前言

TC4（Ti-6Al-4V）為一種α+β鈦合金，具備比強(qiáng)度高、耐蝕性好、高溫性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于火箭殼體和航天器等航空航天領(lǐng)域，具有重大的戰(zhàn)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(yīng)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(jié)構(gòu)件的常用焊接方法主要有非熔化極氣體保護(hù)焊（Tungsten Inert Gas，TIG）、熔化極氣體保護(hù)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(qū)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(hù)成本過高，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須真空環(huán)境，具有試件變形和殘余應(yīng)力小、深熔焊焊縫的深寬比大、焊接熱影響區(qū)窄及易操作等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于TC4鈦合金焊接。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外TC4鈦合金激光焊接、激光填絲焊及激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在焊縫成形、焊縫微觀組織轉(zhuǎn)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(shù)對(duì)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(yīng)”的深熔焊，激光被材料吸收后基于光熱效應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)激光輻射照度超過 106 W/cm2時(shí)，激光能量導(dǎo)致材料表面熔化，并且伴隨蒸發(fā)，當(dāng)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，隨著熔化和氣化過程的進(jìn)一步發(fā)生，使小孔加深，最終形成類似鎖眼的小孔，也稱為“匙孔”，當(dāng)激光束在小孔內(nèi)產(chǎn)生的金屬蒸氣壓力與液態(tài)金屬表面張力和重力達(dá)到平衡后，會(huì)得到一個(gè)深度穩(wěn)定的小孔，即為“小孔效應(yīng)”［7］。激光深熔焊時(shí)，小孔穩(wěn)定性對(duì)獲得成形美觀、組織連續(xù)無缺欠、力學(xué)性能佳的優(yōu)質(zhì)焊縫至關(guān)重要。基于小孔形成機(jī)理及過程中產(chǎn)生的“側(cè)壁聚焦效應(yīng)”，小孔吸收激光能量的“小孔內(nèi)壁表面的Fresnel吸收”和“等離子體反韌致輻射吸收”機(jī)制，可知激光焊接過程中小孔深度、大小及穩(wěn)定性主要與焦點(diǎn)位置、激光功率和焊接速度等參數(shù)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(xiàn)，當(dāng)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(duì)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(xiàn)，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(diào)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(jié)合有限元模擬技術(shù)對(duì)小孔的形成原因及其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)離焦量和焊接速度不變時(shí)，隨著激光功率的增加，熱輸入增加，導(dǎo)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(kuò)散能力提升，使焊縫橫截面由 I 形向 X 形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)镮形，表明焊縫上、下部熔寬尺寸差異會(huì)隨著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(duì)焊縫成形的影響主要來自于焊接熱輸入變化。隨著焊接速度增加，焊接熱輸入減小，熔化的母材隨之減少，導(dǎo)致焊縫熔深和熔寬均減小。焊接速度過快或過慢都會(huì)導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，焊縫連續(xù)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(shù)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)使小孔錐度顯著增加。另外，模擬發(fā)現(xiàn)焊接過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(fù)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(dǎo)致焊縫形貌發(fā)生改變，進(jìn)而影響焊縫成形和焊接過程穩(wěn)定性。這些參數(shù)在穩(wěn)定的深熔焊范圍內(nèi)變化，只會(huì)引起焊縫熔深和熔寬變化，當(dāng)達(dá)到臨界條件會(huì)引起焊接模式（熱導(dǎo)焊、深熔焊及深熔-熱導(dǎo)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(shù)、外加稀土活性劑、外加電磁及超聲輔助場(chǎng)、工件組對(duì)情況等均會(huì)影響焊縫成形［15-18］。實(shí)際焊接中，應(yīng)根據(jù)焊件的熔深及施焊工況來選擇焊接參數(shù)，使焊接過程處在穩(wěn)定的深熔焊模式，要綜合考慮調(diào)整多參數(shù)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(xiàn)自熔焊接，但對(duì)焊接坡口、組對(duì)精度要求極高，且存在焊縫表面容易出現(xiàn)“駝峰”缺陷、焊縫根部易塌陷燒穿、不能對(duì)焊縫成分進(jìn)行調(diào)整等缺點(diǎn)，一定程度上限制了其在工業(yè)上的應(yīng)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(jié)合窄間隙焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)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］。焊接過程中，將焊絲以一定的角度送到焊接區(qū)激光束的焦斑位置使焊絲熔化，熔化焊絲的熱能來源于激光束的直接輻照和激光誘導(dǎo)的等離子體。激光填絲焊時(shí)，焊絲對(duì)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(duì)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)入熔池的過渡模式有“液橋過渡”和“滴狀過渡”兩種，主要與光絲相對(duì)位置有關(guān)，兩種過渡模式示意如圖 5 所示［21］。

當(dāng)熔滴以液橋模式過渡時(shí)，表面張力在一定程度上輔助熔滴進(jìn)入熔池，與滴狀過渡相比降低了對(duì)熔池表面的沖擊力，因此熔池表面波動(dòng)也小，而滴狀過渡熔池表面波動(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渡模式對(duì)焊接過程的影響，如圖 6 所示。發(fā)現(xiàn)藥芯焊絲處于液態(tài)熔池上方 3 mm 處，熔滴過渡模式為穩(wěn)定的滴狀過渡，但熔滴過渡時(shí)的沖擊力會(huì)對(duì)熔池流動(dòng)造成不利影響，而當(dāng)距離為0 mm時(shí)，則為穩(wěn)定的液橋過渡，焊接過程飛濺少且焊縫成形美觀。光絲相對(duì)位置不僅影響熔滴過渡模式，同時(shí)也會(huì)影響熔滴尺寸。圖7、圖8分別是熔滴尺寸對(duì)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(shù)值模擬。由圖可知，熔滴在匙孔上方落入熔池，會(huì)對(duì)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(shù)的變化相關(guān)。黃宇等［24］對(duì)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(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他參數(shù)固定不變時(shí)，送絲角度會(huì)影響焊絲對(duì)激光能量的吸收，角度過小，反射嚴(yán)重，導(dǎo)致吸收能量降低，容易出現(xiàn)未焊透，相反角度過大，則容易導(dǎo)致凹陷，背面余高變大。另外，光絲間距不為0 mm時(shí)，焊接過程穩(wěn)定性差，導(dǎo)致出現(xiàn)滴狀焊縫。程好等［25］發(fā)現(xiàn)激光功率對(duì)熔深的影響最大，若固定激光功率不變，焊接速度對(duì)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(dāng)采用擺動(dòng)激光焊接時(shí)，激光的擺動(dòng)參數(shù)與模式對(duì)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(yīng)依據(jù)母材厚度、焊絲直徑、組對(duì)間隙及焊接位置等已知參數(shù)，配合激光功率、激光擺動(dòng)模式、焦點(diǎn)位置及光絲相對(duì)位置來確定送絲速度，再結(jié)合上述參數(shù)及焊縫成形要求來調(diào)整焊接速度。

1.3 激光-電弧復(fù)合焊

激光-電弧復(fù)合焊是將激光和電弧復(fù)合共同作用在同一個(gè)熔池的焊接方法，依據(jù)激光束和電弧相對(duì)位置分為旁軸復(fù)合和同軸復(fù)合。激光-電弧復(fù)合焊兼顧激光和電弧熱源的優(yōu)勢(shì)，激光等離子和電弧等離子體的相互作用能夠很好地彌補(bǔ)單一熱源的不足。相比于激光填絲焊，激光-電弧復(fù)合焊進(jìn)一步降低了對(duì)坡口加工裝配精度及焊縫對(duì)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(fù)合焊主要有激光-TIG電弧復(fù)合焊和激光-MIG電弧復(fù)合焊，如圖9所示［27］。

將電弧引入激光焊過程中，由于電弧對(duì)工件有預(yù)熱作用，激光束可直接輻照液態(tài)熔池，減少了工件對(duì)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(duì)較低的電弧可稀釋激光產(chǎn)生的光致電離，降低電子數(shù)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(fù)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(xiàn)，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(dǎo)至匙孔上方區(qū)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(jī)玻璃法發(fā)現(xiàn)電弧會(huì)吸收激光并具有散焦特性，隨著焊接電流在一定范圍內(nèi)增加，電弧吸收激光能量增多，對(duì)激光散焦作用增大，使激光束發(fā)散，電弧中心對(duì)激光的散焦作用最強(qiáng)，激光功率越大，電弧的散焦作用也越強(qiáng)。單獨(dú)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(yùn)動(dòng)，而當(dāng)激光穿過電弧空間時(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(guī)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(fù)合熱源和工件之間的能量傳遞，進(jìn)而影響焊縫成形、微觀組織及性能。

激光-TIG 復(fù)合焊接頭成形及其穩(wěn)定性主要受復(fù)合熱源能量分布影響。馬然等［30］利用激光-TIG電弧復(fù)合焊接1 mm厚TC4鈦合金板，將焊接電流、激光功率、保護(hù)氣體組分及熱源間距分別作為單一變量研究，發(fā)現(xiàn)隨著焊接電流增加，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(dāng)分別增加激光功率和熱源間距時(shí)，焊縫熔寬和咬邊呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。在主保護(hù)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(dǎo)率均高于氬氣，使得電弧能量更加集中，純氦氣保護(hù)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(jì)算了氬氣和氦氣對(duì)CO2激光線性吸收系數(shù)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(fù)合焊應(yīng)優(yōu)先選用氦氣氣氛或短波長(zhǎng)激光。

劉黎明［32］等基于大量工藝試驗(yàn)，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(dāng)參數(shù)處于A區(qū)域內(nèi)時(shí)，焊縫成形良好，且焊縫成形對(duì)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(xiàn)隨著激光與電弧兩個(gè)熱源之間夾角減小，兩熱源的同軸性增強(qiáng)，激光誘導(dǎo)電弧作用增強(qiáng)，激光和電弧熱源各自作用得到增強(qiáng)，復(fù)合熱源能量密度增加，穿透能力增強(qiáng)。熊俊［33］等認(rèn)為激光-TIG復(fù)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(wěn)定焊接時(shí)熔滴過渡模式，分為液橋過渡和滴狀過渡，焊接時(shí)熔滴過渡模式主要與光絲間距和送絲速度有關(guān)。

激光-TIG 電弧復(fù)合焊主要適用于 10 mm 以內(nèi)TC4 薄板的焊接，利用激光對(duì) TIG 電弧進(jìn)行誘導(dǎo)與壓縮，可以顯著提高TIG電弧能量密度，可以很好克服 TIG 焊高速焊接電弧不平穩(wěn)、焊接生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。

激光-MIG 電弧復(fù)合焊時(shí)，焊絲作為電極熔化填入焊縫，與激光-TIG電弧復(fù)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(shì)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(duì)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）焊縫的魚鱗紋更細(xì)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小；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(dāng)離焦量為 0 時(shí) AL 方向焊接可獲得最大熔深。張龍等［35］對(duì)15 mm厚鈦合金對(duì)接接頭進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)坡口角度60°、鈍邊為5 mm時(shí)，焊接過程最穩(wěn)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(duì)激光-MIG電弧復(fù)合焊過程穩(wěn)定性的影響，如圖 12 所示，激光匙孔周圍熔池波動(dòng)會(huì)導(dǎo)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(duì)熔池產(chǎn)生很大作用，過渡頻率越低，熔滴尺寸越大，則該現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此熔滴過渡過程對(duì)焊縫成形及降低缺欠數(shù)量至關(guān)重要。

綜上可知，激光-電弧復(fù)合焊是一種高效經(jīng)濟(jì)的焊接方法，激光使電弧在高速焊接下保持穩(wěn)定，電弧使材料對(duì)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(yīng)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］。激光焊接過程中，激光對(duì) 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(zhuǎn)變，α相全部轉(zhuǎn)化β相，隨著溫度進(jìn)一步升高至液相線，TC4鈦合金熔化為液態(tài)，當(dāng)激光熱源遠(yuǎn)離后，溫度降低，當(dāng)溫度低至固相線則生成 β 相，在繼續(xù)冷卻過程中，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(shù)決定了TC4鈦合金加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻速率，其對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織構(gòu)成、形態(tài)、相組成比例有重要影響［38］。

徐培全［39］等對(duì)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(xiàn) α相，主要由相互平行的細(xì)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(cuò)，如圖 14 所示。焊縫冷卻過程中 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(dǎo)致 α'馬氏體不能充分長(zhǎng)大，因此形成了相互平行的細(xì)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(cuò)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(zhuǎn)變，再以不同速率進(jìn)行冷卻，對(duì)焊縫晶粒生長(zhǎng)及相變進(jìn)行了原位觀察。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，并且能夠觀察到 αgb（Grainboundary），鈦合金發(fā)生組織轉(zhuǎn)變主要取決于晶界，很多情況下，αgb與 β 晶粒呈現(xiàn)一定的伯格斯取向關(guān)系（Burgers orientation relationship，BOR）。當(dāng)冷卻速率增加至 20 ℃/s 和 80 ℃/s，分別在 835.5 ℃和818.9 ℃時(shí)出現(xiàn)新相，該冷卻速度下，短小針狀 α'馬氏體數(shù)量急劇增加，同時(shí)由于形核驅(qū)動(dòng)力增加，除晶界形核外，還在晶粒內(nèi)部 α 片層上形核。冷卻速率增大降低焊縫中 V（β 相穩(wěn)定元素）的擴(kuò)散能力，使低 V 的 α 相較難形成，從而導(dǎo)致析出新相的轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)降低。圖 15 是不同冷卻速率下的室溫微觀組織，由于鈦合金各相的硬度排序?yàn)棣?#39;＞α＞β，所以硬度與冷卻速率呈現(xiàn)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(duì)前一道焊縫起到熱處理作用，焊縫組織變化相對(duì)復(fù)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(qū)域，不同區(qū)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(qū)域均可看見清晰的粗大初生β柱狀晶，在β柱狀晶內(nèi)部分布著形態(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，隨著焊接層的增加，等軸晶數(shù)量減少，直至消失，且上部區(qū)域 β 柱狀晶最粗大，中部次之，下部最細(xì)小。通過微觀組織發(fā)現(xiàn)上部區(qū)域存在少量魏氏組織，中部出現(xiàn)少量晶界αgb相［42-43］。焊接熱影響區(qū)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(qū)域，在板厚方向熱影響區(qū)的顯微組織呈現(xiàn)一致性，I區(qū)主要以α'馬氏體為主+極少的α相，發(fā)生不完全轉(zhuǎn)變的Ⅱ區(qū)為原始初生α相+α'馬氏體以+少量亞穩(wěn)態(tài)β相，而Ⅲ區(qū)為球化的初生α相+亞穩(wěn)態(tài)β相組成［44］。基于上述組織的焊接接頭，其上中下3部分的抗拉強(qiáng)度均與母材相當(dāng)，斷裂位置為母材，斷后伸長(zhǎng)率要明顯低于母材。3部分各區(qū)域顯微硬度數(shù)值略有差異，但是分布趨勢(shì)基本一致，3個(gè)部位焊縫區(qū)域的顯微硬度均高于熱影響區(qū)和母材，而熱影響區(qū)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(qiáng)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(wěn)定元素，能與鈦合金無限互溶，并產(chǎn)生較小的晶格畸變，同時(shí)能夠調(diào)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(wěn)定性和強(qiáng)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(xiàn) α 相、β 相和晶界 αgb相。α'馬氏體和α相為hcp結(jié)構(gòu)，滑移系數(shù)量較少，各向異性強(qiáng)，其晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致TC4焊接接頭強(qiáng)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(bǔ)充燒損元素，調(diào)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(jié)論及展望

TC4鈦合金激光焊接技術(shù)的研究和工業(yè)應(yīng)用在現(xiàn)階段已深受重視，綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，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(duì)位置、熔滴過渡模式、焊接電流、電弧電壓、焊接方向等參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，已進(jìn)行了大量基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)并結(jié)合了高速攝像和數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)激光-電弧復(fù)合焊金屬蒸氣等離子體的作用機(jī)制、復(fù)合熱源的相互作用模式及熔滴過渡和熔池動(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(xiàn)α相、β相和晶界αgb相，而熱影響區(qū)組織呈現(xiàn)明顯的 3 個(gè)區(qū)域分布，基于上述組織的焊接接頭，斷后伸長(zhǎng)率明顯低于母材，但抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)，熱影響區(qū)的硬度會(huì)低于焊縫和母材。

然而，隨著TC4鈦合金在各種極端條件下的應(yīng)用，工程對(duì)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(gòu)件，未來可以從以下方面開展研究工作：

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

（2）研究各類外場(chǎng)輔助（電磁、超聲、磁場(chǎng)等）對(duì)激光及激光復(fù)合焊接TC4鈦合金時(shí)熔池的影響機(jī)制，以及對(duì)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(jī)制，以期望獲得強(qiáng)度和韌性俱佳的接頭。

（4）納米材料、復(fù)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(fù)等方面的應(yīng)用。

（5）TC4鈦合金激光焊接大型構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力和殘余變形情況、服役可靠性、安全壽命評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)問題。

參考文獻(xiàn)：

［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(bào)，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(guó)，胡勝鵬，等. 釬焊溫度對(duì)TC4/Ti60接頭組織及性能的影響［J］. 焊接學(xué)報(bào)， 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(guó)有色金屬焊接材料的發(fā)展現(xiàn)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. 基于專利角度分析鈦合金焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電焊機(jī)，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(fù)合焊接保護(hù)狀態(tài)對(duì)焊縫成形及性能影響［J］. 焊接學(xué)報(bào)，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(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［8］ 李明軍，陳和興，陳永城，等 . 焊接參數(shù)變化對(duì)TC4鈦合金激光焊接成形的影響［J］. 應(yīng)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(yàn)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(duì)TC4鈦合金薄板對(duì)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(jī)械工程學(xué)報(bào)，2020，56（6）：118-124.

GUO N，CHENG Q，F(xiàn)U 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(xì)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(duì)焊縫成形的影響［J］. 應(yīng)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］ 許愛平，侯繼軍，董俊慧 . 稀土活性劑對(duì)TC4鈦合金激光焊焊接接頭的影響［J］. 材料導(dǎo)報(bào)，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(shù)對(duì)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(shù)對(duì)焊縫宏觀成形的影響［J］. 中國(guó)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(xiàn)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(duì)熔池動(dòng)態(tài)行為及焊縫成形的影響［J］. 中國(guó)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(dǎo)報(bào)， 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(duì)激光焊接匙孔與熔池影響的數(shù)值模擬［J］. 中國(guó)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(diào)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(fù)合熱源焊接技術(shù)的研究進(jìn)展［J］. 材料導(dǎo)報(bào)，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(qiáng) . 激光-TIG 電弧復(fù)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(duì)激光吸收與散焦的定量測(cè)量［J］.焊接學(xué)報(bào)，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(hù)焊電弧復(fù)合焊接工藝研究［J］. 中國(guó)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(fù)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(dǎo)電弧復(fù)合焊接鈦合金薄板工藝研究［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(fù)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?qū)饫w激光-MIG 復(fù)合焊接鈦合金焊縫成形的影響［J］. 中國(guó)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(fù)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(fù)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，夏希瑋，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(bào)， 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(zhǎng)及相變?cè)挥^察［J］. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，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(jī)，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(bào)，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(bào)，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(duì)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