前言

TC4（Ti-6Al-4V）為一種α+β鈦合金，具備比強度高、耐蝕性好、高溫性能優異等諸多優點，廣泛應用于火箭殼體和航天器等航空航天領域，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，約占鈦合金總產量的50%以上［3-4］。

由于TC4鈦合金化學性質活潑，焊接過程中極易與氧形成氧化物，并且在 250 ℃時吸收氫形成TiH2，700 ℃會與氮反應生成脆硬 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境下進行，保護成本過高，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點，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-電弧復合焊接技術在焊縫成形、焊縫微觀組織轉變及性能研究等方面進行綜述，以期為今后的TC4激光焊接技術研究發展提供思路。

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 106 W/cm²時，激光能量導致材料表面熔化，并且伴隨蒸發，當蒸氣引起的反沖壓力大于液態金屬表面張力和重力時，會排開一部分液態金屬，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一步發生，使小孔加深，最終形成類似鎖眼的小孔，也稱為“匙孔”，當激光束在小孔內產生的金屬蒸氣壓力與液態金屬表面張力和重力達到平衡后，會得到一個深度穩定的小孔，即為“小孔效應”［7］。激光深熔焊時，小孔穩定性對獲得成形美觀、組織連續無缺欠、力學性能佳的優質焊縫至關重要。基于小孔形成機理及過程中產生的“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，可知激光焊接過程中小孔深度、大小及穩定性主要與焦點位置、激光功率和焊接速度等參數有關。

焦點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鈦合金板發現，當激光功率為 4.3 kW，焊接速度為2.7 m/min時，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］在進行薄壁管激光焊時發現，離焦量會提高焊縫寬度，但同時會降低能量密度，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對小孔的形成原因及其動力學進行研究發現，當離焦量和焊接速度不變時，隨著激光功率的增加，熱輸入增加，導致液態熔池尺寸變大，焊縫的熔寬和熔深都會增加，直至焊穿，如圖2所示。在焊透中厚TC4鈦合金板時，激光功率增加會使焊縫熔寬增大，液態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，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變為I形，表明焊縫上、下部熔寬尺寸差異會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，導致焊縫熔深和熔寬均減小。焊接速度過快或過慢都會導致焊接過程不穩定，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系，其中由焦點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，激光功率增加使小孔錐度變小，進一步增加功率，小孔錐度幾乎不會改變，但光斑直徑會使小孔錐度顯著增加。另外，模擬發現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，反之為負相關。

綜上可知，焦點位置、激光功率和焊接速度的單一變化均會導致焊縫形貌發生改變，進而影響焊縫成形和焊接過程穩定性。這些參數在穩定的深熔焊范圍內變化，只會引起焊縫熔深和熔寬變化，當達到臨界條件會引起焊接模式（熱導焊、深熔焊及深熔-熱導交替）改變。除焦點位置、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、工件組對情況等均會影響焊縫成形［15-18］。實際焊接中，應根據焊件的熔深及施焊工況來選擇焊接參數，使焊接過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系，以獲得高質量焊縫。

1.2 激光填絲焊

使用激光焊接薄板及中厚板時一般可以不添加熔敷金屬，實現自熔焊接，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、不能對焊縫成分進行調整等缺點，一定程度上限制了其在工業上的應用［19］。而激光填絲焊可以很好地克服這些缺點，同時激光填絲焊可進行低激光功率下的多層多道焊接，結合窄間隙焊技術可以實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，焊絲對熔池表面流動及波動狀態都有很大影響，焊絲處在熔池前方，焊絲熔化進入熔池對液態金屬具有沖擊作用，可以阻止液態金屬的橫向流動及回流。激光填絲焊熔滴進入熔池的過渡模式有“液橋過渡”和“滴狀過渡”兩種，主要與光絲相對位置有關，兩種過渡模式示意如圖 5 所示［21］。

當熔滴以液橋模式過渡時，表面張力在一定程度上輔助熔滴進入熔池，與滴狀過渡相比降低了對熔池表面的沖擊力，因此熔池表面波動也小，而滴狀過渡熔池表面波動較大。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焊接過程的影響，如圖 6 所示。發現藥芯焊絲處于液態熔池上方 3 mm 處，熔滴過渡模式為穩定的滴狀過渡，但熔滴過渡時的沖擊力會對熔池流動造成不利影響，而當距離為0 mm時，則為穩定的液橋過渡，焊接過程飛濺少且焊縫成形美觀。

光絲相對位置不僅影響熔滴過渡模式，同時也會影響熔滴尺寸。圖7、圖8分別是熔滴尺寸對激光匙孔形態波動與匙孔前壁液態金屬流動速度影響的數值模擬。由圖可知，熔滴在匙孔上方落入熔池，會對匙孔的形態波動影響較大，熔滴尺寸較大時，波動幅度也較大，同時熔滴尺寸也會影響匙孔前壁液態金屬流動方向及流動速度［23］。

激光填絲焊接TC4鈦合金時，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。黃宇等［24］對1 mm厚TC4鈦合金進行激光填絲焊，研究了焊絲送入條件、離焦量和送絲速度對焊縫成形質量的影響，發現當其他參數固定不變時，送絲角度會影響焊絲對激光能量的吸收，角度過小，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，焊接過程穩定性差，導致出現滴狀焊縫。程好等［25］發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。當采用擺動激光焊接時，激光的擺動參數與模式對焊縫成形也有很大影響［26］。

因此，在實際工況中，尤其是焊接薄板時，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、激光擺動模式、焦點位置及光絲相對位置來確定送絲速度，再結合上述參數及焊縫成形要求來調整焊接速度。

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程中，由于電弧對工件有預熱作用，激光束可直接輻照液態熔池，減少了工件對紅外激光的反射比，增加激光吸收率，同時溫度和電離度相對較低的電弧可稀釋激光產生的光致電離，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熱源簡單疊加，兩個熱源之間存在能量相互耦合、相互影響。激光穿過電弧時，激光能量被電弧吸收和散焦會引起激光傳輸特性發生改變，而激光形成的匙孔會吸引和壓縮電弧。

研究發現，激光作用會使焊接電流增大而電弧電壓降低，同時電弧會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生劇烈交互作用，引起電弧形態快速變化［28］。陳彥賓［29］等使用激光燒蝕有機玻璃法發現電弧會吸收激光并具有散焦特性，隨著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，在電場力作用下，電弧等離子體中的電子是做高速定向運動，而當激光穿過電弧空間時，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、等離子形態發生變化。這些相互作用會影響復合熱源和工件之間的能量傳遞，進而影響焊縫成形、微觀組織及性能。

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，發現隨著焊接電流增加，焊縫上部熔寬增加，下部熔寬變化較小，同時可減小底部咬邊，而當分別增加激光功率和熱源間距時，焊縫熔寬和咬邊呈現波動性變化。在主保護氣體中加入氦氣時，電弧形態變化如圖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-電弧復合焊應優先選用氦氣氣氛或短波長激光。

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 與焊縫成形的關系，如圖11所示。當參數處于A區域內時，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。研究還發現隨著激光與電弧兩個熱源之間夾角減小，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。熊俊［33］等認為激光-TIG復合焊時，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熔滴過渡模式，分為液橋過渡和滴狀過渡，焊接時熔滴過渡模式主要與光絲間距和送絲速度有關。

激光-TIG電弧復合焊主要適用于10mm 以內TC4薄板的焊接，利用激光對 TIG 電弧進行誘導與壓縮，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、焊接生產效率低等缺點。

激光-MIG 電弧復合焊時，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）焊縫的魚鱗紋更細密光滑，焊縫成形更好。LL方向焊接時，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，在 DLA=0~4 mm 之間為深熔焊。增加激光功率，兩個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 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行焊接，發現坡口角度60°、鈍邊為5 mm時，焊接過程最穩定，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電弧復合焊過程穩定性的影響，如圖 12 所示，激光匙孔周圍熔池波動會導致飛濺，并且熔滴落入熔池后，熔池會產生很大波動，MIG 焊電弧的重新引燃會對熔池產生很大作用，過渡頻率越低，熔滴尺寸越大，則該現象越嚴重，因此熔滴過渡過程對焊縫成形及降低缺欠數量至關重要。

綜上可知，激光-電弧復合焊是一種高效經濟的焊接方法，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金屬的流動狀態，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，提高焊縫質量。

2、微觀組織及力學性能

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 TC4鈦合金進行加熱，在溫度約為 975 ℃±20 ℃時會發生α向β的同素異形體轉變，α相全部轉化β相，隨著溫度進一步升高至液相線，TC4鈦合金熔化為液態，當激光熱源遠離后，溫度降低，當溫度低至固相線則生成β相，在繼續冷卻過程中，發生固態相變，會由β相中析出新相。激光焊接時，焊接參數決定了TC4鈦合金加熱溫度、保溫時間及冷卻速率，其對焊縫及熱影響區的微觀組織構成、形態、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］采用擺動激光填絲焊接2mm厚T形接頭，獲得的焊縫組織中未發現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。激光束周期性擺動產生的動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 ℃并保溫一定時間，使其完全發生β相轉變，再以不同速率進行冷卻，對焊縫晶粒生長及相變進行了原位觀察。冷卻速率為0.5 ℃/s，在889.5 ℃時，α相優先在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，同時由于形核驅動力增加，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為α'＞α＞β，所以硬度與冷卻速率呈現正相關，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行多層焊接。多層焊時，后焊焊道會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個區域，不同區域的組織形態、相的組成與空間分布有所差異，如圖 16 所示。

3 個區域均可看見清晰的粗大初生β柱狀晶，在β柱狀晶內部分布著形態不一的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。通過微觀組織發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，按組織形態可將其分為圖17所示的3個區域，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β相，而Ⅲ區為球化的初生α相+亞穩態β相組成［44］。基于上述組織的焊接接頭，其上中下3部分的抗拉強度均與母材相當，斷裂位置為母材，斷后伸長率要明顯低于母材。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，能與鈦合金無限互溶，并產生較小的晶格畸變，同時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的研究和工業應用在現階段已深受重視，綜合國內外相關學者研究現狀發現，為了探究焦點位置、激光功率、焊接速度、送絲速度、光絲相對位置、熔滴過渡模式、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，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渡和熔池動力學等進行了研究。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 個區域分布，基于上述組織的焊接接頭，斷后伸長率明顯低于母材，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用，工程對TC4激光焊接的要求不斷提升，為獲得性能更加優異的TC4焊接構件，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，尤其是復合材料的激光及激光復合焊接技術。

（2）研究各類外場輔助（電磁、超聲、磁場等）對激光及激光復合焊接 TC4鈦合金時熔池的影響機制，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、安全壽命評估等關鍵技術問題。

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