熱處理以后，TC4氬弧焊接頭各個區(qū)域的硬度有了提高。在焊態(tài)時，焊縫區(qū)硬度比熱影響區(qū)以及母材低，而在熱處理態(tài)下，焊縫區(qū)硬度比熱影響區(qū)高。這是因?yàn)樵跓崽幚磉M(jìn)程中，焊接接頭吸收了氧氣，致使硬度升高。
TC4鈦合金接頭，于550℃的溫度下保溫1h，于590℃的溫度進(jìn)行保溫1h，于600℃的溫度去保溫1h，在650℃的溫度時保溫1h，在68%xCW%B的g溫度里均保溫1h，接頭強(qiáng)度以及伸長率的變化，就如同圖3所顯示的那樣。
從圖3能夠知道，隨著熱處理溫度不斷升高，TC4氬弧焊接頭的抗拉強(qiáng)度在590℃的時候出現(xiàn)了極值，在600℃以上進(jìn)行保溫，強(qiáng)度會緩慢上升；接頭的伸長率同樣呈現(xiàn)出先上升、接著下降然后又上升的趨勢，在590℃至600℃之間的時候達(dá)到最高。在590℃的情況下，分別保溫1h、1.5h、2h、2.5h、3h，接頭的強(qiáng)度以及伸長率的變化情況如圖4所示。
在圖4當(dāng)中能夠看出，隨著保溫的時間不斷延長開來，TC4接頭的強(qiáng)度呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢，并且伸長率所產(chǎn)生的變化并不是非常顯著的 。
綜上，針對TC4鈦合金結(jié)構(gòu)件的焊后消除應(yīng)力熱處理，要達(dá)成接頭強(qiáng)度與塑性的最優(yōu)匹配，提升焊接接頭的綜合力學(xué)性能，恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囀?90℃/1.5至2小時，這樣才能實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
2.1.2TC4鈦合金冷焊
冷焊的原理是，鎢極在幾秒的周期當(dāng)中，于幾十毫秒這么短的時間內(nèi)進(jìn)行放電，從而熔化母材去達(dá)成原子間的結(jié)合，因放電時間跟間隔時間相比較而言十分地短，熔池的熱量會經(jīng)由零件而傳導(dǎo)至外界，所以焊接接頭不會存在熱集聚，TC4鈦合金的導(dǎo)熱性能比較差，熔池附近的溫度梯度比較大，冷焊對它有著很大的適用性。
以冷焊以及氬弧焊的方式，針對 TC4 鈦合金，依照 ISO15614.5 - 2004 的相關(guān)要求來實(shí)施焊接，其中焊材選用 TA18，接頭依據(jù) GB/T228.1 - 2010 的要求進(jìn)行取樣。接頭強(qiáng)度在表 5 當(dāng)中有所體現(xiàn)，接頭各個區(qū)域的硬度分布如圖 5 所示。冷焊接頭的強(qiáng)度比母材最低抗拉強(qiáng)度要高，和氬弧焊接頭的強(qiáng)度相差不是很大。冷焊接頭的硬度分布情況，是熱影響區(qū)為最高，焊縫區(qū)域次之，這兩者的硬度都比母材高。和氬弧焊相比較而言，冷焊接頭焊縫區(qū)的硬度比氬弧焊接頭低，熱影響區(qū)的硬度比氬弧焊接頭高。這是由于冷焊熱影響區(qū)冷卻速度快，形成馬氏體數(shù)量較多造成。
冷焊的熱影響區(qū)寬度是小的，熱量傳導(dǎo)得快速，所以冷焊焊接變形小，TC4鈦合金冷焊與氬弧焊接頭的金相組織像圖6展示的那樣，2mm厚的TC4板材角焊縫冷焊的熱影響寬度是0.7至1.0mm，氬弧焊的熱影響區(qū)寬度是1.8至2.2mm，由此可見，在相同條件之下，冷焊跟氬弧焊相比較而言，熱輸入大幅地降低了。
2.2TC4鈦合金束焊試驗(yàn)
2.2.1激光焊
激光焊于鈦合金材料的焊接而言頗為相宜，尤其在鈦合金薄板，還有精密零件的焊接這方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。激光焊能量密度大，可致使遠(yuǎn)距離焊接得以達(dá)成，并且焊接效率高，焊接質(zhì)量佳，其在鈦合金薄板焊接上具備很大優(yōu)勢。鈦合金激光焊的控制要素在于防止深熔焊時所生成的焊接氣孔，還要削減光致等離子體的屏蔽效應(yīng)，以此提升激光焊接的穩(wěn)定性。
對于厚度為0.8mm的TC4鈦合金，依據(jù)GB/T29710 - 2013《電子束及激光焊接工藝評定試驗(yàn)方法》施行焊接操作，運(yùn)用對接自熔焊方式，接頭依照GB/T228.1 - 2010的要求來取樣，接頭性能在表6中呈現(xiàn)。
從表6能夠察覺，TC4激光焊接頭的強(qiáng)度比母材抗拉強(qiáng)度的下限數(shù)值要高，其伸長率與氬弧焊相比較大幅度地提升，快要接近母材的水準(zhǔn)。由此可見，諸如激光功率以及焊接速度等參數(shù)對于接頭強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響是比較大的。經(jīng)由試驗(yàn)顯示，在熱輸入處于35至40J/mm，功率密度處于（3.9至4.0）伊104W/cm2這樣的工藝參數(shù)狀況下，TC4激光焊接頭的強(qiáng)度與塑性的匹配是最為優(yōu)良的。
2.2.2電子束焊
鈦以及鈦合金的電子束焊，具備冶金質(zhì)量不錯之特性各種焊接手法大全，焊縫狹窄，深寬比值較大，焊接角變形微小，焊縫以及熱影響區(qū)之內(nèi)晶粒細(xì)小，焊接接頭性能優(yōu)良，焊縫和熱影響區(qū)不會遭受空氣污染，并且焊接厚件時候效率較高。
將TC4鈦合金母材與電子束焊接頭作對比，依據(jù)GB/T29710 - 2013《電子束及激光焊接工藝評定試驗(yàn)方法》來進(jìn)行焊接，接頭依照GB/T228.1 - 2010規(guī)定取樣，于焊態(tài)以及熱處理態(tài)之下，其強(qiáng)度和伸長率呈現(xiàn)于表7當(dāng)中。
從表7能夠看出，不管是焊態(tài)的情況，還是熱處理態(tài)的情形，TC4鈦合金電子束焊接頭的強(qiáng)度比母材是要高的，而其塑性比母材是要低的；焊接接頭經(jīng)過600℃/2h的熱處理之后，母材的強(qiáng)度略微有所降低，接頭的強(qiáng)度卻升高了；母材以及接頭的塑性變化并不明顯。
現(xiàn)將TC4鈦合金電子束焊接頭不同區(qū)域的低溫沖擊性能，與氬弧焊接頭不同區(qū)域的低溫沖擊性能，展開對比，其結(jié)果呈現(xiàn)于圖7。 ，。
可以從圖7看出，在-50℃沖擊條件的時候，TC4鈦合金電子束焊接頭沖擊韌性熱影響區(qū)比焊縫區(qū)大，氬弧焊接頭沖擊韌性焊縫區(qū)比熱影響區(qū)大，氬弧焊的接頭沖擊韌性比電子束焊接頭高。大厚度TC4鈦合金電子束焊縫下部強(qiáng)度高、硬度高，上部強(qiáng)度低、硬度低，焊縫上部是接頭性能的薄弱部位，就是說大厚度鈦合金電子束焊接頭上部和下部存在著明顯的力學(xué)性能不均勻。其產(chǎn)生原因是電子束接頭上部和下部存在著金相組織不均勻分布 .
圖8展示的是，厚度為25mm的TC4鈦合金電子束焊縫中各種焊接手法大全，上部的金相組織，中部的金相組織，以及下部的金相組織焊工招聘，焊縫上部因?yàn)榫Я４执螅鶢罹э@著，致使強(qiáng)度硬度低，焊縫下部的晶粒漸漸細(xì)化，等軸晶增多，焊縫強(qiáng)度硬度提高，這種組織不均勻的分布造成了焊縫力學(xué)性能的不均勻 。
2.3TC4鈦合金電阻焊試驗(yàn)
具備生產(chǎn)效率高的特性，焊件變形還小，且容易達(dá)成自動化焊接等特點(diǎn)的電阻點(diǎn)焊，在汽車制造、船舶以及航天航空等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。點(diǎn)焊是一種借助電流通過焊件以及接觸所產(chǎn)生的電阻熱當(dāng)作熱源，將零件局部加熱，與此同時加壓展開焊接的方法。焊接的時候不需要填充金屬。點(diǎn)焊過程是個涵蓋了熱、力、電等相互耦合作用的復(fù)雜過程，焊接接頭質(zhì)量會受多種因素的影響。鈦合金電阻點(diǎn)焊的焊接性不錯，焊透率能夠達(dá)到20%至90%。熔核質(zhì)量挺好，一般會選用強(qiáng)規(guī)范。
指向TC4材質(zhì)的0.8mm薄板與各異厚度的筋條這個對象做相關(guān)試驗(yàn)，依據(jù)ISO15609 - 5 - 2005《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定焊接工藝規(guī)程第5部分 - 電阻焊》去做，運(yùn)用雙面雙點(diǎn)工藝來開展電阻焊試驗(yàn)，再依照ISO14270 - 2000《電阻點(diǎn)焊、縫焊和凸焊的機(jī)械撕裂試驗(yàn)用樣品尺寸及程序》針對焊點(diǎn)做撕裂試驗(yàn)，最終結(jié)果呈現(xiàn)在表8中。
從表8能夠看出，薄板試件厚度增大時，焊接電流增加，通電時間延長，焊點(diǎn)直徑與焊透率都相應(yīng)跟著增大，試件剪切力漸漸增大。最終試件都是在焊縫處斷裂，斷裂性質(zhì)是凸臺斷裂。
2.4小結(jié)
綜上所述，TC4鈦合金不同焊接方法具備這樣的工藝特點(diǎn)：其一，焊接接頭塑性（通過伸長率來進(jìn)行表征）表現(xiàn)為，激光焊（與母材情況相當(dāng)）大于電子束焊，電子束焊又大于氬弧焊（大約為母材的50%左右這個程度）；其二，焊接變形情況是，氬弧焊大于電子束焊，電子束焊大于激光焊。其中，電子束焊接適合用于質(zhì)量要求較高的焊接情形，在大厚度鈦合金焊接當(dāng)中具備明顯優(yōu)勢；激光焊適合用于薄板焊接，其焊接效率較高；氬弧焊的可達(dá)性是最好的，適合用于異形結(jié)構(gòu)件以及修補(bǔ)焊接等工作狀況。
3、存在問題及研究方向
對鈦合金各類焊接方法的接頭疲勞性能展開的研究，所獲數(shù)據(jù)尚不充足。焊接接頭材料具備非均質(zhì)特性，存在幾何不連續(xù)性，且有殘余應(yīng)力，這致使焊接接頭的疲勞行為，與非焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞行為有著根本差異。相較于鋼材，鈦合金接頭強(qiáng)度高，塑性儲備不足，各類焊接方法的接頭疲勞特性有待進(jìn)一步探究。
（2）鈦合金焊接接頭強(qiáng)度評價體系尚不完備。TC4鈦合金，在ISO15614-2005《金屬材料焊接程序的規(guī)范和鑒定焊接程序試驗(yàn)第5部分：鈦、鋯及其合金》里，彎曲試驗(yàn)彎心直徑是6t（t為試樣厚度），然而都沒給定伸長率約20%材料的彎曲角度；GB/T40801-2021《鈦、鋯及其合金的焊接工藝評定試驗(yàn)》中，彎曲試驗(yàn)彎心直徑為6t（t為試樣厚度），但是也都沒有給定伸長率約20%材料的彎曲角度；CB/T4363-2013《船用鈦及鈦合金焊接工藝評定》的彎曲試驗(yàn)里，彎心直徑規(guī)定成20t，有著彎曲角90° ；QJ1666A-2011《鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求》規(guī)定，TC4鈦合金接頭的彎曲角度是31° 。
于企業(yè)實(shí)際執(zhí)行進(jìn)程里，TC4鈦合金工藝評定的彎曲試驗(yàn)合格比率極低，借由彎曲試驗(yàn)去評估鈦合金接頭的塑性頗為困難，尚且欠缺試驗(yàn)數(shù)據(jù)予以支撐。
4、結(jié)論
TC4鈦合金具備優(yōu)良的焊接性，適于氬弧焊這種焊接方法，也適合激光焊這種焊接手段，還能夠用于電子束焊這種焊接方式以及冷焊等諸多焊接辦法，其接頭強(qiáng)度能達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求，接頭塑性可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，接頭韌性同樣能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求 。
TC4鈦合金進(jìn)行氬弧焊時采用TA18焊絲，接頭強(qiáng)度平均值為982.5MPa，伸長率是7.5%，其強(qiáng)度與塑性的匹配狀況良好，接頭具備良好的低溫沖擊韌性，且擁有連續(xù)一致的金相組織。
（3）TC4鈦合金冷焊跟氬弧焊比，強(qiáng)度變的幅度不大，焊縫區(qū)的硬度比熱影響區(qū)低，冷焊的熱影響區(qū)寬度在0.7到1.0mm之間，大概是氬弧焊熱影響區(qū)寬度的50%，焊接后的變形改善得十分顯著。
首先，TC4鈦合金激光焊接頭具備較高強(qiáng)度，其次，其伸長率達(dá)到了11%以上，再者，相比氬弧焊有大幅提升，最后，達(dá)到了母材水平。
（5）TC4鈦合金，其電子束焊接頭的強(qiáng)度比母材高，然而塑性卻比母材低。經(jīng)過熱處理后，母材的強(qiáng)度略微有所降低，但是焊接接頭的強(qiáng)度卻升高了。并且，電子束接頭在低溫環(huán)境下的韌性表現(xiàn)良好。
有著明確標(biāo)識為（6）的TC4鈦合金電阻點(diǎn)焊行為，在此過程當(dāng)中，隨著其厚度呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，也就是焊接電流出現(xiàn)增加情況，同時通電時間也在延長，在這樣的狀況下，焊點(diǎn)直徑以及焊透率都隨之相應(yīng)地增大，并且試件剪切力呈現(xiàn)出逐漸增大的態(tài)勢。
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