前言

TC4（Ti-6Al-4V）為一種α+β鈦合金，具備比強度高、耐蝕性好、高溫性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于火箭殼體和航天器等航空航天領(lǐng)域，具有重大的戰略意義［1-2］。TC4鈦合金也是目前使用量最大的鈦合金，約占鈦合金總產(chǎn)量的50%以上［3-4］。

由于TC4鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，焊接過(guò)程中極易與氧形成氧化物，并且在 250 ℃時(shí)吸收氫形成TiH2，700 ℃會(huì )與氮反應生成脆硬 TiN，降低焊接接頭沖擊韌性［5］。為防止TC4焊接接頭被污染，確保質(zhì)量，TC4鈦合金結構件的常用焊接方法主要有非熔化極氣體保護焊（Tungsten Inert Gas，TIG）、熔化極氣體保護焊（Metal Inert Gas，MIG）、電子束焊（Electron Beam Welding，EBW）、激光焊（Laser BeamWelding，LBW）等。TIG、MIG 焊焊接效率低、熱輸入較大，焊縫及熱影響區較寬、晶粒較粗大，焊接接頭綜合性能不好；電子束焊接需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，保護成本過(guò)高，工件尺寸也受到很大限制［6］；激光焊接熱源能夠提供與真空電子束焊相近的能量密度且無(wú)須真空環(huán)境，具有試件變形和殘余應力小、深熔焊焊縫的深寬比大、焊接熱影響區窄及易操作等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應用于TC4鈦合金焊接。

本文對國內外TC4鈦合金激光焊接、激光填絲焊及激光-電弧復合焊接技術(shù)在焊縫成形、焊縫微觀(guān)組織轉變及性能研究等方面進(jìn)行綜述，以期為今后的TC4激光焊接技術(shù)研究發(fā)展提供思路。

1 、工藝參數對焊縫成形的影響

1.1 激光焊接

TC4鈦合金焊接主要采用基于“小孔效應”的深熔焊，激光被材料吸收后基于光熱效應轉化為熱能，當激光輻射照度超過(guò) 106 W/cm2時(shí)，激光能量導致材料表面熔化，并且伴隨蒸發(fā)，當蒸氣引起的反沖壓力大于液態(tài)金屬表面張力和重力時(shí)，會(huì )排開(kāi)一部分液態(tài)金屬，促使激光束作用的熔池向下，形成小坑，隨著(zhù)熔化和氣化過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)生，使小孔加深，最終形成類(lèi)似鎖眼的小孔，也稱(chēng)為“匙孔”，當激光束在小孔內產(chǎn)生的金屬蒸氣壓力與液態(tài)金屬表面張力和重力達到平衡后，會(huì )得到一個(gè)深度穩定的小孔，即為“小孔效應”［7］。激光深熔焊時(shí)，小孔穩定性對獲得成形美觀(guān)、組織連續無(wú)缺欠、力學(xué)性能佳的優(yōu)質(zhì)焊縫至關(guān)重要?；谛】仔纬蓹C理及過(guò)程中產(chǎn)生的“側壁聚焦效應”，小孔吸收激光能量的“小孔內壁表面的Fresnel吸收”和“等離子體反韌致輻射吸收”機制，可知激光焊接過(guò)程中小孔深度、大小及穩定性主要與焦點(diǎn)位置、激光功率和焊接速度等參數有關(guān)。

焦點(diǎn)位置決定被焊工件表面激光光斑尺寸，從而改變激光輻照效率，輻照效率的變化會(huì )引起焊接模式改變。李明軍等［8］使用碟片激光器焊接 5 mm厚TC4鈦合金板發(fā)現，當激光功率為 4.3 kW，焊接速度為2.7 m/min時(shí)，不同的離焦量可獲得酒杯形、I形和近 X 形焊縫截面形貌，如圖 1 所示。由圖 1 可知，離焦量對焊縫下部尺寸的影響要比上部大。楊爍等［9］在進(jìn)行薄壁管激光焊時(shí)發(fā)現，離焦量會(huì )提高焊縫寬度，但同時(shí)會(huì )降低能量密度，因此需要配合調整激光功率，以獲得較好的熔透效果。激光功率是影響焊縫成形的主要因素之一。

Panwisawas 等［10］使用高速攝像結合有限元模擬技術(shù)對小孔的形成原因及其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究發(fā)現，當離焦量和焊接速度不變時(shí)，隨著(zhù)激光功率的增加，熱輸入增加，導致液態(tài)熔池尺寸變大，焊縫的熔寬和熔深都會(huì )增加，直至焊穿，如圖2所示。在焊透中厚TC4鈦合金板時(shí)，激光功率增加會(huì )使焊縫熔寬增大，液態(tài)熔池向母材擴散能力提升，使焊縫橫截面由 I 形向 X 形轉變［11］。焊接 1.2 mm 的薄板，焊接速度為 1.4 m/min，離焦量+1 mm 時(shí)，由圖 3 可知，隨著(zhù)激光功率由1 kW增加至1.6 kW，焊縫熔寬增大，截面形貌由酒杯形逐漸轉變?yōu)镮形，表明焊縫上、下部熔寬尺寸差異會(huì )隨著(zhù)激光功率的增加而減小，并且焊縫中部的“駝峰”也隨之減小，但未完全消除［12］。

焊接速度對焊縫成形的影響主要來(lái)自于焊接熱輸入變化。隨著(zhù)焊接速度增加，焊接熱輸入減小，熔化的母材隨之減少，導致焊縫熔深和熔寬均減小。焊接速度過(guò)快或過(guò)慢都會(huì )導致焊接過(guò)程不穩定，焊縫連續性差［13］。張可榮等［14］使用 ANSYS有限元軟件建立了TC4鈦合金激光深熔焊小孔形貌與各工藝參數關(guān)系，其中由焦點(diǎn)位置決定的光斑直徑是影響小孔形貌的最大因素，激光能量密度略大于 106 W/cm2時(shí)，激光功率增加使小孔錐度變小，進(jìn)一步增加功率，小孔錐度幾乎不會(huì )改變，但光斑直徑會(huì )使小孔錐度顯著(zhù)增加。另外，模擬發(fā)現焊接過(guò)程中存在特征焊接速度，在該速度下焊接的小孔徑向尺寸最小，低于該速度，小孔深度與焊接速度正相關(guān)，反之為負相關(guān)。

綜上可知，焦點(diǎn)位置、激光功率和焊接速度的單一變化均會(huì )導致焊縫形貌發(fā)生改變，進(jìn)而影響焊縫成形和焊接過(guò)程穩定性。這些參數在穩定的深熔焊范圍內變化，只會(huì )引起焊縫熔深和熔寬變化，當達到臨界條件會(huì )引起焊接模式（熱導焊、深熔焊及深熔-熱導交替）改變。除焦點(diǎn)位置、激光功率和焊接速度外，使用脈沖激光焊的峰值功率和脈寬、雙光束焊接的光束位置、激光掃描焊接工藝參數、外加稀土活性劑、外加電磁及超聲輔助場(chǎng)、工件組對情況等均會(huì )影響焊縫成形［15-18］。實(shí)際焊接中，應根據焊件的熔深及施焊工況來(lái)選擇焊接參數，使焊接過(guò)程處在穩定的深熔焊模式，要綜合考慮調整多參數之間的關(guān)系，以獲得高質(zhì)量焊縫。

1.2 激光填絲焊

使用激光焊接薄板及中厚板時(shí)一般可以不添加熔敷金屬，實(shí)現自熔焊接，但對焊接坡口、組對精度要求極高，且存在焊縫表面容易出現“駝峰”缺陷、焊縫根部易塌陷燒穿、不能對焊縫成分進(jìn)行調整等缺點(diǎn)，一定程度上限制了其在工業(yè)上的應用［19］。而激光填絲焊可以很好地克服這些缺點(diǎn)，同時(shí)激光填絲焊可進(jìn)行低激光功率下的多層多道焊接，結合窄間隙焊技術(shù)可以實(shí)現大厚度鈦合金母材的連接。

激光填絲焊工藝示意如圖4所示［20］。焊接過(guò)程中，將焊絲以一定的角度送到焊接區激光束的焦斑位置使焊絲熔化，熔化焊絲的熱能來(lái)源于激光束的直接輻照和激光誘導的等離子體。激光填絲焊時(shí)，焊絲對熔池表面流動(dòng)及波動(dòng)狀態(tài)都有很大影響，焊絲處在熔池前方，焊絲熔化進(jìn)入熔池對液態(tài)金屬具有沖擊作用，可以阻止液態(tài)金屬的橫向流動(dòng)及回流。激光填絲焊熔滴進(jìn)入熔池的過(guò)渡模式有“液橋過(guò)渡”和“滴狀過(guò)渡”兩種，主要與光絲相對位置有關(guān)，兩種過(guò)渡模式示意如圖 5 所示［21］。

當熔滴以液橋模式過(guò)渡時(shí)，表面張力在一定程度上輔助熔滴進(jìn)入熔池，與滴狀過(guò)渡相比降低了對熔池表面的沖擊力，因此熔池表面波動(dòng)也小，而滴狀過(guò)渡熔池表面波動(dòng)較大。方乃文等［22］使用藥芯焊絲作為填充金屬焊接TC4鈦合金，并使用高速攝像研究熔滴過(guò)渡模式對焊接過(guò)程的影響，如圖 6 所示。發(fā)現藥芯焊絲處于液態(tài)熔池上方 3 mm 處，熔滴過(guò)渡模式為穩定的滴狀過(guò)渡，但熔滴過(guò)渡時(shí)的沖擊力會(huì )對熔池流動(dòng)造成不利影響，而當距離為0 mm時(shí)，則為穩定的液橋過(guò)渡，焊接過(guò)程飛濺少且焊縫成形美觀(guān)。光絲相對位置不僅影響熔滴過(guò)渡模式，同時(shí)也會(huì )影響熔滴尺寸。圖7、圖8分別是熔滴尺寸對激光匙孔形態(tài)波動(dòng)與匙孔前壁液態(tài)金屬流動(dòng)速度影響的數值模擬。由圖可知，熔滴在匙孔上方落入熔池，會(huì )對匙孔的形態(tài)波動(dòng)影響較大，熔滴尺寸較大時(shí)，波動(dòng)幅度也較大，同時(shí)熔滴尺寸也會(huì )影響匙孔前壁液態(tài)金屬流動(dòng)方向及流動(dòng)速度［23］。

激光填絲焊接TC4鈦合金時(shí)，激光穿透等離子體云后，先加熱熔化焊絲，部分能量被焊絲吸收，還有一部分在焊絲表面發(fā)生反射，剩余能量加熱工件用于形成匙孔，這三部分能量的分配與焊接參數的變化相關(guān)。黃宇等［24］對1 mm厚TC4鈦合金進(jìn)行激光填絲焊，研究了焊絲送入條件、離焦量和送絲速度對焊縫成形質(zhì)量的影響，發(fā)現當其他參數固定不變時(shí)，送絲角度會(huì )影響焊絲對激光能量的吸收，角度過(guò)小，反射嚴重，導致吸收能量降低，容易出現未焊透，相反角度過(guò)大，則容易導致凹陷，背面余高變大。另外，光絲間距不為0 mm時(shí)，焊接過(guò)程穩定性差，導致出現滴狀焊縫。程好等［25］發(fā)現激光功率對熔深的影響最大，若固定激光功率不變，焊接速度對焊縫熔深和熔寬影響最大，而送絲速度主要是影響焊縫的上下余高。當采用擺動(dòng)激光焊接時(shí)，激光的擺動(dòng)參數與模式對焊縫成形也有很大影響［26］。

因此，在實(shí)際工況中，尤其是焊接薄板時(shí)，應依據母材厚度、焊絲直徑、組對間隙及焊接位置等已知參數，配合激光功率、激光擺動(dòng)模式、焦點(diǎn)位置及光絲相對位置來(lái)確定送絲速度，再結合上述參數及焊縫成形要求來(lái)調整焊接速度。

1.3 激光-電弧復合焊

激光-電弧復合焊是將激光和電弧復合共同作用在同一個(gè)熔池的焊接方法，依據激光束和電弧相對位置分為旁軸復合和同軸復合。激光-電弧復合焊兼顧激光和電弧熱源的優(yōu)勢，激光等離子和電弧等離子體的相互作用能夠很好地彌補單一熱源的不足。相比于激光填絲焊，激光-電弧復合焊進(jìn)一步降低了對坡口加工裝配精度及焊縫對中的要求，增加了坡口間隙的搭橋能力。焊接TC4鈦合金的激光-電弧復合焊主要有激光-TIG電弧復合焊和激光-MIG電弧復合焊，如圖9所示［27］。

將電弧引入激光焊過(guò)程中，由于電弧對工件有預熱作用，激光束可直接輻照液態(tài)熔池，減少了工件對紅外激光的反射比，增加激光吸收率，同時(shí)溫度和電離度相對較低的電弧可稀釋激光產(chǎn)生的光致電離，降低電子數密度，因此可以使用較小的激光功率獲得更大的熔深。激光-電弧復合焊熱源并不是激光和電弧兩個(gè)熱源簡(jiǎn)單疊加，兩個(gè)熱源之間存在能量相互耦合、相互影響。激光穿過(guò)電弧時(shí)，激光能量被電弧吸收和散焦會(huì )引起激光傳輸特性發(fā)生改變，而激光形成的匙孔會(huì )吸引和壓縮電弧。

研究發(fā)現，激光作用會(huì )使焊接電流增大而電弧電壓降低，同時(shí)電弧會(huì )被引導至匙孔上方區域，并且與深熔匙孔噴出的金屬蒸氣發(fā)生劇烈交互作用，引起電弧形態(tài)快速變化［28］。陳彥賓［29］等使用激光燒蝕有機玻璃法發(fā)現電弧會(huì )吸收激光并具有散焦特性，隨著(zhù)焊接電流在一定范圍內增加，電弧吸收激光能量增多，對激光散焦作用增大，使激光束發(fā)散，電弧中心對激光的散焦作用最強，激光功率越大，電弧的散焦作用也越強。單獨電弧焊時(shí)，在電場(chǎng)力作用下，電弧等離子體中的電子是做高速定向運動(dòng)，而當激光穿過(guò)電弧空間時(shí)，電弧吸收激光能量改變電弧等離子體空間的原有粒子分布規律引起電弧形態(tài)、等離子形態(tài)發(fā)生變化。這些相互作用會(huì )影響復合熱源和工件之間的能量傳遞，進(jìn)而影響焊縫成形、微觀(guān)組織及性能。

激光-TIG 復合焊接頭成形及其穩定性主要受復合熱源能量分布影響。馬然等［30］利用激光-TIG電弧復合焊接1 mm厚TC4鈦合金板，將焊接電流、激光功率、保護氣體組分及熱源間距分別作為單一變量研究，發(fā)現隨著(zhù)焊接電流增加，焊縫上部熔寬增加，下部熔寬變化較小，同時(shí)可減小底部咬邊，而當分別增加激光功率和熱源間距時(shí)，焊縫熔寬和咬邊呈現波動(dòng)性變化。在主保護氣體中加入氦氣時(shí)，電弧形態(tài)變化如圖10所示，由于氦氣的電離能及熱導率均高于氬氣，使得電弧能量更加集中，純氦氣保護時(shí)正面焊縫熔寬略微下降，背部焊縫熔寬增加且咬邊消失。吳世凱［31］計算了氬氣和氦氣對CO2激光線(xiàn)性吸收系數分別是 2.15~26.29 m^-1 和 0.058~4.88 m^-1，但基本不吸收 YAG 激光，因此激光-電弧復合焊應優(yōu)先選用氦氣氣氛或短波長(cháng)激光。

劉黎明［32］等基于大量工藝試驗，建立了電弧熱輸入和激光熱輸入之間比值 T 與焊縫成形的關(guān)系，如圖11所示。當參數處于A(yíng)區域內時(shí)，焊縫成形良好，且焊縫成形對激光功率變化的敏感度較電弧功率變化更高。研究還發(fā)現隨著(zhù)激光與電弧兩個(gè)熱源之間夾角減小，兩熱源的同軸性增強，激光誘導電弧作用增強，激光和電弧熱源各自作用得到增強，復合熱源能量密度增加，穿透能力增強。熊?。?3］等認為激光-TIG復合焊時(shí)，電弧熱源主要作用是熔化焊絲，從而提高激光能量利用率，獲得更大熔深，使用高速攝像拍攝了穩定焊接時(shí)熔滴過(guò)渡模式，分為液橋過(guò)渡和滴狀過(guò)渡，焊接時(shí)熔滴過(guò)渡模式主要與光絲間距和送絲速度有關(guān)。

激光-TIG 電弧復合焊主要適用于 10 mm 以?xún)萒C4 薄板的焊接，利用激光對 TIG 電弧進(jìn)行誘導與壓縮，可以顯著(zhù)提高TIG電弧能量密度，可以很好克服 TIG 焊高速焊接電弧不平穩、焊接生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。

激光-MIG 電弧復合焊時(shí)，焊絲作為電極熔化填入焊縫，與激光-TIG電弧復合焊相比可使用更大焊接電流，效率更高，因此其在中厚板焊接中優(yōu)勢明顯。崔麗等［34］在焊接電流為 320 A，電弧電壓為28 V條件下研究了焊接方向、激光功率、焊接速度、離焦量和激光-電弧兩熱源間距（DLA）對焊縫形貌影響。LL方向（激光在前，電弧在后）焊接比AL（電弧在前，激光在后）焊縫的魚(yú)鱗紋更細密光滑，焊縫成形更好。LL方向焊接時(shí)，在DLA=0~6 mm之間，為V 形焊縫的深熔焊，焊縫截面形狀變化較??；AL 方向焊接時(shí)，在 DLA=0~4 mm 之間為深熔焊。增加激光功率，兩個(gè)焊接方向焊縫的熔寬和熔深均變大，余高變化小，但是在相同激光功率或離焦量下，AL方向比LL方向的焊縫熔寬較窄，熔深較大，且當離焦量為 0 時(shí) AL 方向焊接可獲得最大熔深。張龍等［35］對15 mm厚鈦合金對接接頭進(jìn)行焊接，發(fā)現坡口角度60°、鈍邊為5 mm時(shí)，焊接過(guò)程最穩定，打底層焊縫熔深和熔寬隨激光功率和焊接電流的增加而增加，隨焊接速度的增加而減小，擺動(dòng)焊可消除填充層和蓋面層的氣孔。

蘇軒［36］使用高速攝像拍攝了激光功率、電弧電壓、焊接電流、焊接速度和熱源間距對激光-MIG電弧復合焊過(guò)程穩定性的影響，如圖 12 所示，激光匙孔周?chē)鄢夭▌?dòng)會(huì )導致飛濺，并且熔滴落入熔池后，熔池會(huì )產(chǎn)生很大波動(dòng)，MIG 焊電弧的重新引燃會(huì )對熔池產(chǎn)生很大作用，過(guò)渡頻率越低，熔滴尺寸越大，則該現象越嚴重，因此熔滴過(guò)渡過(guò)程對焊縫成形及降低缺欠數量至關(guān)重要。

綜上可知，激光-電弧復合焊是一種高效經(jīng)濟的焊接方法，激光使電弧在高速焊接下保持穩定，電弧使材料對激光吸收率增加，可增加焊縫熔深，同時(shí)提高焊接工藝適應性。激光與電弧的交互作用改變了熔池形貌和液態(tài)金屬的流動(dòng)狀態(tài)，可獲得更好的焊縫成形。另外，電弧的引入，降低熔池冷卻速度，有利于氣體逸出，從而降低氣孔缺陷，提高焊縫質(zhì)量。

2、 微觀(guān)組織及力學(xué)性能

TC4（Ti-6Al-4V）是一種典型的 α（HCP）相+β（BCC）相鈦合金，β 相依附在基體 α 相周邊均勻分布，如圖 13 所示［37］。激光焊接過(guò)程中，激光對 TC4鈦合金進(jìn)行加熱，在溫度約為 975 ℃±20 ℃時(shí)會(huì )發(fā)生α向β的同素異形體轉變，α相全部轉化β相，隨著(zhù)溫度進(jìn)一步升高至液相線(xiàn)，TC4鈦合金熔化為液態(tài)，當激光熱源遠離后，溫度降低，當溫度低至固相線(xiàn)則生成 β 相，在繼續冷卻過(guò)程中，發(fā)生固態(tài)相變，會(huì )由 β 相中析出新相。激光焊接時(shí)，焊接參數決定了TC4鈦合金加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻速率，其對焊縫及熱影響區的微觀(guān)組織構成、形態(tài)、相組成比例有重要影響［38］。

徐培全［39］等對厚度為2 mm的TC4鈦合金板進(jìn)行激光焊接，焊縫顯微組織為α相+β相+針狀α'馬氏體的混合組織。武鵬博等［40］采用擺動(dòng)激光填絲焊接 2 mm 厚 T 形接頭，獲得的焊縫組織中未發(fā)現 α相，主要由相互平行的細小 α'馬氏體束及其之間狹窄的初生β相組成，并且存在少量的孿晶和位錯，如圖 14 所示。焊縫冷卻過(guò)程中 α'馬氏體先在緊鄰高溫 β 相晶粒邊界處形核，較快的冷卻速度導致 α'馬氏體不能充分長(cháng)大，因此形成了相互平行的細小 α'馬氏體束。激光束周期性擺動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓力可能是生成位錯的原因。

方乃文等［41］將室溫組織為少量網(wǎng)籃狀及塊狀α相和針狀α'馬氏體的焊縫金屬加熱至1 050 ℃并保溫一定時(shí)間，使其完全發(fā)生β相轉變，再以不同速率進(jìn)行冷卻，對焊縫晶粒生長(cháng)及相變進(jìn)行了原位觀(guān)察。冷卻速率為0.5 ℃/s，在889.5 ℃時(shí)，α相優(yōu)先在β相界處形核，冷卻速率增加至5 ℃/s，則在864.2 ℃由 β 相晶界析出 α 相，并且能夠觀(guān)察到 αgb（Grainboundary），鈦合金發(fā)生組織轉變主要取決于晶界，很多情況下，αgb與 β 晶粒呈現一定的伯格斯取向關(guān)系（Burgers orientation relationship，BOR）。當冷卻速率增加至 20 ℃/s 和 80 ℃/s，分別在 835.5 ℃和818.9 ℃時(shí)出現新相，該冷卻速度下，短小針狀 α'馬氏體數量急劇增加，同時(shí)由于形核驅動(dòng)力增加，除晶界形核外，還在晶粒內部 α 片層上形核。冷卻速率增大降低焊縫中 V（β 相穩定元素）的擴散能力，使低 V 的 α 相較難形成，從而導致析出新相的轉變溫度點(diǎn)降低。圖 15 是不同冷卻速率下的室溫微觀(guān)組織，由于鈦合金各相的硬度排序為α'＞α＞β，所以硬度與冷卻速率呈現正相關(guān)，最低為 339 HV10，最高為368 HV10。

大厚度TC4鈦合金一般采用窄間隙激光填絲進(jìn)行多層焊接。多層焊時(shí)，后焊焊道會(huì )對前一道焊縫起到熱處理作用，焊縫組織變化相對復雜。大厚度TC4鈦合金焊接接頭一般可分為上部、中部和下部3個(gè)區域，不同區域的組織形態(tài)、相的組成與空間分布有所差異，如圖 16 所示。3 個(gè)區域均可看見(jiàn)清晰的粗大初生β柱狀晶，在β柱狀晶內部分布著(zhù)形態(tài)不一的α'馬氏體，受加熱與冷卻條件的影響，焊縫底部存在少量等軸晶，隨著(zhù)焊接層的增加，等軸晶數量減少，直至消失，且上部區域 β 柱狀晶最粗大，中部次之，下部最細小。通過(guò)微觀(guān)組織發(fā)現上部區域存在少量魏氏組織，中部出現少量晶界αgb相［42-43］。焊接熱影響區組織的變化梯度要比焊縫大，按組織形態(tài)可將其分為圖17所示的3個(gè)區域，在板厚方向熱影響區的顯微組織呈現一致性，I區主要以α'馬氏體為主+極少的α相，發(fā)生不完全轉變的Ⅱ區為原始初生α相+α'馬氏體以+少量亞穩態(tài)β相，而Ⅲ區為球化的初生α相+亞穩態(tài)β相組成［44］?；谏鲜鼋M織的焊接接頭，其上中下3部分的抗拉強度均與母材相當，斷裂位置為母材，斷后伸長(cháng)率要明顯低于母材。3部分各區域顯微硬度數值略有差異，但是分布趨勢基本一致，3個(gè)部位焊縫區域的顯微硬度均高于熱影響區和母材，而熱影響區顯微硬度小于母材。方乃文［45］等使用含 Mo 的 Ti-Al-V-Mo 系藥芯焊絲作為填充金屬，采用激光填絲焊接TC4鈦合金板獲得強度、塑性和韌性均較好的焊接接頭，合金元素 Mo 在TC4鈦合金中屬于 β 同晶型穩定元素，能與鈦合金無(wú)限互溶，并產(chǎn)生較小的晶格畸變，同時(shí)能夠調控焊縫各相比例，所以激光填藥芯焊絲中添加合金元素Mo不僅提高了鈦合金焊接接頭的穩定性和強化能力，同時(shí)還能夠保持接頭的塑性。

綜上可知，TC4鈦合金激光焊焊縫典型組織為α'馬氏體，部分會(huì )出現 α 相、β 相和晶界 αgb相。α'馬氏體和α相為hcp結構，滑移系數量較少，各向異性強，其晶體結構導致TC4焊接接頭強度高，塑性和韌性較差，而激光藥芯焊絲的焊接方法有利于有益合金元素添加、補充燒損元素，調整焊縫相比例，為提高鈦合金焊接接頭塑性提供新的思路。

3、 結論及展望

TC4鈦合金激光焊接技術(shù)的研究和工業(yè)應用在現階段已深受重視，綜合國內外相關(guān)學(xué)者研究現狀發(fā)現，為了探究焦點(diǎn)位置、激光功率、焊接速度、送絲速度、光絲相對位置、熔滴過(guò)渡模式、焊接電流、電弧電壓、焊接方向等參數對焊縫成形的影響，已進(jìn)行了大量基礎工藝試驗并結合了高速攝像和數值模擬技術(shù)，對激光-電弧復合焊金屬蒸氣等離子體的作用機制、復合熱源的相互作用模式及熔滴過(guò)渡和熔池動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行了研究。TC4鈦合金激光焊焊縫典型組織為α'馬氏體，在一些條件下，焊縫的不同部位會(huì )出現α相、β相和晶界αgb相，而熱影響區組織呈現明顯的 3 個(gè)區域分布，基于上述組織的焊接接頭，斷后伸長(cháng)率明顯低于母材，但抗拉強度與母材相當，熱影響區的硬度會(huì )低于焊縫和母材。

然而，隨著(zhù)TC4鈦合金在各種極端條件下的應用，工程對TC4激光焊接的要求不斷提升，為獲得性能更加優(yōu)異的TC4焊接構件，未來(lái)可以從以下方面開(kāi)展研究工作：

（1）TC4鈦合金與其他金屬材料、非金屬材料，尤其是復合材料的激光及激光復合焊接技術(shù)。

（2）研究各類(lèi)外場(chǎng)輔助（電磁、超聲、磁場(chǎng)等）對激光及激光復合焊接TC4鈦合金時(shí)熔池的影響機制，以及對焊后接頭性能的影響情況。

（3）TC4鈦合金焊接接頭沖擊性能韌化機制，以期望獲得強度和韌性俱佳的接頭。

（4）納米材料、復合材料涂層、高溫合金等新材料在TC4鈦合金表面激光熔敷、表面改性及受損件修復等方面的應用。

（5）TC4鈦合金激光焊接大型構件焊接殘余應力和殘余變形情況、服役可靠性、安全壽命評估等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

參考文獻：

［1］ Carrol B E，Palmer T A，Beese A M.Anisotropic tensile behavior of Ti-6Al-4V components fabricated with di‐rected energy deposition additive manufacturing［J］.Acta Materialia，2015，87：309-320.

［2］ 楊武林，楊曉華，李曉延，等 .TC4鈦合金薄板激光焊接接頭的疲勞壽命及斷口分析［J］. 焊接學(xué)報，2012，33（3）：105-108.

YANG W L， YANG X H， LI X Y， et al. Analysis on fatigue property and fracture mechanism ofTC4tita‐nium alloy joint during laser welding［J］. Transactions of the China Welding Institution，2012，33（3）：105-108.

［3］ 牛超楠，宋曉國，胡勝鵬，等. 釬焊溫度對TC4/Ti60接頭組織及性能的影響［J］. 焊接學(xué)報， 2018， 39（6）：77-80.

NIU C N， SONG X G， HU S P， et al. Effect of braz‐ing temperature on the interfacial microstructure and mechanical properties ofTC4/Ti60 brazed joint［J］.Transactions of the China Welding Institution， 2018，39（6）：77-80.

［4］ 龍偉民，何鵬，顧敬華. 中國有色金屬焊接材料的發(fā)展現狀及展望［J］. 焊接， 2011（11）： 7-10+70.

LONG W M， HE P， GU J H. Development status and prospects of non-ferrous metal welding materials in China［J］. Welding & Joining， 2011（11）： 7-10+70.

［5］ 馬青軍，王澤軍，韋晨，等. 基于專(zhuān)利角度分析鈦合金焊接技術(shù)發(fā)展現狀［J］.電焊機，2022，52（6）： 55-61.

MA Q J， WANG Z J， WEI C， et al. Analysis on Devel‐opment Status of Titanium Alloy Welding Technology Based on Patent［J］. Electric Welding Machine， 2022，52（6）： 55-61.

［6］ 史吉鵬，王紅陽(yáng)，楊林波，等. 鈦合金激光-TIG復合焊接保護狀態(tài)對焊縫成形及性能影響［J］. 焊接學(xué)報，2017，38（2）：61-65.

SHI J P， WANG H Y， YANG L B， et al. Effect of pro‐tection condition on forming and performance of weld in titanium alloy laser-TIG hybrid welding［J］. Transac‐tions of the China Welding Institution， 2017， 38（2）：61-65.

［7］ 陳武柱. 激光焊接與切割質(zhì)量控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［8］ 李明軍，陳和興，陳永城，等 . 焊接參數變化對TC4鈦合金激光焊接成形的影響［J］. 應用激光， 2018， 38（4）：550-555.

LI M J， CHEN H X， CHEN Y C， et al. The Influence of Welding Parameters Change on Laser Welding For‐mation ofTC4Titanium Alloy［J］.Applied Laser，2018，38（4）：550-555.

［9］ 楊爍，宋文清，曲伸，等. 薄壁 TC4鈦合金激光焊縫成形試驗研究［J］. 焊接，2019，39（1）：5-11.

YANG S， SONG W Q， QU S， et al. Experimental study on laser weld appearance of thin-walledTC4titanium alloy［J］. Welding & Joining， 2019，39（1）：5-11.

［10］ Panwisawas C， Perumal B， Ward RM， et al. Keyhole formation and thermal fluid flow-induced porosity dur‐ing laser fusion welding in titanium alloys： Experimen‐tal and modelling［J］. Acta Materialia， 2017， 126：251-263.

［11］ 田德勇 . 中厚板TC4鈦合金激光焊接微觀(guān)組織與缺陷研究［D］.江蘇： 南京航空航天大學(xué)，2022.

TIAN D Y. Study on the microstructure and defect in the laser welded joint of medium thicknessTC4alloy Nanjing university of aeronautics and astronautics［D］.Jiangsu： Nanjing University of aeronautics and astro‐nautics， 2022.

［12］ 姜毅，張穎云，朱勝利，等. 激光功率對TC4鈦合金薄板對接焊縫形貌的影響［J］. 熱加工工藝，2020，49（15）：16-24.

JIANG Y， ZHANG Y Y， ZHU S L， et al. Effect of La‐ser Power on Butt Weld Morphology ofTC4Titanium Alloy Sheet［J］. Hot Working Technology， 2020， 49（15）：16-24.

［13］ 郭寧，成奇，付云龍，等 .TC4鈦合金水下激光填絲焊接工藝研究［J］.機械工程學(xué)報，2020，56（6）：118-124.

GUO N，CHENG Q，FU Y L. Research on Underwater Laser Welding with Filler Wire Process ofTC4Tita‐nium Alloy［J］. Journal of Mechanical Engineering，2020，56（6）：118-124.

［14］ 張可榮，張建勛 .TC4鈦合金激光深熔焊小孔形貌特征的有限元精細分析［J］. 稀有金屬材料與工程，2009，38（6）：978-990.

ZHANG K R，ZHANG J X. Numerical Simulation for Keyhole Profile and Their Effect ofTC4Titanium Al‐loy during Lower Laser Welding［J］. Rare Metal Mate‐rials and Engineering， 2009，38（6）：978-990.

［15］ 胡玉，張健，譚小軍，等 . Nd∶YAG 脈沖激光焊接 TC4時(shí)峰值功率、脈寬對焊縫成形的影響［J］. 應用激光 .2014，34（5）：427-432.

HU Y， ZHANG J， TAN X J， et al. Influence of Peak Power and Pulse Width on Formability of Nd：YAG Pulsed Laser WeldingTC4Titanium Alloy［J］. Applied Laser， 2014，34（5）：427-432.

［16］ 許愛(ài)平，侯繼軍，董俊慧 . 稀土活性劑對TC4鈦合金激光焊焊接接頭的影響［J］. 材料導報，2020，34（S2）：1348-1350.

XU A P，HOU J J，DONG J H. Effect of Rare Earth Ac‐tive Agent on Laser Welding Joint ofTC4Titanium Al‐loy［J］. Materials Reports， 2020，34（S2）：1348-1350.

［17］ MA X Y， DUAN A Q， LU W， et al. Influence of HeatInput on Welding Processes，Weld Formation，Micro‐structure，and Mechanical Properties of Double-Sided Laser Beam Welded Ti-6Al-4V Alloy T-Joints［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2021， 50（7）： 2300-2307.

［18］ 張甫，王威，王旭友，等 .TC4鈦合金激光掃描焊接工藝參數對氣孔的影響［J］.焊接，2016，35（2）：35-39.

ZHANG F， WANG W， WANG X Y， et al. Effect of laser beam oscillation welding process parameters on porosity tendency ofTC4titanium alloy［J］. Welding &Joining， 2016，35（2）： 35-39.

［19］ 陳素明，趙安安，姜毅，等 .TC4鈦合金激光填絲焊工藝參數對焊縫宏觀(guān)成形的影響［J］. 中國激光，2021，48（14）：74-80.

CHEN S M， ZHAO A A， JIANG Y， et al. Influence of the Technological Parameters ofTC4Titanium Alloy Laser Wire Filling Welding on Weld Seam Macroforma‐tion［J］.Chinese Journal of Lasers，2021，48（14）：74-80.

［20］ 張攀，王湘江 . 窄間隙激光焊接研究現狀及進(jìn)展［J］.熱加工工藝，2019，48（9）：9-12.

ZHANG P， WANG X J. Research Satus and Progress of Narrow Gap Laser Welding［J］. Hot Working Tech‐nology， 2019，48（9）：9-12.

［21］ 彭進(jìn)，王星星，李剛，等. 激光填絲焊對熔池動(dòng)態(tài)行為及焊縫成形的影響［J］. 中國激光，2017，44（11）：72-79.

PENG J， WANG X X， LI G， et al. Effect of Laser Welding with Filler Wire on Molten Pool Dynamic Be‐havior and Weld Formation［J］. Chinese Journal of La‐ sers， 2017，44（11）：72-79.

［22］ 方乃文，黃瑞生，武鵬博，等. 鈦合金窄間隙激光填絲焊接工藝及接頭組織性能分析［J］. 材料導報， 2023，37（10）： 22010253

FANG N W， HUANG R S， WU P B， et al. Study on Welding Process and Microstructure and Properties of Titanium Alloy Narrow Gap Laser Filler Wire［J］. Ma‐terials Reports， 2023， 37（10）： 22010253

［23］ 彭進(jìn)，許紅巧，王星星，等. 熔滴對激光焊接匙孔與熔池影響的數值模擬［J］. 中國激光， 2020， 47（07）：346-351.

PENG J， XU H Q， WANG X X， et al. Numerical simulation of influence of droplet on keyhole and mol‐ten pool of laser welding［J］. Chinese Journal of La‐sers， 2020，47（07）：346-351.

［24］ 黃宇，馮愛(ài)新，羅敬文，等 .TC4鈦合金激光填絲焊接工藝研究［J］.熱加工工藝，2016，45（10）：23-26+30.

HUANG Y， FENG A X， LUO J W， et al. Research on Laser Filler Wire Welding Process ofTC4Titanium Al‐loy［J］. Hot Working Technology， 2016，45（10）：23-26+30.

［25］ 程好，馮愛(ài)新，黃宇， 等.TC4鈦合金薄板激光填絲焊接頭成形與組織研究［J］.熱加工工藝，2018，47（19）：94-100.

CHENG H， FENG A X， HUANG Y， et al. Joint For‐mation and Microstructure of Laser Filler Wire Weld‐ing ofTC4Titanium Alloy Sheet［J］. Hot Working Technology， 2018，47（19）：94-100.

［26］ 方乃文. TC4鈦合金厚板窄間隙激光填絲焊及組織性能調控［D］. 黑龍江：哈爾濱理工大學(xué)， 2022.

FANG N W. Controlling of Microstructure and Proper‐ties ofTC4Titanium Alloy Thick Plate Narrow-gap La‐ser Welding with Filler Wire［D］. Heilongjiang： Harbin University of Science and Technology，2022.

［27］ 時(shí)尚，劉豐剛，黃春平，等. 激光復合熱源焊接技術(shù)的研究進(jìn)展［J］. 材料導報，2022，36（11）：170-177.

SHI S， LIU F G， HUANG C P， et al. Research Prog‐ress of Laser Hybrid Heat Source Welding Technology ［J］. Materials Reports， 2022，36（11）：170-177.

［28］ 趙子強 . 激光-TIG 電弧復合焊接等離子形態(tài)與焊縫特征的研究［D］. 北京：北京工業(yè)大學(xué)，2011.

ZHAO Z Q. Study on plasma shape and weld character‐istic during laser-TIG hybrid welding［D］. Beijing：Bei‐jing University of Technology，2011.

［29］ 陳彥賓， 李俐群， 吳 林. 電弧對激光吸收與散焦的定量測量［J］.焊接學(xué)報，2003，24（3）：56-58.

CHEN Y B， LI L Q， WU L， et al. Quantitative mea‐surement of absorption and defocusing of laser beam by electric arc［J］.Transactions of the China Welding In‐stitution， 2003，24（3）：56-58.

［30］ 馬然， 董皕喆， 吳世凱，等.薄板鈦合金光纖激光鎢極惰性氣體保護焊電弧復合焊接工藝研究［J］. 中國激光，2014，41（5）：1-8.

MA R， DONG B Z， WU S K， et al. Study on fiber laser-tungsten inert gas hybrid welding of titanium sheet［J］. Chinese Journal of Lasers， 2014，41（5）：1-8.

［31］ 吳世凱. 激光-電弧相互作用及激光-TIG復合焊接新工藝研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010.

WU S K. Investigation on laser-arc interaction and novel laser-TIG arc hybrid welding processes［D］. Bei‐jing：Beijing University of Technology，2010.

［32］ 劉黎明，史吉鵬，王紅陽(yáng).低功率激光誘導電弧復合焊接鈦合金薄板工藝研究［J］. 機械工程學(xué)報，2016，52（18）：38-43+50.

LIU L M， SHI J P， WANG H Y. Research on the Low Power Laser Induced Arc Hybrid Welding of Titanium Alloy Thinsheet［J］. Journal of Mechanical Engineer‐ing，2016，52（18）：38-43+50.

［33］ 熊俊，付忠奎，鄢江武，等. 中厚度TC4激光-TIG復合焊工藝研究［J］.熱加工工藝，2015，44（15）：226-229.

XIONG J， FU Z K， YAN J W， et al. Research on Laser-TIG Hybrid Welding Process for Medium Thick‐nessTC4Plate［J］. Hot Working Technology，2015，44（15）：226-229.

［34］ 崔麗，賀定勇，李曉延，等 . 焊接方向對光纖激光-MIG 復合焊接鈦合金焊縫成形的影響［J］. 中國激光，2011，38（1）：1-8.

CUI L，HE D Y， LI X Y， et al. Effects of Welding Di‐rection on Weld Shape of Fiber Laser-MIG Hybrid Welded Titanium Alloys［J］. Chinese Journal of Lasers，2011，38（1）：1-8.

［35］ 張龍，陳東高，王大鋒，等 .TC4鈦合金激光-MIG 復合焊接研究［J］. 兵器材料科學(xué)與工程，2019，42（2）：73-76.

ZHANG L，CHEN D G，WANG D F， et al. Laser?MIG hybrid welding ofTC4titanium alloy［J］. Ordnance Material Science and Engineering，2019，42（2）：73-76.

［36］ 蘇軒 . 中厚度鈦合金激光-MIG 復合焊接特性研究［D］.黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

SU X. Characteristics of medium thickness of titanium plate laser-MIG hybrid welding［D］. Heilongjiang：Harbin Institute of Technology，2014.

［37］ 杜勇，李峰，夏?，|，等 .TC4鈦合金窄間隙激光填絞股焊絲焊接接頭組織及性能［J］. 焊接， 2022，594（12）： 1-5.

DU Y， LI F， XIA X W， et al. Microstructure and me‐chanical properties ofTC4titanium alloy welded joint with narrow gap laser stranded wire［J］. Welding &Joining， 2022，594（12）： 1-5.

［38］ Li J N， Li J S， Qi W J， et al. Characterization and me‐chanical properties of thickTC4titanium alloy sheets  welded joint by vacuum EBW［J］. Vacuum， 2019，168： 108812.

［39］ 徐培全，馬春偉，李永平，等.TC4鈦合金激光焊縫成形與顯微組織分析［J］. 熱加工工藝， 2012，41（11）：204-209.

XU P Q， MA C W， LI Y P， et al. Weld Formation and Microstructure Analysis ofTC4Titanium Alloy Using Laser Welding［J］. Hot Working Technology， 2012，41（11）：204-209.

［40］ 武鵬博，徐鍇，黃瑞生，等.薄壁鈦合金 T 型接頭擺動(dòng)激光填絲焊組織與性能［J］. 兵工學(xué)報， 2023，44（4）：1015-1022.

WU P B， XU K， HUANG R S， et al. Microstructure and Properties of Laser Oscillating Welding with Filler Wire of Thin Wall Titanium Alloy T-joint［J］. Acta Ar‐mamentarii， 2023，44（4）：1015-1022.

［41］ 方乃文， 郭二軍， 徐鍇， 等 . 鈦合金激光填絲焊縫晶粒生長(cháng)及相變原位觀(guān)察［J］. 中國有色金屬學(xué)報，2022， 32（6）： 1665-1672.

FANG N W， GUO E J， XU K， et al. In-situ observa‐tion of grain growth and phase transformation in laser welding of titanium alloy with filler wire［J］. The Chi‐nese Journal of Nonferrous Metals，2022，32（6）：1665-1672.

［42］ 方乃文，黃瑞生，謝吉林， 等.大厚度TC4鈦合金超窄間隙激光填絲焊接頭組織性能研究［J］. 電焊機，2022，52（6）：25-34.

FANG N W， HUANG R S， XIE J L， et al. Study on Properties and Microstructures of Large ThicknessTC4Titanium Alloy Welded Joint by Ultra-Narrow Gap La‐ser Welding Using Filler Wire［J］. Electric Welding Ma‐chine ，2022，52（6）：25-34.

［43］ 方乃文，黃瑞生，武鵬博，等 . 鈦合金激光填藥芯焊絲接頭組織性能［J］.焊接學(xué)報，2023，44（3）：61-69+132.

FANG N W， HUANG R S， WU P B， et al. Study on microstructure and properties of laser flux-cored wire joint of titanium alloy［J］. Transactions of the China Welding Institution， 2023，44（3）：61-69+132.

［44］ 鄒吉鵬，陳健，黃瑞生，等 . 厚板 Ti6Al4V 合金低真空激光焊接接頭組織及力學(xué)性能［J］. 焊接學(xué)報，2022，43（8）：54-60+116-117.

ZOU J P， CHEN J， HUANG R S， et al. Microstruc‐ture and mechanical properties of thick Ti6Al4V alloy welded joint by low vacuum laser welding［J］. Transac‐tions of the China Welding Institution， 2022， 43（08）：54-60+116-117.

［45］ 方乃文，黃瑞生，龍偉民，等 . 填充金屬對TC4鈦合金激光填絲焊接頭組織性能影響［J］. 稀有金屬材料與工程，2023，52（5）：1725-1736.

FANG N W， HUANG R S， LONG W M， et al. Effect of Filler Metal on Microstructure and Properties of Tita‐nium Alloy Laser Welding Joints with Filler Wire［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2023，52（5）：1725-1736.

相關(guān)鏈接