像Ti-6Al-4V这样的轻质高强度合金在航空航天结构中越来越受到重视，因为它们可以通过减重来提高燃油效率1, 2。Ti-6Al-4V（5级）具有出色的强度重量比和良好的焊接性能，使其成为替代机械连接件的理想选择3, 4, 5。然而，Ti-6Al-4V的焊接会引入复杂的热循环，可能产生显著的残余应力和变形，从而影响航空航天部件的疲劳性能和尺寸稳定性6, 7。如果残余应力较高，还可能出现焊接缺陷（如裂纹、气孔）和应力集中8, 9。因此，了解和控制Ti-6Al-4V焊接过程中的残余应力及其与合金固态相变和微观结构的关系至关重要10, 11, 12。
Ti-6Al-4V是一种α+β钛合金，其β相变温度约为995 °C 13, 14。在该温度以上，材料为单相β（体心立方结构）；而在该温度以下，平衡微观结构由α（六方密排结构）和少量未完全转变的β相组成15, 16。焊接过程中，熔合区迅速加热至β相区域，随后熔池和热影响区快速冷却。当冷却速度非常高（超过410 °C/s）时，Ti-6Al-4V会发生无扩散的马氏体转变，从β相转变为六方α′相（马氏体α），而不是形成平衡的α+β混合物[17]。由于Ti-6Al-4V的β稳定剂含量较低，其马氏体起始温度（Ms）远高于室温，因此在典型的焊接冷却速率下，几乎所有的高温β相都会转变为马氏体18, 19, 20。形成的α′相以细针状形态存在于原有的β晶粒内部21, 22, 23。这种马氏体微观结构富含铝和钒，具有高位错密度和内部应变22, 24。值得注意的是，同一β晶粒内的不同α′晶片具有不同的晶体取向（遵循Burgers取向关系），这导致转变后的马氏体内部产生较高的微观应变和残余应力25, 26, 27。因此，这种快速的无扩散转变产生了非常高的强度，但焊接后的微观结构相对脆性较大，延展性低于平衡退火状态23, 28。
β→α′相变的另一个重要后果是形成了特定的转变纹理29, 30。在马氏体转变过程中，每个β晶粒可以根据Burgers取向关系生成多达十二种不同的α变体31, 32。尽管均匀分布的α变体会减弱纹理，但由于β晶粒沿激光焊接的热梯度取向强烈结晶，实际焊接中很少出现这种情况33, 34, 35。因此，柱状β晶粒会形成明显的凝固纹理，这种纹理在转变过程中被α′相继承36, 37。在实际中，某些α′变体会因晶体兼容性或聚集效应而占主导地位，而在约束条件下，转变过程可能会进一步影响变体的选择，尽管这种效应在钛合金中比在钢材中较弱29, 30。最终，焊接后的Ti-6Al-4V微观结构中同时存在凝固纹理和转变纹理。实验上表现为各向异性的衍射现象，某些反射强度随测量方向的不同而显著变化，表明α′晶格具有优先取向38, 39, 40。
焊接后的Ti-6Al-4V残余应力主要来源于冷却过程中的非均匀热收缩11, 41。光纤激光焊接的高冷却速率会产生陡峭的热梯度，导致熔合区和热影响区局部收缩，这种收缩受到周围基材的约束42。这会在焊缝附近产生高拉伸应力，并在远场产生压缩应力11, 43。虽然相变会影响应力演变，但在钛合金中的影响有限44。在钢材中，奥氏体向马氏体的转变会引起较大的体积膨胀，显著改变残余应力场45。相比之下，Ti-6Al-4V的β→α′转变仅引起微小的体积变化，因此对其峰值应力的影响较小42, 46。先前的建模研究7, 44, 47, 48, 49, 50也表明，尽管相变可能影响变形或局部应力松弛，但Ti-6Al-4V焊接中残余应力的主要驱动力仍然是热诱导的应变。尽管如此，冷却速率和转变动力学的空间变化仍可能通过影响微观结构不均匀性来局部扰动应力分布。
为了提高结构完整性和尺寸稳定性，通常会对焊接后的钛合金部件进行后处理，因为机械应力释放方法对高强度钛合金效果不佳51, 52, 53。典型的应力释放工艺是将Ti-6Al-4V加热到亚共析温度（大约480–650 °C），保持一段时间以促进蠕变松弛，然后缓慢冷却以防止新的热梯度形成54, 55, 56。在这些温度下，合金的屈服强度会显著下降，使残余应力降低到较低的高温屈服水平57, 58。缓慢冷却可以保持更低的残余应力状态42, 59。后热处理（PWHT）还会改变焊接后的马氏体微观结构：α′相在回火过程中会分解为α+β混合物，导致晶片粗化和β相沉淀60, 61。因此，PWHT既能缓解残余应力，又能部分逆转转变引起的纹理。然而，在大型航空航天结构中，对整个部件进行PWHT可能不切实际，因此明确了解焊接后的状态非常重要，这也激发了对局部热处理或表面技术（如激光冲击强化）的兴趣，以减轻拉伸残余应力。
鉴于此背景，本研究探讨了固态相变如何影响光纤激光焊接Ti-6Al-4V中的残余应力发展，以及焊后热处理和机械约束如何改变这种关系。尽管之前的研究分别考察了微观结构或残余应力，但Ti焊接中β→α′相变、纹理演变和由此产生的三轴应力场之间的明确关联仍需进一步探索。为此，我们利用neutron diffraction无损地测量了整体残余应力，并结合EBSD技术分析了焊接态和热处理态下的微观纹理、晶粒形态和相组成。在不同夹紧条件（自由、部分固定和完全约束）下进行的有限元模拟进一步明确了机械约束对应力和变形的影响。本工作的创新之处在于直接将β→α′马氏体转变及其在热处理过程中的部分逆转与激光焊接Ti-6Al-4V中的残余应力空间分布和晶体纹理发展联系起来。研究结果还为是否标准应力释放处理能够充分降低高拉伸应力提供了实际指导，并揭示了这些处理可能无意中改变转变引起的纹理。总体而言，我们的发现为优化Ti-6Al-4V部件的焊接完整性提供了指导，对航空航天应用中的疲劳性能和尺寸稳定性具有直接意义。
