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钛合金具有比强度高，综合力学性能好，耐腐蚀等优点，在航空航天、化工和造船等领域具有重要应用价值[1]. TC4钛合金(Ti-6Al-4V)具有优异的力学性能与耐腐蚀性能，因此在航空航天等领域获得了广泛应用[2]. 轧制是工业上广泛使用的塑性加工方法，该工艺具有细化晶粒，可以大批量连续生产等优点[3]. 激光增材制造技术是20世纪90年代中期逐渐发展的一种先进制造技术，该技术提高了构件生产效率及材料利用率. 其基本原理是将零件的三维CAD模型“切片”形成二维轮廓信息，在计算机控制下按照固定扫描路径通过高能束流把金属粉末或者丝材逐点、逐层熔化堆积，最终得到实体零件[4-6]. 在实际生产中，往往需要将上述两种制造方式相互结合以达到最优生产效率. 例如对于大型复杂构件，可利用采用轧制或锻造制备较规则的主体部分，利用增材制造技术制备耳片、筋板等突出复杂部位. 在这一过程中，对于不适于直接在轧制或锻造构件上直接进行激光增材制造的零部件，需要先将突出复杂部位单独激光增材制造，再利用焊接技术进行连接. 电子束焊接具有焊接精度高，热影响区窄及适用条件宽松，可焊接板厚较大等优点[7]，成为了轧制 + 激光沉积、锻造 + 激光沉积等异种状态TC4钛合金厚板焊接的首选.
文中采用电子束焊接技术获得了“激光沉积 + 轧制”TC4钛合金焊接接头，研究了焊缝区、热影响区激光沉积及轧制母材的显微组织变化及原因，分析了焊接接头显微硬度和力学性能的变化，为不同状态TC4钛合金复杂构件电子束焊接技术在实际应用中的可行性提供参考.
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取轧制态与激光沉积态TC4钛合金板材，尺寸均为400 mm × 45 mm × 36 mm. TC4钛合金显微组织如图1所示. 轧制态TC4钛合金显微组织为沿轧辊运动方向拉长的小柱晶，见图1a；而激光沉积态TC4钛合金显微组织为典型的α + β网篮组织，如图1b所示. 将两块钛合金板材紧密对接，采用型号为THDW - 30的真空电子束焊机进行电子束焊接，工艺参数如表1所示. 焊接后，沿垂直于电子束运动方向切取厚度为5 mm、宽50 mm的试样，经打磨、抛光及腐蚀后，采用LEICA DM4000 M型光学显微镜和JEOL - 6010型扫描电镜观察焊接接头处合金显微组织. 焊接接头显微硬度变化用恒-FM800型显微维氏硬度计进行分析；焊接后试样的拉伸性能参考GB/T2651—2008焊接接头拉伸试验方法，取样方式如图2所示. 为了确定焊缝区占试样体积比对拉伸性能的影响，按焊缝深度不同取上下两组试样作为对比试验. 同时为保证试验的准确性，减小试验误差，每组取三根平行试样，结果取平均值.
图 1 TC4钛合金显微组织
Figure 1. Microstructure of TC4 alloy
表 1 电子束焊接工艺参数
Table 1. Parameters of electron beam welding
焊接束流IW/mA 聚焦电流IF/mA 加速电压U/kV 焊接速度v/(mm·min–1) 工作距离d/mm 140 475 85 250 150 
图 2 拉伸试样取样示意图(mm)
Figure 2. Diagram of sampling tensile specimens
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焊接接头横截面宏观金相如图3所示. 由图可见，焊接接头熔池呈锥形，最大深度为29.0 mm，1/2熔深处焊缝宽为11.5 mm，深宽比为2.5左右，试验采用较小深宽比的焊接参数，以便更清晰地观察焊缝区和热影响区的组织变化. 焊缝宏观上以焊缝为中心左右对称，焊缝左侧为激光沉积态母材，右侧为轧制态母材. TC4钛合金的β相变点温度约为995 ± 15 ℃[8-9]，熔点为1 655 ℃[10]. 由宏观金相图可以看出，焊缝中下部位置主要由两侧向中心生长的柱状晶构成，并且柱状晶的尺寸越靠近熔池底部越小；而焊缝的上部主要由向上外延生长的粗大β柱状晶组成. 焊缝的晶粒形态呈现左右对称的特征，并不因母材原始晶粒形态的不同而表现出差别. 焊缝中不同部位晶粒形态的差别与不同部位的冷却速率和热量扩散方向有关. 在焊缝中下部，熔池热量主要向两侧扩散，最大温度梯度方向近似垂直于熔池中心线，形成从两侧向中心生长的柱状晶；同时由于越靠近熔池底部熔体达到的最高温度越低、冷却速率越快，导致柱晶尺寸越小. 在焊缝的上部，熔池热量主要向下方的母材、已凝固焊缝扩散，最大温度梯度近似平行焊缝中心线，形成从下向上生长的柱状晶. 现取轧制侧A区域及激光沉积侧B区域两块典型区域，进一步分析焊缝热影响区微观组织及其变化原因.
图 3 轧制态 + 激光沉积态TC4钛合金焊接接头宏观金相形貌
Figure 3. Macro metallography of welded ‘Laser deposited + rolled’ TC4 alloy joints
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轧制侧A区域显微组织变化如图4所示，轧制侧的晶粒形貌变化较大，在离焊缝中心最远处的e区，合金组织仍然为轧制态的原始晶粒形貌，随着离焊缝中心距离越近，在区域c和区域d之间的界面处，晶粒形貌逐步由轧制态晶粒变为等轴晶，且越靠近焊缝，等轴晶尺寸越大, 最终逐步变为区域a的柱状晶. 根据晶粒的形貌特点，可将焊缝中心至轧制态母材部分按其晶粒形态分为三个区域，即远离焊缝的轧制态晶粒区(区域d和e)、靠近焊缝的等轴晶区(区域b和c)及焊缝柱状晶区(区域a).
图 4 轧制侧典型焊接接头组织变化趋势
Figure 4. Trends of typical microstructure of welded joint on rolled side
对轧制侧热影响区内组织观察发现(图5)，在轧制态区，虽然晶粒保持了原轧制态晶粒形貌，但由于受到热影响，晶粒中出现β转变组织，如图5a所示. 随着离焊缝中心距离越近，β转变组织含量越多，转变组织中α相片层越厚(图5b).根据文献报道，β转变组织会在温度达到α相向β相的转变温度时形成，且转变量会随温度的升高而增加[11-12]，因此推测焊接过程中此区域会被加热至α相向β相的转变温度. 从轧制态晶粒转变为等轴晶区后，晶粒内组织由马氏体
$\alpha '$ 相集束组成，如图5c所示. 马氏体$\alpha '$ 相集束的形成表明该区域冷速很大，α相没有从β相中析出，β相直接转变成了非稳态的$\alpha '$ 相[13]. 该转变过程表明此区域所受热影响温度已超过β相转变温度，导致了轧制态合金(轧制过程中发生了冷塑变形)发生回复再结晶产生等轴晶. 且越靠近熔池，温度越高，保温时间越久，等轴晶尺寸越大. 与焊缝相邻的等轴晶受热温度最高，尺寸达到最大，且被加热到半熔化状态. 靠近电子束区域的焊缝区温度可瞬间达到2 500 ℃以上[14]，而TC4钛合金的熔点仅为1 655 ℃左右，故电子束焊接的过程中，焊缝区钛合金会在极短时间内熔化. 在随后的降温过程中，焊缝边界金属液相附着在半熔化等轴晶粒表面(图4所示熔合线附近)进行非均匀形核，并以柱状晶的形态沿热流方向外延生长，最终形成一系列垂直于焊缝中心线的柱状晶[15]. 柱状晶内组织由马氏体$\alpha '$ 相组成. 但和等轴晶区集束状马氏体$\alpha '$ 相不同的是，柱状晶内的马氏体$\alpha '$ 相呈网篮状. 这是因为焊缝区域温度最高，保温时间最长，马氏体$\alpha '$ 相得以充分生长，从而形成交错的网篮组织.
图 5 轧制侧热影响区及焊缝形貌
Figure 5. Morphology of fusion zone and heat affected zone on rolled side
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与轧制侧热影响区晶粒形态变化不同，激光沉积一侧热影响区内未形成等轴晶区，而是保留了激光沉积态TC4柱状晶晶粒形态，且这些柱状晶粒由母材一侧外延生长进入焊缝区，导致焊缝区与原母材热影响区之间界面不明显，如图6中所示. 观察柱状晶内部组织发现，热影响区中的柱状晶内部区域b除马氏体
$\alpha '$ 外，还残留了一定的初生α相(图7a)；当进入区域c，柱状晶内部组织则全部变为马氏体集束(图7b)，该组织与轧制侧的区域c(图5c)一致，表明此区域在焊接时温度已经达到β相转变温度以上. 当进入区域d，柱状晶内组织变为网篮状马氏体片层(图7c)，与轧制态一侧a区域(图5d)中一致，表明此区域已经进入焊缝区.
图 6 激光沉积侧典型熔池组织变化趋势
Figure 6. Trends of typical microstructure in laser deposited side molten pool
图 7 激光沉积侧焊接接头微观组织形貌
Figure 7. Morphology of welded joint on laser deposited side
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焊接接头显微硬度测试结果如图8所示. 可以看出，左侧激光沉积TC4钛合金母材处硬度稳定在350 HV左右，进入热影响区后显微硬度开始上升，直至平稳在焊缝区的400 HV上下；轧制侧的显微硬度与激光增材侧变化趋势相同，也是在进入热影响区后开始上升直到稳定在焊缝区. 显微硬度变化的原因与组织内马氏体
$\alpha '$ 相的含量有关，随着热影响区开始出现马氏体$\alpha '$ 相，显微硬度逐渐开始上升，至焊缝区柱状晶内组织全部变为网篮状马氏体$\alpha '$ 相，显微硬度达到最高，稳定在400 HV.
图 8 焊接接头显微硬度
Figure 8. Microhardness of welded joints
表2为异种状态TC4钛合金电子束焊接接头力学性能测试结果，所有拉伸试样的断裂位置均位于激光沉积母材区域. 对比两组拉伸试样结果可知，焊缝占比不同的试样，其力学性能相似，可知焊接接头的拉伸性能与焊缝宽度无关. 焊接接头的各项力学性能参数与TC4锻件相当.
表 2 焊接接头力学测试平均值
Table 2. Average parameters of mechanical properties of welded joints
取样位置 断裂位置 抗拉强度Rm/MPa 屈服强度Rp0.2/MPa 断面收缩率Z(%) 断后伸长率A(%) 焊接接头上部 沉积侧母材区 950 ± 3 874 ± 2 12.0 ± 0.5 33 ± 2 焊接接头下部 沉积侧母材区 962 ± 4 879 ± 4 11.0 ± 0.5 36 ± 1 锻件[16] ≥ 895 ≥ 825 ≥10 ≥ 25 焊接接头拉伸试样断口形貌非常相似，典型断口如图9所示，为杯锥状断口，有明显的中心纤维区及四周剪切唇区. 断口主要表现为穿晶断裂，韧窝较浅较小.
图 9 焊接接头断口形貌
Figure 9. Fracture morphology of welded joints
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(1)焊缝晶粒呈左右对称的特征. 焊缝中下部，熔池热量主要向两侧扩散，最大温度梯度方向近似垂直于熔池中心线，形成从两侧向中心生长的柱状晶. 焊缝上部熔池热量主要向已凝固焊缝扩散，最大温度梯度近似平行焊缝中心线，形成从下向上生长的柱状晶.
(2)轧制侧热影响区内组织变化较大，靠近焊缝中心，β转变组织含量增加，晶粒形貌逐渐转变为等轴晶组织，等轴晶内有集束状马氏体
$\alpha '$ 相析出，越靠近焊缝等轴晶尺寸越大；激光沉积侧热影响区组织形态变化较小，β晶粒形态保持原沉积态柱状晶形态，无等轴晶区产生.(3)激光沉积侧与轧制侧TC4钛合金母材处硬度稳定. 由于马氏体
$\alpha '$ 相的出现，热影响区显微硬度开始增加，焊缝区柱状晶组织全部变为网篮状马氏体$\alpha '$ 相，显微硬度达到最高，稳定在400 HV. 同时，该类型焊接接头力学性能符合TC4锻件标准，且焊接接头的拉伸性能与焊缝宽度无关. 拉伸断口呈杯锥状，表现为穿晶断裂.
Microstructure and Mechanical Properties of Electron Beam Welded Joints in Different State of TC4
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摘要: 研究了一种电子束焊接参数对轧制+增材TC4钛合金焊接接头组织影响，分析了焊后钛合金力学性能. 结果表明，轧制侧热影响区合金组织变化较大，离焊缝中心距离越近，β转变组织含量增加，晶粒逐渐转变为等轴晶组织，等轴晶内有集束状马氏体
$\alpha '$ 相析出，越靠近焊缝等轴晶尺寸越大；增材侧热影响区组织形态变化较小，β晶粒形态保持柱状晶形态，无等轴晶区产生，晶内组织转变为马氏体$\alpha '$ 相. 焊缝两侧热影响区显微硬度变化趋势相同，均为越靠近焊缝中心，显微硬度越高，焊接重熔区硬度最高，达400 HV左右. 焊接接头力学性能与TC4钛合金锻件相当，且断裂位置均位于激光沉积母材区域.Abstract: This paper studied the influence of a specification of electron beam welding on the structure of ‘rolled+ laser deposited’ TC4 welded joints, and analyzed the mechanical properties of the joints. Results show that on the rolled side, the microstructure of heat affected zone changes obviously, the shorter the distance away from welding center, the more amount of transformed β generates, and the columnar grain gradually transforms into equiaxed grain, with the appearance of clustered martensite α'. However, on the laser-deposited side, few changes are observed in the heat affected zone, β grain stays the shape of columnar, in which martensite α' generates, no equiaxed grain generates. The change trend of microhardness on both sides is similar, the closer the distance from the center, the higher the microhardness gets, the maximum hardness is around 400HV found in the fusion zone. The mechanical properties of welding joints are similar to that of forged TC4, all the fractures locate in the laser-deposited base metal region. -
图 3 轧制态 + 激光沉积态TC4钛合金焊接接头宏观金相形貌
Figure 3. Macro metallography of welded ‘Laser deposited + rolled’ TC4 alloy joints
图 4 轧制侧典型焊接接头组织变化趋势
Figure 4. Trends of typical microstructure of welded joint on rolled side
图 5 轧制侧热影响区及焊缝形貌
Figure 5. Morphology of fusion zone and heat affected zone on rolled side
图 6 激光沉积侧典型熔池组织变化趋势
Figure 6. Trends of typical microstructure in laser deposited side molten pool
表 1 电子束焊接工艺参数
Table 1. Parameters of electron beam welding
焊接束流IW/mA 聚焦电流IF/mA 加速电压U/kV 焊接速度v/(mm·min–1) 工作距离d/mm 140 475 85 250 150 
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图(9) / 表 (2)
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