航天|研究新进展：焊接工艺对异种钛合金焊接件性能的影响（下）( 三 ) 航天

图10 PWHT温度对Ti-6-4/Ti-15-3、Ti-6-4/ ti -6-2、Ti-6-4/SP700焊缝FZ NTS值的影响
4.2.3光束偏移的影响
在这种方法中，焊接过程中的能源束稍微偏离焊缝中心线。 Ti55/TA15电子束焊接中光束偏移位置示意图如图11所示。这种方法只能在一定程度上用于束焊工艺，如LBW、EBW和搅拌摩擦焊。偏移梁的目的是改变每个BM对焊缝区成分的贡献，以改善焊缝性能。该技术最初用于钛合金与其他金属（如铝合金）的焊接，其中光束偏移的目的是减少焊接接头中形成脆性金属间相的程度。在这种方法中，向特定基底材料偏移光束会增加其对FZ的贡献。
例如，在图12中，可以观察到FZ的MoEQ和AlEQ是Ti55/TA15接头焊接中电子束偏移的强大函数。这种依赖性是由于梁相对于焊缝中心线的位置变化对焊缝区合金元素夹杂物的影响。焊接中光束的实际偏移通常并不直接，需要一个反馈回路（LBW情况下为光电探测器）来检测光束的位置。
图11 Ti55/TA15焊缝电子束焊接束偏移位置示意图
图12 电子束偏移对Ti55/TA15焊缝FZ中AlEQ和MoEQ的影响

光束偏移对DTW FZ中的马氏体变换也存在显著影响。通常，将光束向含有大量β稳定元素的合金偏移会导致FZ中α?马氏体的减少。这种效应归因于由于FZ中β稳定元素的增加而导致马氏体起始温度（Ms）的降低。 Zhang等人研究了激光束偏移对BTi-6431S/TA15异种焊缝性能的影响。他们观察到，马氏体相变也受到光束偏移量变化的影响。例如，如图13所示，将光束向TA15（β稳定含量较低）侧偏移可增强马氏体相变并增加焊缝的显微硬度。这是因为FZ中的β稳定元素减少导致马氏体起始温度升高。
图13 BTi-6431S/TA15焊接中不同激光束偏移的FZ显微结构， a向TA/15偏移0.2 mm ， b向BTi-6431S偏移0.2 mm ， c向BTi-6431S偏移0.2 mm
在DTWs中，朝向特定基底金属的热影响区宽度随着基底合金导热性的增加而增加。两种基材的热膨胀系数之间的显著差异也会显著扭曲熔池形状，使其不对称。此外，光束偏移也会显著影响HAZ区域，相当大的偏移可能会导致焊缝金属接合处未对准，如图14所示，其中有一个朝向DTW 21S侧的显著光束偏移（图14b），而在图14a中， T50/T-6-4DTW是在没有光束偏移的情况下获得的。
图14 DTWs a T50A/T-6-4、b T50A/21S的焊缝金属接合处未对准
4.2.4焊接区气孔
DTWs的另一个重要方面是FZ中孔隙的形成。在将β-钛合金与α-或α+β-钛合金焊接时，这是一个更值得关注的问题。由于熔池的动态对流及其吸收先前溶解气体（主要是氢）的限制，会产生孔隙。气孔形成的位置取决于许多因素，如焊接速度或FZ与HAZ/FZ界面的距离，该界面起到气孔移动的固体壁的作用。气孔的产生归因于β-钛合金中高钼和铌含量的存在，这降低了焊接过程熔融阶段焊接池中氢的溶解度。由于BTi-6431S是一种β-钛合金，因此在BTi-6431S/TA15 DTW的LBW中观察到相当大的孔隙率。同样，在TA6V/21S的激光焊接中，也通过SEM因子图（图15）观察到显著的孔隙率，其中21S（Ti–15Mo–3Al–2.7Nb–0.2Si）为β-钛合金。报告的气孔形成的另一个可能原因是激光焊接操作中从焊接传导模式过渡到小孔模式。
图15 TA6V/21S DTWs激光焊接中通过SEM因子图获得的孔隙率图像
通过偏移光束，孔隙率的形成可以得到相当大的控制。在DTWs中，当两种基材的显微硬度存在显著差异时，两个方向上相当大的光束偏移会促进FZ中孔隙的产生，导致拉伸试验期间过早断裂。然而，光束向较软合金偏移更容易产生气孔。 Yeganeh等人的工作对此进行了研究，重点是研究电子束偏移对Ti55/TA15焊接接头性能的影响，特别是显微硬度和抗拉强度。他们观察到，无论光束偏移如何， FZ的硬度始终小于Ti55 BM 。他们进一步观察到，通过将光束移动到Ti55侧， FZ的硬度可以在一定程度上增加；然而，考虑到溶质原子的蒸发，这种增加是有限度的。此外，当光束未朝母材TA15侧偏移时，孔隙率显著降低。
5结束语
本文概述了钛合金异种焊接研究中的突出贡献。提出了一些工业应用，如与航空航天和加工工业有关的应用，其中可以收获将不同的钛合金组合在单一组分中的好处。在一些暴露于高温的应用中，目标是利用一种合金的高温稳定性，降低二次成本，以合理的成本制造高性能部件。类似地，对于其他应用，轻质钛合金可与另一种在低温下具有良好断裂韧性的钛合金结合。异种钛合金焊接件的关键特征是整个焊接接头的性能变化，导致连接操作的复杂性。然而，对于钛合金而言，熔合区成分梯度的变化比异种焊接物理性能的变化更令人关注。具体结论如下：