发布日期：2026-1-9 17:14:51
序言
随着21世纪国内对深海、深空资源的开发，不断对极端环境条件下服役材料提出新的需求.钛合金因良好的耐腐蚀性、高强质比以及耐疲劳等特性而备受关注.其中，TC4属于α+β双相钛合金，兼具双相优点，具有较高的强度以及较好的韧性[1-2]，近年来在航空航天设备轻量化设计、海洋资源勘探与开采等诸多行业已有广泛应用[3-5].
在焊接领域，激光焊相较传统钛合金手工焊效率高、热输入小，节省了高昂的人工成本[6-7].在此基础上发展的激光填丝焊通过额外添加焊丝，提高了激光对装配间隙的容忍度，同时便于调控焊缝的合金成分与显微组织，有利于提高焊接质量，因此受到了国内外的广泛关注[8].
余阳春[9]发现在激光填丝焊中液桥过渡条件下焊接过程稳定性最高，可获得良好的焊缝成形，然而激光作用面积过小，该过渡模式对送丝位置要求非常高;李俐群等人 研究发现,激光填丝焊中焊丝的引入会使熔池产生紊流，破坏匙孔稳定性，影响焊缝成形与焊接质量;司昌健[11]对比了不同送丝速度下动激光与常规激光填丝焊，结果表明，摆动激光焊可在较大送丝速度范围内获得良好的焊缝成形;许伟等人[12]研究了激光摆动频率对焊缝成形的影响，当摆动频率过低或过高时均会导致焊缝边缘隆起，成形恶化;李军兆13-14]的研究认为摆动激光可以间隙熔化焊丝保持焊接过程稳定性，但当摆动幅度过大时，较低的能量密度难以充分熔化焊丝与母材;李治等人[15]研究了摆动幅度对焊丝位置稳定性的影响，当激光摆动幅度较小时焊丝两侧受热不均匀，致使焊丝容易偏离平衡送丝位置;张军[16]通过高速摄像分析发现，窄间隙条件下适当增大激光摆动频率可以增强熔池对侧壁的润湿性;蒋振国[17]研究了窄间隙坡口内部熔滴过渡行为，认为增大激光摆动频率与摆动幅度可促使熔滴液桥过渡，改善焊缝成形.
综上所述，当前摆动激光填丝焊中对焊缝成形的研究多聚焦于工艺参数优化，基于熔滴过渡与熔池流动的分析则局限于窄间隙焊接范围内，针对钛合金平面堆焊的研究尤为不足，特别是摆动激光条件下熔滴过渡与熔池流动对焊缝成形的协同作用机制尚不明晰.文中以5mm厚TC4钛合金为研究对象，采用同质焊丝开展平面堆焊试验，系统探究激光摆动幅度、摆动频率以及送丝速度对焊缝成形的影响规律,结合高速摄像同步观测熔滴-熔池动态行为,揭示不同工艺参数下焊缝形貌演变的内在机理,以期为钛合金摆动激光填丝焊接工艺开发与工程化应用提供重要理论依据.
1、试验方法
试验采用200mmx100mmx5mm的TC4板材为母材，直径为1.2mm的同质TC4焊丝为焊接材料.焊缝正面通过拖罩向熔池周围施加99.99%Ar以避免氧化,保护气流量为30L/min,焊前对板材进行打磨与酒精清洗，去除表面氧化膜及油污.
试验选择HFB-6000光纤激光器，定制型摆动激光头，激光波长1080nm，焦点处直径0.6mm，焊接过程光束向焊接方向倾斜5°以保护光学设备,激光垂直于焊接方向直线摆动.采用高速摄像垂直于焊接方向对焊接过程进行拍摄，观测试验采用联排保护气管对焊缝进行保护，试验平台如图1所示.
试验保持激光离焦量为+15mm,焊接速度为40cm/min,激光功率为3000W,分别改变送丝速度vf、摆动幅度A和摆动频率f,工艺参数及编号见表1.
试验使用数码相机拍摄焊缝宏观形貌与横截面.焊后采用线切割加工金相，经打磨抛光后使用5%HF+30%HNO3的水溶液腐蚀焊缝横截面，以平行于横截面的毫米刻度尺为参考尺寸，通过ImageJ图像处理软件测量横截面的熔宽W与熔深H,焊缝横截面特征参量示意图,如图2所示.
表1焊接工艺参数
| 试验编号 | 送丝速度 vf/(m·min^{-1}) | 摆动幅度 A/mm | 摆动频率 f/Hz |
| a | 1.75 | 1 | 80 |
| b | 2 | 1 | 80 |
| c | 2.25 | 1 | 80 |
| d | 2.5 | 80 | |
| e | 2.75 | 1 | 80 |
| f | 2.25 | 0 | 0 |
| g | 2.25 | 0.5 | 80 |
| h | 2.25 | 1.5 | 80 |
| i | 2.25 | 2 | 80 |
| j | 2.25 | 1 | 40 |
| k | 2.25 | 1 | 120 |
| 1 | 2.25 | 1 | 160 |
2、试验结果与分析
2.1焊接工艺对焊缝成形的影响
2.1.1送丝速度
如图3所示，当送丝速度在1.75~2.75m/min范围内,焊丝均可稳定熔化.结果表明,随着送丝速率增大，激光能量更多作用于焊丝，致使焊缝热影响区宽度呈显著下降趋势.
送丝速度对焊缝横截面形貌的影响规律，如图4所示.当送丝速度较小时,过热的熔敷金属在重力及表面张力的共同作用下由焊缝中心向侧面铺展并熔化两侧母材,熔宽随着送丝速度的增大快速增大.
当送丝速度较大时，熔池冷却速率较快，熔覆金属快速凝固，送丝速度对熔宽的影响逐渐减小，熔宽变化趋于平稳.因此,随着送丝速度的增大焊缝熔宽先增加后趋于平稳,熔深则因激光作用于母材的能量减少而整体呈现下降趋势.
2.1.2摆动幅度
激光摆动幅度对焊缝成形的影响，如图5所示.当摆动幅度为0mm时，即常规激光填丝焊，母材剧烈蒸发，焊丝受到高温金属蒸汽的软化与冲击进而容易偏离平衡送丝位置，焊缝成形出现轻微驼峰和周期性不均匀.
在摆动激光下，热源面积增大，能量密度降低，母材的蒸发被抑制，焊丝所受到金属蒸汽的冲击与热作用减弱，激光对送丝位置的适应性提高，因此摆动条件下焊缝成形更加均匀.此外，激光对熔池的搅拌作用促进熔敷金属铺展，加速焊缝顶部的液态金属向两侧流动，焊缝余高下降.当摆动幅度过大时，激光能量分散，焊缝出现锯齿形边缘.另一方面，因摆动激光焊接在焊缝两侧停留时间较中心位置长，热输入在垂直于焊接方向上分布不均匀，焊缝根部不平整，出现两个熔深见图5(e)，在此前研究中亦有相关报道[13].
在非摆动条件下，焊缝熔深达到最大，随着摆动幅度的增大，熔深快速减小，焊缝熔宽因激光加热面积增大整体上呈现增大的趋势，如图6所示.
2.1.3摆动频率
如图7所示，当激光摆动频率在40~160Hz范围内,可获得良好的焊缝成形,且随着摆动频率的增大，焊缝表面波纹愈发均匀密集.
如图8所示，当摆动频率较小时，随着摆动频率的增大，激光的搅动作用增强，熔池侧向流动的速度增大，过热的液态金属熔化母材使得熔池增大，焊缝熔宽增加.当摆动频率较大时，单个周期内热输入过小，焊丝熔化量减少的同时熔池温度下降,对母材的熔化作用减弱.因此,熔宽呈现出先增大后减小的趋势，熔深因能量分散略有下降.
2.2焊接工艺对熔滴过渡行为的影响
常规激光填丝焊中,焊丝与激光部分交叠可实现熔滴的液桥过渡，如图9所示.随着焊丝端部液态金属的持续蒸发，液桥变得细长，如t0+6ms时刻.当焊接过程或送丝位置出现微小的波动便会导致液桥断裂，如to+12ms时刻，熔滴蒸发所产生的金属蒸汽推动熔池向后部隆起,焊丝继续送进,熔滴持续长大，直至在重力的作用下与熔池接触实现过渡.大尺寸熔滴冲击熔池，匙孔被完全覆盖，同时引起熔池强烈的流动.随后，熔滴会以这种亚稳态的形式周期性过渡，而难以回到稳定的液桥过渡状态.
在摆动激光填丝焊中，摆动幅度1mm，频率80Hz条件下，当激光位于焊丝位置时，熔化的液态金属从匙孔两侧向熔池中过渡，如图10中t0时刻.当激光摆动至背离观测方向时，另一侧熔池上升与焊丝端部接触形成单侧液桥，当激光摆动至观测方向一侧时，背离激光一侧可更为清晰的观测到这种单侧液桥过渡的现象，如t0+3ms与t0+8ms时.此外，在激光摆动至偏离焊丝位置时，焊丝继续送进，由于此时未能有足够的能量使得焊丝快速熔化，固体焊丝与熔池底部凝固金属直接接触而上升，当激光摆动至焊丝位置时，激光对焊丝的加热面积大幅增加，焊丝端部快速熔化，焊丝恢复至平衡位置.在此过程中，熔滴过渡形式始终为液桥过渡.
当摆动频率增大为160Hz,摆动幅度为1mm的高速摄像，如图11所示.尽管随着摆动频率增大，单个摆动周期内焊丝熔化量显著减小，但摆动频率的增大有效加强了对熔池的搅拌作用，熔池更容易与焊丝接触形成液桥，促进熔滴过渡.另一方面，摆动的匙孔扫过液桥，促使熔滴在较短时间内过渡至熔池，在焊丝端部形成几乎全为固态的尖端.焊丝尖端与熔池底部接触后，焊丝向上倾斜，在激光与熔池的热作用下快速熔解，焊丝回落至平衡位置.
当摆动频率为80Hz,摆动幅度增大至2mm时，如图12所示.激光在单个摆动周期T内仅能熔化焊丝表面较小区域，焊丝持续向上倾斜并在抵达熔池后半段时加速向上倾斜，如to+7T时.此后，激光在中心位置几乎完全照射在焊丝上，焊丝于多个摆动周期后发生折断，熔滴以固-液混合颗粒过渡至熔池中，在熔池边缘沉积形成锯齿形边界的焊缝，如图12中t0+17T时所示.
2.3熔滴过渡行为对焊缝成形的影响机理
常规激光填丝焊大滴过渡机理.如图13所示.理想的送丝位置可使熔滴保持稳定的液桥过渡见图13(a).然而，在连续激光作用下熔滴持续蒸发，金属蒸汽吹动熔池向后流动，熔池前部高度下降，焊丝端部与熔池距离拉长，当焊丝发生轻微波动时液桥断裂，持续送进的焊丝在端部形成液态熔滴.激光作用在熔滴上使其快速蒸发，强烈的金属蒸汽进一步促使熔池前部液态金属向熔池后部流动，熔池前部凹陷，熔池后部隆起，熔滴持续长大，最终在重力的作用下与熔池接触实现过渡见图13(b).大滴过渡会遮挡激光匙孔，造成匙孔坍塌形成气孔，当熔滴过渡后，熔滴蒸发产生的金属蒸汽快速消失，后部隆起的熔池得以向熔池前部流动回落，而熔池前部的刚刚过渡的大量熔敷金属向后流动，熔池剧烈波动见图13(c)，导致焊缝表面成形出现波动.
摆动激光填丝焊液桥过渡机理.如图14所示，当激光偏离焊丝位置时，焊丝持续向前送出，由于焊丝所吸收热量不足而直接与熔池底部接触，并向上的倾斜，如图14(b)所示.随后，当激光摆动到送丝位置时对焊丝热输入增大，在熔池的协同作用下，前段焊丝快速熔化，如图14(c)所示，焊丝回落至平衡位置,如图14(d)所示.尽管这一过程可能因焊接参数不同而并非发生在一个摆动周期内,但显然摆动激光具备较高的送丝位置和送丝速度的适应性,焊缝成形良好.
摆动激光填丝焊固-液混合颗粒过渡机理.如图15所示,当摆动幅度过大时,激光对焊丝的热输入迅速减少，在数个摆动周期内焊丝仍无法完全熔化,与熔池底部接触而持续上升,如图15(b)所示.当焊丝抵达熔池后端时，由于熔池底部坡度变化，焊丝快速向上倾斜.
此时，焊丝送进的力F与熔池底部固态金属对焊丝的力Fb夹角迅速增大，焊丝所承受力矩增大，同时在熔池、金属蒸汽与激光的热作用下焊丝软化，最终发生断裂，如图15(c)所示.熔滴以固液混合的颗粒状过渡至熔池，如图15(d)所示.由于熔池边缘温度较低，表面张力大于焊缝中心，在马兰格尼流力[18]的作用下熔池推动固体金属颗粒向温度较低的焊缝边缘运动，固相颗粒熔化使得周围熔池温度快速下降，熔敷金属在焊缝边缘无法充分铺展，焊缝表面形成锯齿形边缘.
3、结论
(1)在TC4钛合金激光填丝焊接中，摆动激光较常规激光对焊缝成形有明显的改善作用，当激光摆动幅度为1mm时，在送丝速度为1.5~2.75m/min、激光摆动频率为40~160Hz的工艺范围内均能够获得良好的焊缝成形.
(2)随着送丝速度与摆动幅度的增大，焊缝呈现熔宽增大，熔深减小的趋势;随着摆动频率的增大，焊缝熔深减小，熔宽先增大后减小.
(3)当摆动频率为80Hz时，摆动幅度从0 mm增大至2mm,熔滴的过渡形式从大滴过渡转变为液桥过渡，再转变为固-液混合颗粒过渡;当摆动幅度为1mm时，摆动频率从80Hz变化为160Hz,熔滴过渡形式均为液桥过渡.
(4)不同的熔滴过渡与熔池流动行为引起焊缝成形的显著变化.大滴过渡条件下，熔池波动剧烈，焊缝成形不均匀;液桥过渡条件下，熔池稳定，焊缝成形良好;固-液混合颗粒过渡条件下,局部熔池无法完全铺展，形成焊缝锯齿形边缘.
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作者简介:孙清洁，博士生导师，教授;主要从事高效焊接方法、设备及机理方面的研究;Email:qjsun@hit.edu.cn.刘一搏(通信作者)，博士生导师，教授;Email:ybliu0701@hit.edu.cn.
（注，原文标题：TC4钛合金摆动激光填丝焊接工艺对焊缝成形的影响及机理分析）