发布日期：2025-9-10 8:56:14
引言
钛合金由于比强度高､与复合材料良好的电化学兼容性，应用范围比较广，采用钛合金作为载体，可以在降低载体重量的前提下，提高载体的工作可靠性，延长载体的使用寿命｡在航空航天等领域，钛合金主要采用焊接结构，其焊接技术及可焊性已成为世界各国焊接界的重要课题｡
1、钛合金的特点
钛合金是一种性能优异的合金｡⑴钛合金是一种高强度､高硬度的材料｡钛合金具有比传统金属更高的强度和更高的承载能力｡因此，钛合金在航空发动机､汽车零部件､人造关节等方面具有广阔的应用前景｡⑵ 钛合金材料的致密性比较差｡这种特性使得它在诸如航天飞行器等轻量化领域有着巨大的优势｡减轻飞机的重量，不但可以提高燃料利用率，而且可以使飞机的有效载荷增大，从而提高飞机的综合性能｡⑶钛合金也有很好的抗腐蚀性能｡能抗酸､碱､盐等多种腐蚀介质的腐蚀｡因此，可以用来制作抗腐蚀的管道､容器､外科手术仪器等 [1]｡
2、 钛合金激光焊技术类型
2.1 脉冲激光焊
脉冲激光焊接是一种通过激光脉冲在焊缝表面形成高能脉冲的方法｡脉冲激光具有较高的峰值功率，可快速熔融､汽化钛合金，并产生 “小孔” 效应，可实现深熔焊｡脉冲激光焊接具有热影响区小，焊缝组织细化，接头综合性能好等特点｡但是，脉冲激光焊接的速率比较低，只适合于薄厚板的焊接｡
2.2 连续激光焊
连续激光焊接是一种采用连续激光输出等功率的激光焊接技术｡连续激光器输出功率稳定，焊接速率高，适合大面积焊接｡与脉冲激光焊接比较，连续激光焊接的焊接表面比较粗糙，需对其进行后处理｡
2.3 复合激光焊
复合激光焊接技术是一种利用脉冲激光与连续激光相结合的焊接技术｡适当地调节脉冲与连续激光的功率及脉宽，可得到较好的焊接质量及焊接质量｡该方法综合了脉冲激光焊接与连续激光焊接的优势，适合于各种类型､壁厚的钛合金零件的焊接 [2]｡
3、钛合金激光焊存在问题
3.1 焊缝气孔问题
焊接气孔是钛合金激光焊接研究的热点和难点｡焊接气孔产生的原因很多｡⑴由于钛合金自身的化学特性，它对气孔非常敏感｡钛合金中的杂质如氧､氮和合金元素的挥发均可引起气孔的产生｡⑵焊接工艺条件也是影响焊缝处气孔形成的主要因素｡当激光功率太大或太小时，会造成熔合不均，产生气孔的危险增大｡如果控制不好，则会引起熔池内的滞留时间过长或过短，同时还会出现气孔｡另外，保护气的选用及流速对焊接接头的防护效果也有一定的影响，从而对焊接中气孔的产生有一定的影响｡⑶ 对焊接环境进行了分析｡如果有潮气､污物或其它杂质，则会在焊接时产生气孔｡焊接之前，一定要保证作业环境干净､干燥，尽量避免产生气孔｡⑷材料表面处理对焊接气孔也有一定的影响｡对焊缝进行正确的前处理与清洗是十分必要的｡焊缝中存在大量气孔，严重影响了焊缝的质量与使用性能，因而研究气孔的产生机理是提高焊缝质量的关键｡
3.2 焊接裂纹问题
钛合金激光焊接时出现的裂纹是目前急需解决的问题｡⑴钛合金具有很高的化学活性，在焊接时极易与氧､氮等元素发生化学反应，生成脆性相对较大的脆性相，提高了焊缝的开裂风险｡同时，由于其导热系数小，在焊接过程中极易形成大的温度梯度，从而引起焊缝内部应力集中，从而引起焊缝开裂｡⑵激光焊接的高能量密度及快速升温降温特性，使其在极短的时间内经受强烈热循环，极易发生热开裂｡而激光束在焊接过程中，熔深小，极易产生不熔合等缺陷，使裂纹扩展更加严重｡⑶对焊缝开裂也有较大的影响，主要是焊接参数的选取｡在实际应用中，由于激光功率､焊接速度和光斑直径等因素的影响，会产生开裂｡在钛合金激光焊接过程中，焊缝开裂是最常见的一种缺陷，其产生的原因很多，严重时甚至会引起焊接的失效｡
3.3 变形问题
钛合金在激光焊接时，容易产生塑性变形，从而降低焊缝的质量与使用性能｡在实际应用中，由于焊缝几何尺寸的变化，使得工件的加工精度下降，甚至达不到使用要求｡分析了钛合金在激光焊接过程中产生的变形问题｡⑴钛合金导热系数小，但激光焊接热输入集中，热膨胀与收缩不均，造成焊缝变形，严重影响其性能｡钛合金材料的比热特性决定了其在焊接时极易聚集在焊缝附近，导致焊缝处温度急剧上升｡焊接完成后，焊缝进入冷却阶段，焊缝及周边区域因热膨胀系数不同而出现不同程度的收缩，造成焊缝变形｡⑵焊接时产生的残余应力也是引起焊缝变形的一个主要因素｡激光焊接过程中，焊缝在受热､冷却过程中会发生不均匀的热､冷，并会形成残余应力｡在焊接过程中，焊接接头中的残余应力高于接头的屈服极限，将引起焊接接头的变形｡焊接过程中的残余应力与焊接工艺参数､焊件几何尺寸及约束条件密切相关｡⑶焊接变形对焊件的结构设计也有一定的影响｡若被测构件的组织设计不当､焊缝布局不当，则会造成焊件在焊接时的应力分布不均，进而产生变形 [3]｡
4、钛合金激光焊技术优化措施
4.1 有效解决焊缝气孔问题
焊缝气孔会使接头的强韧化程度下降，如何有效地解决这一问题，是提高钛合金激光焊接质量的关键｡⑴选用合适的焊材｡选用优质的母材及线材是降低焊接缺陷的重要措施｡选用高纯度､低气体含量的钛合金，焊接时要保证焊条的表面没有氧化物层和污物｡另外，选择合适的焊丝直径及工艺参数对提高焊缝质量具有重要意义｡⑵做好焊接前的准备。焊前，母材表面应完全清除，清除油脂､氧化物及其它杂质｡同时要保证焊缝处的干燥，避免湿气在焊缝处生成｡⑶对焊接过程中的工艺条件进行优化｡为了有效地降低焊缝中的气孔，必须对其进行优化｡在此过程中，适当增大激光功率､增大焊接速率，有利于加快熔池的凝固，缩短气体滞留时间｡通过对焊接温度､保护气流量的适当控制，可以减少焊缝中的气孔｡⑷ 使用惰性气体进行防护｡采用惰性气体 (如氩) 对焊缝进行保护，可有效避免焊缝被大气中的氧､水蒸汽污染｡另外，还可以通过增加气体流量和增加气体覆盖率等措施来改善焊接质量｡⑸焊接后的表面处理。焊接结束后，必须对焊缝做好后处理｡采用退火､热处理等方法，可有效地消除焊接接头内的残余应力，从而降低气孔的产生｡
4.2 改善焊缝裂纹问题
钛合金在焊接时，极易产生裂纹等缺陷，严重降低了接头的质量与使用性能｡要解决这个问题，可以采取如下措施:⑴要从根本上解决焊接裂纹的问题，就必须优化焊接工艺｡适当地选取激光功率､速度及光斑尺寸等工艺参数，此外，通过预处理及后热处理，也能减轻焊接应力，改善接头的韧性｡⑵选用适当的焊丝对解决焊接裂纹问题也起着重要作用｡焊丝与钛合金基体具有较好的相容性，能改善焊接接头的强韧化程度，降低开裂几率｡另外，在焊接过程中加入少量的稀土元素，如稀土，对焊接接头的微观结构有一定的改善作用｡⑶焊接件的前处理也很重要｡在焊接过程中，通过清除工件表面氧化物､杂质等，可以有效地改善焊接质量，降低焊接裂纹｡另外，通过对焊缝的保护，如惰性气体的保护等，可以有效地避免焊缝的氧化，从而提高焊缝的质量｡通过上述几个方面的研究，可以有效地解决焊接裂纹问题，从而改善焊缝的质量与性能 [4]｡
4.3 改善焊缝变形问题
钛合金在焊接时极易发生焊缝变形，针对该问题，从以下几个方面的解决:⑴合理地选择焊接工艺参数；通过对各工艺参数的优化，可减小线能量，减小焊缝变形｡如降低激光功率､提高焊接速率，可加速焊接过程中的热损失，减少变形；⑵合理的焊接次序对减少焊接变形也起到了一定的效果｡多道焊缝的焊接应遵循一定的次序，以防止因热集中引起的过度变形｡另外，还可以采用对称焊接和分段焊接的方式，使得焊接过程中的应力分布更均匀，从而降低了焊接变形｡⑶采用预处理､后处理等方法，对解决焊接变形问题也是一种行之有效的方法｡在焊接之前，对被测构件进行合适的预热处理，可以有效地减小焊缝中的温度梯度，减小焊缝中的应力｡焊接后的热处理可以有效地消除残余应力，提高接头的组织与性能，降低变形量｡⑷采用先进的焊钳及约束设备，对焊接变形问题也有明显改善｡该设备能有效地约束被焊构件的变形，从而确保了焊接的准确性和稳定性｡通过仿真计算，预先对焊接工艺进行优化，实现对焊接变形的有效控制，进而提升接头的质量与可靠性｡
4.4 优化焊接工艺参数
⑴焊接速率对焊接质量起着决定性的作用｡焊接速率太高，焊缝不均匀，缺陷增多，而焊速太低，又会使线能量增大，使材料变形加剧，晶粒长大｡所以，在实际应用中，要结合钛合金材料的厚度及焊接工艺，选用合适的焊速，才能保证焊缝的稳定与质量｡⑵ 激光功率的选取对焊缝质量有很大的影响｡随着激光功率的增大，焊缝的加热影响区增大，从而增大了焊缝的厚度｡所以，在满足焊接强度要求的同时，要适当调节激光功率，以防止因温度过高而引起的材料变形及性能退化｡⑶光斑直径对焊缝宽度及熔透有较大的影响｡光斑直径越小，焊缝越窄，但也就越难实现｡因此，在对其进行优化时，应从提高焊接质量､提高焊接效率的角度出发，选取适当的光斑直径｡⑷保护气的种类及流速也是影响焊缝质量的主要因素｡氩､氦是一种常见的焊接保护气，能有效地避免焊接过程中的氧化､污染，并能有效地改善焊接的质量和纯度｡在焊接时，要结合钛合金材料的特点及焊接需要，选用适当的保护气，控制好流速，保证焊缝周围的惰性气氛｡⑸还应进一步优化焊接节点的设计｡通过合理的结构设计，可以降低焊缝的应力集中程度，改善焊缝的强度，延长焊缝的疲劳寿命｡在进行焊缝设计时，要综合考虑材料物理性质及焊接技术，选择合适的坡口形式､焊缝形状等参数，才能达到最好的焊接效果｡通过对各工艺参数的合理选取与调节，可有效地提高焊缝的质量与效率，以适应各行业对钛合金焊缝的要求｡
5、钛合金激光焊研究展望
目前，在钛合金焊接方面已有了一些发展，但是仍然存在很多问题｡比如，钛合金对激光的吸收能力差，在焊接时对能量的要求也比较高；此外，激光焊接的温度较高，极易导致钛合金发生氧化､渗氮，从而降低焊接质量｡未来钛合金激光焊的发展如下:⑴ 探索新的激光源及焊接技术，以增加钛合金对激光的吸收能力，减少对能量的消耗｡如利用新的光源如光纤､半导体激光器等，并与脉冲激光､复合激光等先进的焊接技术相结合，可有效地提高焊接的效率与质量｡⑵研制一种适合于钛合金激光焊接的氩气保护工艺，以减轻焊接过程中的氧化､渗氮｡通过对保护气组成及流速的控制，可以有效地避免钛合金的氧化､渗氮，从而改善接头的强韧性｡⑶将计算机仿真与智能控制技术应用于钛合金焊接领域，为今后钛合金焊接研究提供了新的思路｡利用有限元分析方法，对焊缝温度场､应力场及变形状态进行了预测，从而对焊接工艺进行优化；该系统能够实时监测､调节焊接工艺，确保焊接质量稳定｡⑷激光焊接钛合金需要与材料､机械等多个学科相结合 [5]｡
6、结语
随着航空航天和医疗等领域对钛合金的需求量越来越大，对其焊接工艺提出了更高的要求｡通过对钛合金激光焊的深入研究，可有效地提高其焊接效率､质量､降低制造成本，促进其在上述行业中的推广应用，对促进钛合金焊接质量､促进相关行业发展､促进我国制造水平的提高，也是一项十分有意义的研究课题｡为此，应该加强对钛合金激光焊的研究，为其更广泛的应用奠定基础｡
参考文献
[1] 魏玉顺，马青军，武鹏博.TC4 钛合金激光焊接技术研究进展 [J]. 电焊机，2023,53 (8):55-66.
[2] 赵兴科，徐明亮，徐帅。钛合金激光表面加工研究进展 [J]. 材料研究与应用，2023,17 (4):643-657.
[3] 杨环宇，徐信坤，巴现礼。低功率激光 - 双电弧焊接钛合金中厚板工艺及机理 [J]. 机械制造文摘 (焊接分册),2023 (3):1-8.
[4] 王鹏，马蕊，魏永胜。钛合金结构件激光焊典型焊接缺陷及其控制技术 [J]. 焊接技术，2022,51 (8):151-155.
[5] 尚庆慧，徐海龙。异质钛合金激光焊研究现状及存在问题 [J]. 焊接技术，2022,51 (11):11-15.
（注，原文标题：钛合金激光焊研究现状与展望）
tag标签:复合激光焊,钛合金精密成形,能量调控,缺陷抑制,先进激光焊接