钛及钛合金以优异的抗海水侵蚀能力（低速海水侵蚀速度≤7.6×10-7mm/a），
，以及较高的比强度和比刚度，
，被宽泛利用于船舶及海洋工程，
，被誉为“海洋金属”。。。同时，
，钛及钛合金拥有优异的高温力学机能、、抗委顿和抗蠕变机能，
，综合机能良好，
，也被宽泛用于航空航天、、化工等领域，
，也被誉为“21世纪金属”“战术金属”[1]。。。

TA5（Ti-4Al-0.005B）合金是一种屈服强度≥560MPa的中等强度的α型钛合金，
，其重要合金成分为4wt%Al和0.005wt%B。。。与高强的双相TC4（Ti-6Al4V）合金相比，
，TA5塑性、、冲击韧性方面机能良好，
，同时凭据两种合金的Mo当量及Al当量，
，TA5的焊接性越发优异。。。与工业纯钛相比，
，TA5有更优异的抗点侵蚀、、抗空泡破损能力；；因而，
，TA5以其良好的塑韧性、、焊接性、、耐蚀性[2-6]等机能和较高的强度，
，已被宽泛利用于海水、、港口、、海洋平台等海洋环境[2，
，7]。。。

激光焊接技术和电子束焊接技术均属于高能束焊接技术，
，对钛合金均有优良的工艺适应性。。。图1为常见焊接步骤熔池领域对比，
，可看出，
，电子束和激光焊接技术是现有焊接技术中能量密度最高的焊接步骤[8]。。。 

电子束（electronbeam，
，EB）焊与激光（laserbeam，
，LB）焊在进行中等厚度以上焊接时均为“匙孔”焊，
，其根基道理如图2所示，
，均通过典型的焊接“匙孔”获得质量良好的焊接接头。。。

电子束焊接是在加快电压20～150kV下，
，将电子加快到光速的0.3～0.7倍，
，而后经过强聚焦后使能量荟萃，
，轰击被焊工件来实现焊接，
，如图3所示。。。

电子束的功率密度高达107W/cm²，
，当待焊接工件被加快后的电子束轰击时，
，瞬间产生极高的温度，
，足以使焊缝金属部门溶解和甚至汽化；；同时，
，能量集中和部门高温使被加热的金属蒸发形成蒸汽空腔（匙孔），
，从而实现深熔“匙孔”焊接[6]。。。大功率激光焊接为“匙孔焊”时，
，极高的激光密度使得被焊部位产生汽化，
，形成致密的等离子体及金属蒸汽；；并通过壁聚焦效应持续不休将能量传递到小孔深处，
，以得到传统弧焊无法达到的“匙孔”，
，从而持续焊接。。。

固然电子束焊和激光焊均属于高能束焊接，
，但在能量密度、、穿孔机理、、小孔不变性、、焊接缺点形成机理等方面均有所分歧。。。对于钛合金，
，想要获得高质量的大深宽比焊缝，
，无论选取电子束焊还是激光焊，
，均优先选取“匙孔”焊接模式。。。但电子束在真空下焊接，
，其工件导热前提、、熔池理论张力、、气孔（空穴）等相比激光焊接均各有分歧。。。

现有钻研重要集中在单一焊接步骤的机能优化，
，不足对这两种焊接技术在钛合金焊接中的直接对比。。。本文将对激光焊接与电子束焊接机能进行对比钻研，
，通过深刻分析两者在焊接过程中所阐发的各项机能，
，为钛合金加工制作提供越发科学的焊接步骤，
，推动该领域技术的进一步发展。。。

1、、试验资料及步骤

1.1试验资料

选用满足GB/T3621—2007的10mm厚TA5板材，
，试板规格为300mm×150mm×10mm，
，其化学成分见表1。。。其力学机能Rm≥685MPa、、Rp0.2≥585MPa、、A≥12%。。。

1.2焊接过程

电子束焊接设备选取150kV、、60kW高压定枪电子束焊机。。：：附邮毖∪150kV电压、、40mA束流，
，焊接速度1500mm/min。。。激光焊接选取20kW光纤激光器，
，焊接时使用11kW功率，
，焊接速度为1100mm/min。。。

1.3力学机能和无损检测

在型号为MTSE45.305-A的300kN资料试验机上进行拉伸试验，
，在型号为BHT5106的弯曲试验机上进行弯曲测试，
，试验过程切合GB/T228及CB/T4363划定。。。对焊后试板依照NB/T47013.2及NB/T47013.5进行射线检测和渗入检测。。。

2、、试验了局与分析

2.1焊缝理论和截面描摹

两种焊接步骤焊后均得到成型良好的焊接试板，
，焊缝外观如图4所示。。？？煽闯，
，两种焊接步骤焊缝正面宽度均为3.5～4.5mm。。。由于电子束焊和激光焊均没有填充金属，
，焊道两侧熔合线左近有轻微下凹（并非弧焊中的咬边）。。：：阜毂趁姹日媛哉，
，宽度3～4mm，
，均为典型“大深宽比”的单面焊双面成型描摹。。。同时，
，由于焊接过程温度梯度大，
，焊缝冷却快，
，形成了鱼鳞纹。。。电子束焊是在真空环境焊接，
，且其焊缝背面由于没有类似激光焊接的背部气体；；，
，没有任何气体压力，
，其背部成型光滑度相比激光较差。。。同时，
，由于电子束焊接速度大于激光焊接速度，
，其焊缝正背面两侧相比激光有轻微部门咬边。。。对两试板依照NB/T47013.2及NB/T47013.5进行射线检测和渗入检测，
，射线检测满足Ⅱ级，
，渗入检测满足Ⅰ级要求。。。

2.2组织分析

图5显示了电子束焊及激光焊接接头微观金相。。：：阜烨╓Z）为锯齿状α并弥散点状β，
，锯齿状α中混合少量非平衡六方晶格马氏体α'，
，马氏体常见截止在原始β晶界，
，大多时辰α'与针状α有时难以分辨。。。由于TA5合金险些没有β不变动元素，
，因而马氏体α'特点及描摹阐发并不显著；；而近焊缝的热影响区（HAZ）和近母材（BM）的HAZ均为锯齿状α+点状β[6]。。。

图6、、7别离为电子束及激光焊焊接接头柱状晶区的焊缝区和热影响区的EBSD图像（彩图见电子版，
，下同）。。？Ｄ芄豢闯，
，两种焊接步骤，
，凝固时原始β柱状晶界清澈，
，而在柱状晶内部为十字交错的α+α'混合组织。。。由热影响区EBSD能够看出，
，焊缝侧晶粒尺寸较大，
，呈锯齿状，
，而母材侧晶粒越发藐小，
，更趋于等轴晶特点。。。两种焊接步骤焊缝区及热影响区晶粒状态差距不大，
，均为典型的高能束焊接描摹。。。

由于高能束焊能量密度极高，
，对金属是一种急剧加热、、冷却、、凝固和结晶过程，
，会形成近似平行的大深宽比焊缝。。。对于被焊接资料，
，被溶解金属体积越小，
，焊策应力和焊接变形则越小。。。因而，
，从使用角度分析，
，高能束焊接质量往往优于必要开大角度坡口的弧焊。。。对焊接后的试板进行宏观金相观测，
，如图8所比的高能束焊缝描摹，
，深宽比均≥2∶1，
，两种接头的母材（BM）、、热影响区（HAZ）及焊缝区（WZ）及熔合线清澈，
，焊缝区域的晶粒取向清澈。。。

对比发现，
，电子束焊缝截面为险些平行的小角度“倒梯形”截面，
，而激光焊接截面为典型的“束腰形”截面，
，造成这种了局原因在于焊接接头各区域的热量散布和温度梯度。。。首先电子束焊接能量密度大于激光焊，
，同时焊接速度也大于激光焊接，
，在焊接前进方向的温度梯度会大于激光焊接，
，易形成险些近似平行的极窄焊缝截面。。。若是进一步增长焊接板厚及电子束功率，
，将形成齐全平行的焊缝截面，
，这在好多钻研中已经得到印证[9]。。。进一步观察电子束焊缝晶粒取向，
，险些无指向焊缝中心的柱状晶。。。由于焊缝中心温度梯度最大，
，在焊缝上1/3处晶粒取向趋向于中心左袒焊缝理论，
，切合电子束焊缝特点。。。

大功率激光焊亦为“匙孔焊”，
，能较好地保障焊接质量。。。这是由于，
，钛合金焊接时，
，由于溶化在液态金属中的H原子在凝固时溶化度急剧降低，
，凝固的熔池不能溶化更多的H原子，
，将会以氢气分子大局析出，
，形成氢气孔。。。！俺卓缀浮笨赡芗笤龀て滓莩龅奶烨登疤，
，降低气孔率。。。因而，
，大厚度钛合金等离子焊和激光焊均选取“匙孔焊”。。。

观察激光焊接截面，
，焊缝上部为椭圆形，
，可能看到显著的结晶柱状晶特点，
，由于焊缝理论温度梯度较大，
，出现向焊缝中心偏上的方向倾斜。。：：阜熘胁坑捎谖露忍荻群蜕⑷认薅瘸鱿种吹戎峋氐。。。下部为三角形柱状晶区，
，整体组成典型的“束腰形”截面。。。

进一步观察焊缝区上部椭圆形柱状晶区，
，由于越靠近焊缝理论，
，温度梯度越大，
，随着温度梯度降低，
，一次结晶柱状晶方向趋于指向焊缝中心内部。。。而焊缝背面散热前提与正面类似，
，中心散热差，
，越靠近下理论散热越好，
，因而会形成一个藐小等轴晶粒束腰区和下理论的柱状晶区。。。

2.3拉伸和弯曲机能

依照NB/T47014—2011对焊接试板进行拉伸试样、、弯曲试样制样，
，依照GB/T228及CB/T4363进行力学机能测试，
，了局如表2、、3所示，
，力学机能均可能满足尺度要求。。。

由表2、、3可看出，
，电子束和激光焊接接头强度均超过尺度要求685MPa，
，接头合格。。。对每种焊接步骤拔取4个横向弯曲试样，
，尺寸为10mm×10mm×300mm，
，在d＝10t、、弯曲角度为90°的前提下进行侧弯试验，
，理论无任何大于3mm的可见裂纹，
，弯曲机能优良。。。

2.4焊接接头硬度散布

对两种接头依照GB/T4340进行HV5维氏硬度检测，
，如图9所示。。？Ｄ芄豢吹，
，激光焊接与电子束焊接接头的焊缝区显微硬度均有所提高，
，这重要是焊缝中存在少量的针状马氏体α'，
，由于显微硬度值α'＞α＞β相，
，因而焊缝区硬度变高。。。

对于激光焊，
，HAZ区域受到高温作用，
，晶粒长大，
，造成软化而硬度值降低；；而电子束焊接HAZ区域硬度与母材硬度差距不大，
，满足有关尺度要求。。。

钛合金焊接易受N、、H、、O传染，
，温度超过400℃时，
，起头吸氧、、吸氮、、吸氢而产生增重。。。在高于600℃时反映剧烈，
，使钛的机能恶化，
，产生的化合物使母材硬度提高而塑性显著降低，
，部门化合物也会影响冲击韧性。。。因而，
，《钛制焊接容器》释义及《船用钛合金焊接工艺要求》中也明确钛合金接头中焊缝及热影响区硬度不宜显著高于母材。。。由图9能够看出，
，无论焊缝区还是热影响区硬度均相比母材均为显著提升，
，并未出现由于焊接过程中氧化（重要为O和N）引起硬度异常景象。。。

2.5仿真了局分析

选取ABAQUS对两种焊接过程中的温度场及熔池描摹特点进行仿真，
，进而相识两种焊接步骤的瞬态热循环，
，量化热量传递过程，
，能够明确熔池形成过程与温度梯度散布，
，以及两种焊接步骤下热影响区的散布特点。。。图10为本文所选取的热源模型，
，蕴含高斯旋转体热源、、高斯面热源与锥体热源复合热源。。。

如图10（a）所示，
，为高斯面热源模型示意图，
，其推算公式如下：：

式中：：q（r）为能量密度；；r为热源内肆意一点到热源中心的距离；；R为热源有效作用半径；；P为功率；；η为热效能。。。

如图10（b）所示，
，为锥体热源模型示意图，
，其推算公式如下：：

式中：：q（r，
，z）为能量密度；；r为热源内肆意一点到热源中心的距离；；r0为热源最大作用半径；；P为功率；；η为热效能；；H为热源总高度；；re和ri别离为热源高低端的最大作用半径。。。

如图10（c）所示，
，为为高斯旋转体热源模型示意图，
，其推算公式如下：：

式中：：q（r）为能量密度；；Cs为热源修改系数；；H为热源有效深度；；Q为有效热量；；z为是深度方向变量。。。

选取结构化的六面体网格划分方式，
，焊缝左近选取近小弘远的网格尺寸设计，
，选用的是DC3D8的八节点线性传热六面体单元。。。最小单元尺寸为0.5mm×0.5mm×2mm。。。仿照中的初始温度设置为室温20℃。。。对于电子束焊接，
，属于真空环境，
，仅存在焊件理论辐射散热。。。辐射系数ε为0.8。。。推算参数如下:加快电压为150kV、、电子束流为40mA、、焊接速度为1.5m/min。。？Ｋ伎夹】仔в拖质岛阜熳刺，
，通过高斯旋转体热源仿照电子束焊接过程，
，焊接热效能取为0.85[10-11]。。：：附硬槐浜笪露瘸∪缤11所示。。。

选取同样前提，
，仿照激光焊接过程。。？Ｋ伎嫉郊す馍钊酆附拥暮阜烀枘√氐，
，因而选取组合热源，
，通过高斯面热源与圆锥体热源的复合作用，
，使仿照了局与现实焊缝特点相吻合[10]。。。设定初始环境温度为25℃、、环境辐射系数ε为0.85、、对流换热系数h为16J/（m2·s-1·℃-1）、、焊接热效能设置为0.8。。。同时仿照激光功率为11000W、、焊接速度为1.1m/min。。：：附硬槐浜笪露瘸〖昂阜旖孛嫒缤12所示。。。

由图12能够看出，
，仿真了局显示在焊接前进方向，
，电子束不变梯度远远高于激光焊接，
，加上电子束焊接工件向外界热传递远低于大气环境，
，因而极易形成极窄的大深宽比焊缝；；而激光焊接固然相比弧焊能量密度极高，
，但由于吸收、、散热、、反射（羽辉）等成分影响，
，其熔池能量密度小于电子束焊缝，
，因而在较大板厚时会形成“漏斗状”或“束腰状”焊缝截面。。。

3、、结论

（1）对于TA5合金，
，电子束和激光焊均能实现2∶1大深宽比焊接，
，激光焊焊缝区截面为“束腰”描摹，
，而电子束焊缝区为典型的“I”描摹。。。通过ABAQUS仿真，
，印证了两种焊接步骤焊缝截面状态的差距。。。

（2）TA5合金电子束和激光焊焊接接头强度相比，
，激光焊接头强度更高，
，两种焊接步骤焊接接头机能优良。。。

（3）两种焊缝区柱状晶区显著，
，焊缝区重要为锯齿状α并弥散点状β。。。而在柱状晶内部为十字交错α+α'混合组织。。。

（4）电子束和激光焊焊接接头硬度检测批注，
，均为焊缝区硬度略有升高，
，激光焊HAZ区域略有降低。。。

参考文件:

[1]王建忠，
，敖庆波，
，荆鹏，
，等．多孔钛的制备及利用[J]．罕见金属资料与工程，
，2022，
，51(5)：：1907-1918．

[2]；；，
，廖志谦，
，王向东．海洋工程钛金属资料[M]．北京：：化学工业出版社，
，2016．

[3]李亚江．轻质资料焊接[M]．北京：：化学工业出版社，
，2019．

[4]何书林，
，冯永琦，
，王永强，
，等．TA5钛合金组织对锻件机能的影响[J]．金属学报，
，2002，
，38(z1)：：204-205．

[5]刘守义，
，王有君，
，耿涛，
，等．钛合金MIG焊接头组织机能[J].大连交通大学学报，
，2018，
，39(3)：：86-88．

[6]雷小伟，
，刘甲，
，余巍，
，等．TA5钛合金万瓦光纤激光焊接工艺钻研[J]．罕见金属资料与工程，
，2024，
，53(2)：：417-423．

[7]黄先明，
，谢文龙，
，王瑞琴，
，等．海洋工程用TA5-A钛合金中厚板材钻研[J]．热加工工艺，
，2017，
，46(5)：：163-165．

[8]陈利阳，
，雷小伟，
，殷亚运，
，等．CuNi90/10合金电子束焊接工艺钻研[J]．资料开发与利用，
，2023，
，38(4)：：92-97．

[9]高奇，
，蒋鹏，
，耿永亮，
，等．Ti-6321大厚度钛合金电子束焊接接头组织及机能[J]．罕见金属资料与工程，
，2020，
，49(3)：：990-996．

[10]季齐宝，
，王文焱，
，张帅锋，
，等．TA2工业纯钛激光焊接的数值仿照分析[J]．激光与光电子学进展，
，2022，
，59(17)：：274-281．

[11]邢飞，
，孙海江，
，刘伟军，
，等．氧含量对激光定向能量沉积Ti-6Al4V钛合金组织和机能的影响[J]．热加工工艺，
，2024，
，53(2)：：88-93