摘要：为探究交变磁场对国产某型TC4钛合金窄间隙TIG焊接接头组织与性能的影响，深入探讨了焊接工艺对接头微观结构以及力学性能进行表征。实验结果表明焊缝及热影响区（HAZ）的初始微观组织由β相、α相及α'相构成。交变磁场在焊接过程中的影响显著，不仅影响强化相的生成和形态，还能通过促进熔池搅拌起到细化晶粒的作用。特别地，交变磁场有利于焊缝中马氏体的生成，在6.5 mT和10 Hz焊接参数下，焊缝组织中马氏体含量增加至8.97%，这一含量的增加对接头的力学性能产生了积极影响，使得接头强度达到了1 040 MPa，超出母材的强度，且断后伸长率达到6.9%，展现出良好的塑性。此外，接头显微硬度最大值均出现在HAZ区域，最大值达到355 HV，这一硬度值与焊缝中马氏体含量及形态有着直接的对应关系。综上所述，在6.5 mT和10 Hz的焊接参数下进行焊接，能够获得具有优良组织和综合力学性能的TC4钛合金接头，上述研究为焊接参数的选择和探究提供依据和参考。

　　关键词：磁控窄间隙TIG焊接；TC4钛合金；焊接工艺；组织性能

　　0引言

　　TC4钛合金作为一种应用最广泛的α+β型钛合金之一，具备优良的耐腐蚀性、高比强度及良好的焊接性能。因钛合金突出的综合性能被广泛应用在新能源汽车制造、航空航天、海洋工程、医疗设施等关键领域，具有极大的发展空间及应用市场[1-5]。

　　近些年，伴随新能源产业的兴起以及人们对于环保意识的增强，厚板钛合金的应用十分普遍，同时对于钛合金焊接工艺方面的要求也越来越高。目前针对厚板钛合金的焊接多围绕在高能量输入的电子束、激光、等离子焊接，国内外学者分别探索了不同焊接方法对接头组织及性能的影响[6-8]。但这几类方法生产成本高，同时对构件的装配精度的要求也较为严格，导致在实际工程应用中有一定局限性，因此探索出更加高效经济，便捷实用且适用于厚板钛合金的焊接方法对于推动钛合金结构在工程中的应用具有十分重要的研究价值[9-10]。

　　20世纪60年代初，Brown等[11]最早尝试利用磁场辅助TIG焊接，研究结果表明，在电磁搅拌作用下焊接过程能够实现焊缝组织的细化，并降低焊缝区域产生气孔的概率。从此，国内外学者开始对磁场对焊接过程产生的影响进行了广泛的研究。1992年，Charls Vives[12]对磁场作用下的焊接过程的研究结果表明，磁场搅拌熔池，会对焊缝内部柱状晶的生长有很大影响、会进一步促进柱状晶向等轴晶组织转变。直至2020年，对于磁场方面的探索依旧在不断深入，磁场应用被认为是抑制缺陷和操控接头质量的关键推动因素，孙雅杰等[13]对磁控电弧焊接过程及新技术研究进展综述，重点介绍磁控作用下的电弧增材制造技术、磁旋电弧下的焊接技术等，并对磁控焊接技术的发展趋势进行了展望。

　　磁控窄间隙TIG焊接技术及其设备是由乌克兰国家科学院巴顿焊接研究所提出并完成研发的，磁控窄间隙TIG焊接工艺依靠磁场对焊接电弧进行调控，最突出的作用是避免焊接时侧壁位置出现不熔合的现象。在接头组织方面，磁场搅拌熔池对于晶粒的细化起到关键作用。该焊接方法在传统TIG焊接方法的基础上，焊枪位置添加有导磁体用来输出磁场，即在不开大型坡口的前提下，在两板之间的窄间隙位置进行施焊，通过控制机柜对磁场进行调控，被磁场包围焊接电弧，受到磁场的作用会发生不同程度的偏移，电弧在此过程中发生扩张或放大。进而间接改变了焊接电弧的形态与热量分布[14]。

　　本文以国产某型TC4钛合金为研究对象，进行磁控窄间隙TIG焊接试验，对不同工艺下的接头组织及力学性能进行了表征，重点研究了磁场强度及磁场频率对接头组织及力学性能的影响，深入探索磁场对于焊缝组织的作用机理，为厚板钛合金在实际工程应用中提供可靠的理论指导以及实验基础。

　　1试验方法

　　TC4钛合金母材为500 mm×45 mm×30 mm的板材，在板材两侧分别加工出深度20 mm厚度的焊槽，采用I型坡口形式，坡口间隙10 mm，垫板材料为30 mm宽、10 mm厚的板材，选用直径为3.0 mm的TC4焊丝，第一道焊缝平铺在焊道底部上方。焊接前使用钢丝刷及砂纸对焊道内部进行清洁，再使用酒精进行擦拭清洗。钨极尖端距离焊道底部6 mm，为防止焊接侧壁不熔合，焊接过程选取磁场强度在5~8 mT，磁场频率在6~14 Hz范围内，焊接参数如表1所示，其中编号1/3/5代表以磁场强度为单一变量的焊接参数，编号2/3/4代表以磁场频率焊接参数。

　　焊接实验后，选取不同焊接参数下的接头样品进行组织及力学性能的表征，金相试样选取方式如图1所示，将切割完成后的试样采用240#~2000#型号的砂纸依次进行打磨并使用机器完成抛光，使用HF+HNO3+H2O的腐蚀液进行腐蚀3~5 s。将腐蚀完成的样品通过蔡司Axiolmager M2m金相显微镜观察，相统计基于开源软件ImageJ完成。使用MTS5105拉伸机检测接头抗拉强度，在进行室温拉伸试验之前，为了避免拉伸期间焊缝轮廓对应力集中的影响，用抛光机对焊缝试样表面进行研磨，每个样品进行3次拉伸取平均值。使用Wilson VH1202维氏硬度计在焊缝截面上以0.5 mm的间距进行显微维氏硬度测量，在200 g的负载下进行10 s的检测，每个点测试2次，并计算出平均值。

　　2结果与讨论

　　2.1焊接接头外观及组织形貌分析

　　如图2所示，焊缝高度4~5 mm，焊缝表面保护效果良好无明显氧化色彩，但能够发现部分焊缝出现侧壁未熔合的现象。在不同焊接参数下焊接接头表面能够观察出侧壁未熔合的出现，焊缝表面保护效果良好，同时接头表面无明显焊接缺陷。从图3焊缝截面的低倍组织形貌可以看到，在熔合线与母材中间位置形成大量细小均匀的薄层细晶粒区，这是由于焊缝结晶首先从靠近母材位置开始，这由于母材区域的散热效果而产生的极大过冷度[15]。在薄层细晶区内部会形成垂直于熔合线方向的粗大柱状晶，这时受到先形核的细晶区会阻碍一部分热量散发，同时细晶区也会释放大量的结晶潜热，以上原因均会导致液态金属冷却速率开始下降，温度梯度变得平缓，开始形成柱状晶。同时沿垂直于熔合线方向导热速度最快且熔合线附近温度梯度较大，因此柱状晶朝焊缝中心生长。而在熔池中部会形成等轴晶粒，这是由于中部剩余液体散热开始无方向性，晶核自由生长，因此形成了等轴晶[16]。

　　图4所示为焊缝组织微观结构，可以看到焊缝及热影响区组织由原始β相、α相及α'相组成，焊缝区存在大量的α'以针状形式交错分布在β基体上，而热影响区的α'相分别以针状、等轴两种形式存在并散落分布在β基体上。为了进一步量化组织中的相含量，分别对焊缝区及热影响区中的α'相含量进行统计，统计结果如图5

　　参考文献：

　　[1]郭鲤,何伟霞,周鹏,等.我国钛及钛合金产品的研究现状及发展前景[J].热加工工艺,2020,49(22):22-28.GUO L,HE W X,ZHOU P,et al.Research status and develop⁃ment prospect of titanium and titanium alloy products in china[J].Hot Working Technology,2020,49(22):22-28.

　　[2]ZHANG Z X,QU S J,FENG A H,et al.Hot deformation behav⁃ior of Ti-6Al-4V alloy:Effect of initial microstructure[J].Jour⁃nal of alloys and compounds,2017,718:170-181.

　　[3]ZHAO G,ZHANG J,ZHANG S,et al.Interfacial microstructure and mechanical properties of TiAl alloy/TC4 titanium alloy joints diffusion bonded with CoCuFeNiTiV0.6 high entropy alloy inter⁃layer[J].Journal of Alloys and Compounds,2023,935:167987.

　　[4]ZHANG Y,CHEN Y K,ZHOU J P,et al.Experimental and nu⁃merical study on microstructure and mechanical properties for la⁃ser welding-brazing of TC4 Titanium alloy and 304 stainless steel with Cu-base filler metal[J].Journal of Materials Research and Technology,2020,9(1):465-477.

　　[5]曹彬彬,李杜伟.钛、铝制压力容器制造中焊接方法的应用分析[J].机电工程技术,2020,49(5):179-180.CAO B B,LI D W.Application analysis of welding methods in the manufacture of titanium and aluminum pressure vessels[J].Mechanical&Electrical Engineering Technology,2020,49(5):179-180.

　　[6]牟建伟,刘艳梅,史吉鹏,等.焊接次数对TC18钛合金中厚板电子束焊接接头组织及性能的影响[J].机械工程材料,2024,48(1):29-33.MOU J W,LIU Y M,SHI J P,et al.Effect of welding time on mi⁃crostructure and mechanical properties of electron beam welded joint of tc18 titanium alloy medium-thick plate[J].Materials for Mechanical Engineering,2024,48(1):29-33.

　　[7]苗玉刚,王清龙,李春旺,等.中厚板钛合金激光-CMT复合焊接工艺特性分析[J].焊接学报,2022,43(8):42-47.MIAO Y G,WANG Q L,LI C W,et al.Characterization of laser arc hybrid welding process for medium-thick titanium alloy plate[J].Transactions of the China Welding Institution,2022,43(8):42-47.

　　[8]廖志谦,王忠平.钛合金厚板的等离子焊接[J].材料开发与应用,2005,20(4):27-28.LIAO Z Q,WANG Z P.Plasma welding of titanium alloy thick-plate[J].Development and Application of Materials,2005(4):27-28.

　　[9]陈京生,孙葆森,安康,等.钛合金在兵器装备上的应用[J].兵器装备工程学报,2020,41(12):14-20.CHEN J S,SUN B S,AN K,et al.Titanium alloys for ordnance equipment applications[J].Journal of Ordnance Equipment Engi⁃neering,2020,41(12):14-20.

　　[10]安飞鹏,王其红,李士凯,等.钛合金厚板窄间隙焊接技术的现状[J].焊接技术,2014,43(12):1-5.

　　[11]Brown D C.The effect of electromagnetic stirring and mechani⁃cal vibration[J].Weld.J.,1962,41:241-250.

　　[12]VIVES C.Elaboration of semisolid alloys by means of new elec⁃tromagnetic rheocasting processes[J].Metallurgical Transac⁃tions B,1992,23(2):189-206.

　　[13]孙雅杰,常云龙.磁控电弧焊接过程及新技术研究进展[J].材料导报,2020,34(21):21155-21165.SUN Y J,CHANG Y L.Development of magnetically controlled arc welding process and new technology[J].Materials Reports,2020,34(21):21155-21165.

　　[14]李双,徐望辉,李锋,等.30 mm厚钛合金TC4磁控电弧窄间隙TIG焊接接头组织及力学性能研究[J].焊接,2018(01):41-45.LI S,XU W H,LI F,et al.Microstructures and mechanical prop⁃erties of 30 mm thick titanium alloy tc4 welded joint by narrow gap tig welding[J].Welding&Joining,2018(1):41-45.

　　[15]孙清洁,郭宁,胡海峰,等.磁场对厚板Ti-6Al-4V合金窄间隙TIG焊缝组织的影响[J].中国有色金属学报,2013,23(10):2833-2839.　weld structure of large thickness Ti-6AL-4V alloy with narrow-gap tig welding method[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2013,23(10):2833-2839.

　　[16]HU C,WANG C,MA X,et al.EBSD study on magnetic field al⁃tering crystal texture and grain growth during laser-hybrid weld⁃ing[J].Materials&Design,2022,216:110587.

　　[17]BIN W,YANG Y,ZHOU J,et al.Microstructure refinement of AZ91D alloy solidified with pulsed magnetic field[J].Transac⁃tions of Nonferrous Metals Society of China,2008,18(3):536-540.

　　[18]LI G R,QIN T,FEI A G,et al.Performance and microstructure of TC4 titanium alloy subjected to deep cryogenic treatment and magnetic field[J].Journal of Alloys and Compounds,2019,802:50-69.

　　[19]XU M,CHEN Y,ZHANG T,et al.Microstructure evolution and mechanical properties of wrought/wire arc additive manufac⁃tured Ti-6Al-4V joints by electron beam welding[J].Materials Characterization,2022,190:112090.

　　[20]WANG L,CHEN J,JIANG C L,et al.Numerical simulations of arc plasma under external magnetic field-assisted gas metal arc welding[J].AIP Advances,2020,10(6):065030.

　　[21]WANG L,CHEN J,WU C S.Numerical investigation on the ef⁃fect of process parameters on arc and metal transfer in magneti⁃cally controlled gas metal arc welding[J].Vacuum,2020,177:109391.

　　[22]KUMAR K,MASANTA M,SAHOO S K.Microstructure evolu⁃tion and metallurgical characteristic of bead-on-plate TIG welding of Ti-6Al-4V alloy[J].Journal of Materials Processing Technology,2019,265:34-43.

　　[23]XIONG L,MI G,WANG C,et al.Numerical simulation of resid⁃ual stress for laser welding of Ti-6Al-4V alloy considering sol⁃id-state phase transformation[J].Journal of Materials Engineer⁃ing and Performance,2019,28(6):3349-3360.