国产钛焊管高端应用受限背景下多工艺焊接TA2钛管缺陷形成诱因、成形质量差异及工业适配性综合评价研究

TA2钛管凭借轻质、高强度、耐高温、耐腐蚀等特性，已成为长征系列运载火箭燃料管路、深海探测器耐压舱体的核心构件。据统计[1]，2023年我国钛焊管产量达到7000t，且高端应用领域的钛焊管仍依赖进口。这一现状促使国内学者对钛及钛合金焊接工艺展开深入研究，通过采用不同焊接方法探索提升钛管焊接质量的可行路径。

搅拌摩擦焊（FSW）是一种利用高速旋转的搅拌头摩擦生热，使材料塑化并连接的固态焊接技术。黄永德等人[2]使用带有AlCrN涂层的搅拌头焊接TC4钛合金，焊接头抗拉强度为1041.30MPa，达到母材强度的95%以上。王欣等人[3]采用FSW焊接TC11钛合金，发现在适宜的搅拌头转速下，搅拌区的抗拉强度（1403~1433MPa）可超过母材。Li等人[4]对Ti-6Al-4V合金进行FSW焊接，焊接头显微硬度呈U型分布，且焊缝硬度低于母材。Edwards等人[5]研究发现，通过控制FSW的热循环（温度低于β相变点）可获得强度高于母材的焊接头[14] 。李博等人[6]通过工艺优化，在搅拌区实现了完全α/β相变，获得α+β双态组织，其平均硬度（360HV）显著高于母材，主要强化机制为细晶强化与复相强化。

钨极氩弧焊（TIG）是一种使用惰性气体氩气作为保护气体的气电保护焊焊接方法，工艺成熟且适用性广。康登等人[7]采用TIG焊接薄壁钛管，接头抗拉强度达到430MPa，断后伸长率为25%，表现出良好的强塑性匹配。陈元园等人[8]采用氩弧焊焊接TA2钛板，焊缝最高显微硬度约为195HV。郑成博等人[9]采用氩弧焊焊接工业纯钛，发现焊缝与热影响区主要由粗大锯齿状α相组成，焊缝中心显微硬度达147.2HV。苏允海等人[10]采用氩弧焊焊接5mm厚的TA2板材，接头抗拉强度为598.3MPa，并保持了较高的塑性（断后伸长率为26.7%，断面收缩率为38.5%）。孙建刚等人[11]采用氩弧焊焊接TC4钛合金板材，获得了无缺陷焊接头，其平均抗拉强度为924MPa，与母材相当，且冲击功提升至母材1.5倍以上，实现了强度与韧性的良好匹配。

高频感应焊（HFIW）是利用高频电流在工件表层产生涡流发热，经加压实现焊接的方法，该技术尤其适用于薄壁构件。陈琪等人[12]采用HFIW焊接0.5mm厚的TA2钛管，焊接头抗拉强度为446.8MPa，显微硬度呈“M”形对称分布（两侧热影响区最高，焊缝中心最低）。进一步研究发现[13]，经800℃退火处理后，接头组织由锯齿状/针状转变为等轴晶，硬度分布更均匀，且断口呈现韧性特征，表明退火处理有效改善了焊接头的均匀性与韧性。李伟杰等人[14]采用HFIW焊接TA1薄壁钛管，发现焊缝和热影响区组织主要为粗大的锯齿状α相及少量针状α相。此外，李万强[15]采用B-Ti57CuZrNi-S钎料高频感应钎焊TC6/TC11，钎焊界面形成β-Ti固溶体及多种金属间化合物，焊接头强度最高可达433MPa，但其性能受工艺参数影响显著。

激光焊（LBW）是利用高能量密度激光束熔化金属实现焊接，其能量密度高，易于获得高硬度焊缝。陈高澎等人[16]采用LBW焊接10mm厚的TA5钛板，接头平均抗拉强度为783MPa，硬度呈“马鞍形”分布（焊缝最高）。程东海等人[17]研究了0.8mm厚TC4钛合金的LBW，结果表明，焊缝区为网状α相，抗拉强度约995MPa，略低于母材。Kashaev等人[18-19]采用LBW焊接TC4钛合金，在优化工艺参数下焊缝整体形成α'马氏体，其产生的相变强化效应使得焊接头硬度均匀且显著高于母材。李兴宇[20]对TA2钛板的LBW研究表明，焊缝为晶粒粗大的锯齿状α相（内含针状α'相），焊缝中心硬度最高（>170HV），体现了LBW快速硬化的特点。

综上可见，FSW、TIG、HFIW和LBW4种焊接方法均可用于钛及钛合金板、棒的连接，且各有特色，但在钛管焊接的特定领域，其工艺适用性与性能影响规律尚不明确。为此，本研究采用上述4种方法焊接TA2钛管，重点研究不同焊接方法对焊管组织结构与力学性能的影响规律。通过对比分析各工艺下焊缝形貌、组织特征、力学性能等方面的差异，旨在明确不同焊接方法的技术特点与适用条件，为不同使用要求的钛管选择更适宜的焊接工艺提供理论依据与技术支撑，从而推动钛管的焊接工艺优化与应用拓展。

1、实验

实验材料为1.5mm厚的TA2钛板，其化学成分见表1，微观组织见图1。从图1可以看出，TA2母材组织由等轴α相组成，晶粒尺寸约为40μm，且晶粒分布较为均匀，排布紧密，晶界清晰。

表1 TA2钛板化学成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of TA2 titanium plate

将TA2钛板表面清洗干净，用三辊卷板机将两端预弯，分次卷圆:每次压下量<20%板厚，速度为2~5m/min，预留5~8°过卷角，圆管外径30mm。焊前用砂纸去除表面氧化层，随后用丙酮、无水乙醇超声清洗10min，取出干燥。采用FSW、TIG、HFIW和LBW4种方法焊接管材，制备出∅30mmx1.5mm TA2钛管。图2为4种不同焊接方法原理示意图，表2为4种不同焊接方法的工艺参数及特点。

采用HV-120型显微维氏硬度计测定TA2焊管焊缝区的显微硬度，测试压力为0.49N，保压时间为20s。每个试样测量5个点，取平均值作为实验结果。采用XRD-7000型X射线衍射仪(XRD)表征焊缝处的物相组成，靶材为Cu-Ka，扫描速度2.00°/min，工作电流40mA，加速电压40kV，扫描角度20°~90°。金相试样用 H₂O+HNO₃+HCl+HF腐蚀剂(体积比为95:2.5:1.5:1)腐蚀，采用OLYMPUS-GX71型金相显微镜观察显微组织，同时用ImageJ软件测量晶粒尺寸。参照GB/T6400-2007标准进行剪切试验，采用JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM)观察剪切断口形貌。

表2 不同焊接方法工艺参数及特点

Table 2 Parameters and characteristics of different welding methods

2、结果与分析

2.1宏观照片

图3为不同方法焊接的TA2钛管宏观照片。从图3a可以看出，采用FSW，焊接开始时压力不足，导致初始焊缝(方框所示)未焊透且表面粗糙;随着压力的增加，后续焊缝表面光滑，鱼鳞纹平整，毛边飞刺少，质量良好，但因摩擦升温过高导致焊缝表面呈淡金色。从图3b可以看出，TIG焊缝表面呈现灰黑色，是由于保护气氛不足导致部分氧化。从图3c可以看出，HFIW焊缝熔合充分，焊道笔直均匀，成形良好，但存在肉眼可见的氧化、起皮缺陷。从图3d可以看出，LBW焊缝较窄，且表面光亮、均匀，未见明显缺陷，同时其周围母材颜色未发生明显变化，表明热影响区相较其他焊接方法更窄，惰性气体保护效果良好。

2.2 XRD

图4为不同方法焊接TA2钛管焊缝处的XRD谱图。从图4可以看出，FSW焊缝处主要为α相(因固相焊接峰值温度低于β相变点，故无β相)。另外在图谱中可观察到衍射峰向左偏移 0.5 ∘，这与FSW焊接过程中材料发生晶格畸变有关[21]。当焊接时搅拌头对材料施加宏观压应力，晶格会发生收缩，导致衍射峰向左偏移。TIG焊缝同时存在 α相和β相。在TIG焊接过程中，熔池加热形成β相，冷却发生β → α相变。理论上TIG冷却速度最小，达到平衡相变最慢，但TA2中微量杂质元素(如Fe)在慢冷条件下发生扩散偏聚，局部形成亚稳β相 [22]。HFIW焊缝主要为 α相，另有少量 α ′马氏体。这是由于HFIW冷却速度较快，β相不能完全转变为α相，部分转变为α'马氏体。α'马氏体与α相均为密排六方结构，峰位重叠。此外，还可观察到微弱的TiO₂衍射峰，说明焊接过程中可能发生了轻微程度的氧化，主要是由于停止加热后保护气氛不足所致。LBW焊缝主要为 α ′马氏体(与 α相衍射峰重叠)，另有少量β相。高能激光使熔池迅速升温，母材 α相完全转变为β相，随后极快冷却发生β→ α ′相变，但部分β相由于冷速太快，α'马氏体相变被中途抑制，残留部分未转变 β相。

2.3金相组织

图5为FSW焊接TA2钛管不同区域的金相照片。从图5a可以看出，焊缝区(WZ)晶粒细小致密，是由于在搅拌过程中，一方面母材晶粒被搅拌针破碎变成细小晶粒，另一方面搅拌针附近的温度远高于再结晶温度，部分晶粒发生再结晶，并且此过程时间短暂，被破碎的晶粒和再结晶的晶粒来不及长大，从而使得搅拌区晶粒细密，尺寸在20μm左右。从图5b可以看出，热影响区(HAZ)因搅拌针热量传导导致晶粒较母材明显长大且不均匀。该区域位于轴肩边缘下方，晶粒已开始破碎但未受搅拌针直接作用，故不如焊缝区晶粒均匀细小。随着距焊缝中心距离的增大，晶粒直径呈增大趋势。这种晶粒尺寸的变化规律与张乐等人[23]对TA2薄板FSW焊接头晶粒尺寸的研究结果一致。

图6为TIG焊接TA2钛管不同区域的金相照片。从图6a可以看出，WZ分布有较大的不规则锯齿状α相，晶粒尺寸在120μm左右。在a晶内，可观察到析出的点状β相，这是因为Fe、O等元素在慢冷过程中有足够时间扩散，并在晶格缺陷(如位错、晶界)或成分起伏区域富集，形成纳米尺度的溶质原子团簇，从而在a基体中形成亚稳β相颗粒。从图6b可以看出，HAZ晶粒粗大，远大于母材晶粒尺寸。这主要是由于焊接过程中，受到焊接热循环的影响，HAZ晶粒长大所致。

图7为HFIW焊接TA2钛管不同区域的金相照片。图7中可观察到一些黑色小圆点，可能是由于焊接过程中保护不良出现的夹杂物。从图7a可以看出，WZ组织由均匀的等轴晶(晶粒尺寸约30μm)及其周围较大的柱状α相组成。焊接过程中，在高温停留时间较长的情况下，焊缝中心晶粒会因冷却速度较快而形成细小的等轴晶，而靠近熔合线的区域由于温度梯度较大，晶粒则沿与熔合线垂直的方向生长，形成粗大的柱状晶。张敏等人[24]对Ti45A1合金感应焊接模拟时也发现了类似情况。从图7b可以看出，HAZ因受热循环影响，晶粒尺寸明显大于母材，并形成针状α'马氏体。

图8为LBW焊接TA2钛管不同区域的金相照片。图8中也可观察到一些较大的气孔缺陷。气孔的形成与焊接工艺参数密切相关，如激光功率、焊接速度和材料厚度等，这些因素会影响熔池的形成和热流体流动，从而导致形成气孔[25]。从图8a可以看出，WZ组织主要由细小的针状 α ′马氏体构成。这是由于LBW能量密度大，热作用时间短，在冷却过程中焊接组织来不及通过扩散转变成平衡的α相，因此形成细小的针状α ′马氏体[26]。从图8b可以看出，HAZ以板条状 α ′马氏体为主。这是由于HAZ温度较高，α相转变为β相，随后在母材影响下快速冷却，使β相沿晶体学方向有序生长，最终形成排列规则的板条状 α'马氏体 [27]。在图4所示XRD谱图中，同样可观察到主衍射峰为 α ′马氏体。

2.4断口形貌

图9为不同方法焊接TA2钛管剪切断口的SEM形貌。从图9a可以看出，FSW断口分层，有两条平直锐利的裂纹，呈典型层间裂纹特征;从图9b可以看出，FSW断口上存在清晰的撕裂棱、少量韧窝和冰糖状形貌，表明材料断裂模式为准解理与沿晶断裂的混合模式[28]。从图9c可以看出，TIG断口表面凹凸不平，存在明显的撕裂棱，左下角可见放射状裂纹扩展痕迹，源于局部解理;从图9d可以看出，TIG断口上存在由放射状撕裂棱围成的扇形区域，边界有明显的撕裂棱，且扇形区域内存在韧窝。韧窝底部可观察到细小的第二相粒子，这可能是前文中提到的TIG焊接因保护不足而产生的氧化物或点状β相。断口存在扇形解理面和韧窝，表明断裂模式为准解理断裂。从图9e可以看出，HFIW断口呈平行定向排列的条状结构，表面光滑锐利，这是因焊接过程保护不足生成的脆性氧化膜分层剥离所致[29]。从图9f可以看出，HFIW断口以连续的解理面为主，其呈大片平坦平台，表面光滑无塑性变形痕迹，为典型的解理断裂。从图9g可以看出，LBW断口整体较为平坦，无明显宏观塑性变形特征，局部区域呈类似台阶的形貌。从图9h可以看出，LBW断口由多个局部解理小面构成，相邻小面之间通过塑性撕裂形成的撕裂棱相连接;在解理面周围观察到少量韧窝。这种局部解理小面、撕裂棱与韧窝共存的特征，表明断裂是以脆性解理为主，伴随局部塑性变形的准解理模式。该断口与TC4钛合金LBW焊接头的断口形貌类似[30]。

2.5显微硬度

图10为不同方法焊接TA2钛管焊接头显微硬度分布曲线。TA2钛管母材的显微硬度为150~170HV。从图10可以看出，FSW焊接头显微硬度呈“W”形分布，焊缝处显微硬度最高(176.8HV)，HAZ显微硬度最低(约为150HV)。这是由于在搅拌头的搅拌作用下，WZ晶粒发生细化和加工硬化，造成显微硬度增大，而HAZ受热发生了晶粒长大，造成显微硬度降低。TIG焊接头的WZ显微硬度最大，为171.0HV，高于HAZ及母材区域的显微硬度。这是由于焊缝中心形成的点状纳米β颗粒产生弥散强化作用，并能钉扎位错，从而提高了焊缝硬度。母材区域的显微硬度最低，焊接头最大显微硬度值与最小显微硬度值的差值仅为19.4HV。HFIW焊接头显微硬度呈“M”形分布，即焊缝中心显微硬度最低，仅有166.5HV，两侧HAZ显微硬度最高。这是由于WZ为较软的等轴α相，HAZ形成的针状α'马氏体产生强化效应[31]，使硬度显著高于母材。LBW焊接头显微硬度由焊缝中心向母材大致呈下降趋势，WZ显微硬度最高，达到204.7HV，其次是HAZ，母材的显微硬度最低。由于激光热输入集中，能量密度高，且熔池小，因而冷却速度快，抑制了β→α相变，使WZ形成高密度针状α'马氏体。该过程引入了较高的位错密度，增大了晶格畸变，使得焊缝显微硬度明显高于母材。HAZ形成板条状α'马氏体，因板条间可协调变形[32]，显微硬度有所降低。

以上研究表明，若追求超高显微硬度，可优先考虑LBW;若追求高冶金质量(低缺陷)与良好综合性能，推荐选择FSW;若需控制成本，可选择HFIW，但在此情况下需加强焊接保护措施。

3、结论

(1)FSW焊接TA2钛管，焊缝成形良好，表面平整无缺陷。焊缝处为细小的等轴α相，焊缝中心显微硬度最高，为176.8HV。热影响区晶粒出现粗化，显微硬度约为150HV。剪切断口呈准解理断裂与沿晶断裂的混合断口形貌。

(2)TIG可实现TA2钛管焊接，但焊缝表面氧化，呈灰黑色，焊缝处为粗大锯齿状α相和点状β相，显微硬度为171.0HV，热影响区晶粒粗化，剪切断口呈准解理断裂。

(3)HFIW焊缝表面存在氧化与起皮缺陷，焊缝处为等轴α相，焊缝中心显微硬度最低，热影响区为针状 α ′马氏体，显微硬度最高，剪切断口呈解理断裂。

(4)LBW可实现TA2钛管的高质量焊接，获得银白色、光滑、无氧化的窄焊缝。焊缝处为细针状 α ′马氏体+残余β相，显微硬度为204.7HV，热影响区为板条状α'马氏体，剪切断口呈准解理断裂。

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（注，原文标题：不同方法焊接TA2钛管的组织与性能_刘子健）

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