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。。

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