发布日期：2026-4-20 10:12:58
近年来，增材制造技术的迅速发展及其独特的制造模式推动着航空航天、医疗器械等工业领域的产业变革,并在实现复杂结构件的轻量化、整体化和高性能化制造等方面显示出巨大的潜在优势。受增材制造装备成形空间、工艺技术水平、制造成本及工艺风险等多重因素制约，增材制造在大尺寸结构件直接一次性成形方面存在明显局限性。例如设备的成形腔体和扫描行程限制了零件的外形尺寸与最大包络体;粉末材料与专用耗材成本、设备购置与运行成本,以及长时间成形的工艺不确定性,显著提高了大型构件直接成形的制造成本与商业风险;复杂构件的成形常需大量原料支持、后加工与昂贵的在线检测手段以保证成形质量，且长时间连续构建会增加工艺波动与失效概率。此外,针对关键航空航天构件的认证与质量保证流程对成形可重复性与可追溯性有严格要求,这进一步限制了大型构件的直接增材成形。因此，实际工程中往往采用模块化分割与分批制造,再通过焊接技术实现结构整体化制造(如航天器舱段连接),以兼顾增材制造在复杂形状成形上的优势与工程化实施的可控性与经济性。
增材制造过程中，层积热历史对金属材料的微观特征产生重要影响，包括固溶态相组分、晶粒尺度与形貌、织构取向及析出相分布等。这些微观特征会直接影响材料在后续焊接过程中的冶金行为和接头性能。尤其是在粉末床熔融(PBF-LB)制备的合金中，由于其快速凝固和高度非平衡的特征，更容易形成强织构和非均匀组织，从而对后续焊接工艺的稳定性和接头性能提出更高要求[1]。因此，如何通过合理的工艺设计来调控微观组织，已成为提升增材制造合金焊接性能的关键问题。这一过程不仅取决于材料本身的化学组成，也显著受到成形工艺参数和热管理手段的影响，例如可以通过优化成形参数与扫描方式来调节熔池形貌与冷却速率，也可以通过基板预热、改变环境温度等措施调控温度梯度等。这些手段可实现晶粒细化、织构优化与相分布均匀，从而提高材料对焊接热循环的适应性，为焊接接头的高性能化提供组织基础。此外，选择合适的焊接方法与工艺参数同样至关重要。不同焊接方法在热源特性、能量输入、接头成形与组织控制方面存在显著差异，例如以弧焊、激光焊等为代表的熔焊方法虽然具有工艺成熟、适应性强等特点，但易产生气孔及裂纹等焊接缺陷，而摩擦焊作为典型固相连接方式则会有效地避免熔焊缺陷，但其灵活性较低，不适用于复杂构件的大规模生产制造[2]。因此，系统比较与评估这些焊接方法在不同增材制造金属材料连接中的适用性，是提升接头性能、拓展其工程化应用的关键环节。
目前，国内外学者针对增材制造合金及其构件的研究已取得丰硕成果,相关综述聚焦于如何控制增材制造的成形过程[3-6],以提升构件的增材效率与打印质量。与之不同的是，焊接作为一种再制造与连接技术，其应用场景在于构件增材成形后的装配、修复或尺寸延拓。然而，增材制造构件固有的冶金缺陷及非平衡组织(如亚稳态相、各向异性等)特征会与焊接热过程发生复杂交互作用，导致焊缝缺陷萌生、组织演变，以及接头性能变化规律呈现出显著的特殊性与挑战，而这一再制造阶段的系统性综述却鲜有报道。
围绕航空航天金属增材制造构件焊接技术研究进展展开系统归纳和阐述，明晰其材料组织特征对焊接性能的影响机制，可为金属增材制造构件的高质连接提供有益借鉴。
1、增材制造金属材料的特性及其焊接性
1.1增材制造技术的原理与特点
增材制造技术是一种新兴的自下而上的制造技术，与传统的减材/等材制造截然不同，其核心原理主要在于“分层制造，逐层叠加”。在航空航天领域，常见的增材制造技术主要包括激光增材(LAM)、电子束增材(EBAM)和电弧熔丝增材(WAAM)3种类型,如图1所示[7],其中每种类型又包含不同的专业技术。此外还有学者概括了一些金属增材制造的新兴技术，如材料挤出、粘合剂喷射、粉末床熔融和定向能量沉积等[8]。这些增材制造技术将复杂的三维制造问题分解为简单的二维层面问题的叠加，从而实现“自由制造”，也在航空航天、医疗、模具等领域展现了一定的应用前景。
针对金属构件的增材制造，常以电弧或激光作为热源，熔化丝材或粉末材料进行制造。其中，激光粉末增材制造又分为送粉和铺粉两种，分别为粉末床熔融(PBF-LB)和直接能量沉积(DED-LB)技术。PBF-LB技术更适合追求高精度、复杂结构,而DED-LB技术在制造大尺寸零件、修复或涂层现有部件等方面更有优势。与传统制造方法相比，激光增材制造技术具有缩短生产周期、提高材料利用率、实现轻量化设计等优势。
1.2面向航空航天增材制造金属材料的应用及发展趋势
在航空航天领域，增材制造金属材料凭借个性化成形、减重降耗的优势，成为构件制造革新的核心支撑。图2展示了该领域增材制造金属材料的类型、常见缺陷及敏感程度。铝合金以低密度和良好成形性，重点用于机身蒙皮[9]、卫星支架[10]、无人机机身框架[11]等轻质构件，未来将聚焦突破2系、7系硬铝热裂纹难题，开发含Sc、Zr等元素的高强铝合金，目标适配机翼承力框架、起落架舱门等更高强度需求部件，适配大型客机轻量化升级需求[12]。钛合金因高比强度、优异疲劳性能及高温稳定性，成为航空航天承力与高温构件核心材料,目前可通过PBF-LB工艺制造发动机叶片[13],使用EBAM工艺制造燃烧室[14],后续将重点攻关Ti-Al金属间化合物的增材制造技术，突破650℃以上高温应用瓶颈。铁基合金以成本优势填补中低强度构件需求空白，马氏体时效钢可用于制造飞机起落架辅助支撑[15]、卫星结构连接件[16]等对强度和韧性有基础要求的部件，不锈钢则适配航天器燃料储箱管路[17]、航空设备壳体[18]等耐腐蚀场景，随着成分优化与工艺改进，将进一步降低航空航天中低端构件制造成本。镍基合金通过PBF-LB可实现航空发动机燃烧室复杂冷却通道设计，提升散热效率，随着新型高温合金的增材制造研发，将突破1200℃以上极端环境应用限制。
1.3增材制造金属材料的冶金及微观特征对焊接性的影响
增材制造技术逐层熔凝的制造特性也引入了区别于传统锻铸材料的独特微观组织及特性。这些特性不仅直接影响打印件的静态性能,更会深刻影响其可焊接性。
首先，与传统的铸锻材料不同，增材制造合金中的固溶氢含量和显微氢孔隙数量明显较高，这是由于增材制造金属的快速熔凝特性极易导致氢无法充分释放所致。而这些固溶氢和氢孔隙在焊接热循环中脱溶并在熔池内大量聚集形成气泡，进而形成气孔缺陷。因此，增材制造合金在焊接过程中气孔缺陷敏感性高于传统的铸锻材料。大量气孔缺陷的产生易形成局部的应力集中源并降低焊缝的有效承载面积;在高循环或高温条件下，这些气孔也会作为裂纹萌生的优先位置，显著削弱接头的疲劳寿命与抗裂性能[19]。
其次，增材制造金属的裂纹敏感性亦极高。对于增材制造材料，快速凝固特性导致的元素偏析、柱状晶取向与已有的母材缺陷会显著提高焊接凝固和液化裂纹敏感性。凝固裂纹(图3[20])通常在凝固末期因共晶/低熔点相富集、晶界弱化及收缩不连续产生，而液化裂纹则因热影响区在热循环中晶界局部区域短时液化导致界面脆弱[21]。此外,经历增材和焊接制造后的接头应力分布极为复杂，与随后的热处理往往会使得残余应力、相变体积效应与强化相析出共同作用，降低基体塑性，从而在热处理或服役加载下诱发应变时效裂纹[22]。
最后，残余应力的来源与分布特征明显区别于传统锻铸材料。首先，由于增材制造过程本身具有极高的冷却速率、周期性热输入及层间温度梯度，材料在成形阶段已形成较高的初始残余应力;在随后的焊接过程中，二次热循环叠加增材制造形成的应力场，进一步引起热应力叠加、塑性变形及局部相变行为，使得残余拉应力峰值显著提高[23]。这些残余应力分布不仅会降低焊接接头的塑性，还会与孔隙、Laves相及高角度晶界的位置耦合，促进裂纹的萌生与扩展，对接头力学性能产生深远影响。
目前,已有研究学者通过优化扫描策略、调节过程参数、采用激光冲击/喷丸等表面应力再分配技术，或退火与热等静压等后处理工艺，在一定程度上实现了残余应力的松弛或重分布[24-25],但对于增材制造+焊接这一复杂过程，如何更有效地建立跨尺度模型、预测并主动调控残余应力仍是当前的重要研究方向。
在显微组织层面，快速非平衡凝固引起的元素偏析和组织不均可能导致焊接接头区域析出脆性或有害相(如Laves相)等，削弱接头的韧性和抗裂性。这是由于接头不同区域的力学性能差异，焊接时热循环带来的温度变化会加剧这些不均匀区域的应力集中，进而在接头处形成较弱的区域。特别是当不均匀区域中存在脆性相或低熔点相时，可能在高温焊接条件下发生析出，降低接头的强度和韧性。最后，柱状晶的形成和织构的存在导致了增材制造合金的力学性能各向异性。柱状晶沿生长方向的取向决定了材料的力学性能在不同方向上的差异，使得接头的抗裂性强烈依赖于焊缝与构建方向的关系。这种各向异性形成的机理与增材制造过程中熔池的冷却速率、成形方式及多次热循环密切相关。当裂纹扩展的方向垂直于柱状晶取向时，裂纹更易沿晶界扩展，导致接头的断裂韧性大大降低。进一步增加了工艺评定与性能标准化的难度
针对这些问题,常见的解决方法主要包括合金成分设计与优化、焊接方法革新和外加辅助技术等,这与传统制造合金基本一致。
(1)合金成分设计与优化。该方法一般是通过在制造时向母材添加特定改性元素来实现,例如在Al-Zn-Mg-Cu合金中添加微量Zr和Ti元素可以减少合金中的气孔和裂纹缺陷[27],从而降低对焊接性能的影响。
(2)焊接方法的革新与突破。面对焊接件服役条件的愈加苛刻,传统焊接方法仍具有一定的局限性，需要开发和创造新的焊接方法和工艺来满足各制造业领域日益增加的质量需求。例如在激光焊接技术方面，多光束、光束整形等创新技术发展迅速,均已被证实在激光焊接领域具有非常大的潜在优势[28]。(3)外加辅助技术。采用外加辅助技术也是解决增材制造金属焊接难点的重要途径。通过向焊缝熔池引入外部能量场(如磁场、超声场等)不仅可以减少焊接缺陷的产生，在一定程度上能够改善焊缝微观组织和力学性能[29]。
1.4增材制造金属材料的焊接工艺
由于航空航天领域的金属增材构件的结构复杂、性能要求高及服役环境苛刻，对焊接连接技术提出了更高挑战。现有焊接方法大体分为熔焊与固相焊两类，具体方法及其原理如图4所示。熔焊以高温热源熔化母材实现冶金结合，其中弧焊因工艺成熟、材料覆盖面广和经济性突出，仍是航空制造中的常用方法，但增材制造构件易受孔隙、裂纹和残余应力等缺陷影响，焊接工艺窗口窄，对质量控制要求较高。高能束焊(如激光焊)依靠极高能量密度实现深熔焊接，焊缝窄、热影响区小，能够有效控制组织粗化与变形，特别适合薄壁、复杂异种金属增材制造构件的高质量连接，但其对装配精度、环境保护和能量输入控制要求苛刻。在此基础上，激光-电弧复合焊通过热源协同作用兼具深熔与填充优势，显著提升了焊接稳定性和接头性能，适用于中厚板及复杂结构的再制造与修复，是航空航天增材制造构件高效焊接的重要发展方向[30]。以摩擦焊为代表的固相焊则避免了熔焊中常见的气孔与热裂纹，在航空航天增材制造构件的高可靠性连接中展现出独特优势。摩擦焊通过摩擦生热与顶锻压力实现固相结合，热输入低、接头质量高,特别适合高强铝合金、钛合金及异种金属增材制造零件的对接与环形件连接,但其工艺对转速与压力参数较为敏感[31]。
综上所述，熔焊方法因效率高和工程成熟度高而在航空航天增材制造构件焊接中应用广泛，并正向高能量密度和多热源复合方向发展;而固相焊凭借其优异的接头质量与异种材料适应性，逐渐成为高性能、复杂构件连接的重要补充。二者协同发展,将为航空航天金属增材制造构件的高质量连接与服役可靠性提供有力支撑。
2、增材制造金属材料焊接的研究进展
在航空航天领域,大型构件的制备广泛依赖于铝合金、钛合金、铁基合金及镍基合金4类金属的焊接制造，而铜合金、镁合金等则多用于小型精密结构件,可通过增材制造直接成形，其在焊接领域的应用相对较少。因此，本节重点针对前者的焊接研究现状展开详细讨论和阐述。
2.1铝合金
在增材制造铝合金焊接中,气孔是难以避免的焊接缺陷。Makikangas等[32]采用激光焊接方法研究了AlSi10Mg合金的焊缝成形及内部缺陷特征,发现焊缝内部产生的大量气孔是影响接头质量的关键因素。气孔缺陷的存在不仅会降低焊缝受力时的有效承载面积,而且容易成为应力集中点，降低接头的服役寿命。因此,抑制气孔缺陷是提高增材制造铝合金焊接质量的关键所在,目前国内外学者主要聚焦于通过优化焊接方法及工艺来降低焊缝气孔率。Zhang等[33]采用摆动激光焊接方法连接了Al-6Mg合金,发现较高的摆动频率和幅度均有利于降低焊缝的气孔率;但是，由于快速熔凝等因素，导致增材制造与传统铸造铝合金在焊接工艺适应性上存在一定差异。Michler等[34]发现适用于传统铸造AlSi10Mg材料的焊接参数无法直接应用于增材制造AlSi10Mg,焊缝中会产生显著的气孔,而采用电子束三点焊接技术并调整工艺参数却能够显著降低气孔率。
增材制造铝合金中的孔隙缺陷被认为是影响焊缝气孔率的关键因素之一。如图5所示,Zhang等[35]发现PBF-LB成形的AlSi10Mg合金比铸态孔隙敏感性高，而且气孔是其成形焊缝的主要缺陷。对此，Sun等[36]进一步研究发现PBF特殊的制造过程会导致AlSi10Mg本身存在固溶的氢和显微氢气孔，在焊接时会大量聚集从而产生气泡。针对该类气孔问题，Wang等[37]采用激光金属沉积(LMD)技术将粉末逐层熔化堆积在带有坡口的AlSi10Mg母材之间以形成焊缝，通过减少母材熔化量来控制溶入熔池的氢含量，从而降低形成气泡的风险。在此基础上，张钧翀等[38-39]采用预留对接间隙结合摆动激光焊接的方法，不仅从降低母材熔化率的角度控制氢的溶解，而且摆动光束的搅拌作用也有利于气泡的及时溢出。针对3mm厚AlSi10Mg合金，经过优化工艺参数并选择合适的填充焊丝，显著降低了焊缝气孔率，提高接头抗拉强度至286MPa(图6);此外，通过研究发现，与激光填丝焊相比，搅拌摩擦焊在焊接AlSi10Mg厚板方面更具优势，接头强度可提升25.3%,达到264MPa。
接头软化也是影响增材制造铝合金实现高强焊接的重要因素，一般与合金元素的烧损、共晶相形态及热循环引起的组织粗化有关。通过向焊缝中添加合金元素可以有效抑制接头的软化效果[40]。Peng等[41]向AlSi10Mg焊缝中引入微量Er、Zr元素后发现接头强度提升16.4%,认为焊缝形成的Al3(Er,Zr)粒子促进异质形核达到细晶强化的效果;此外，上述元素也被证实能够通过改变共晶Si形态和分布规律来影响焊缝性能。接头软化会改变接头的力学性能分布，导致变形和应力重新分布，并影响残余应力的宏观状态。在焊接过程中，这种残余应力对零件有负面影响。为减轻这些负面影响，Mishra等[42]系统介绍了摩擦搅拌类固态增材通过添加增塑金属显著降低残余应力与孔隙、抑制凝固裂纹。而Lim等[43]提出并验证了对AlSi10Mg的新型残余应力降低方法，使用较低的温度进行处理，然后进行不均匀的冷却,在冷却过程中引起热应力,从而抵消现有的残余应力。此外，Bastola等[44]通过数值/试验研究指出,针对增材制造材料需把“母材内在孔隙微结构差异”和“焊接热循环-残余应力”同时纳入分析，才能解释并预测焊接接头的失效模式。
综上所述，增材制造铝合金在焊接过程中所表现出的高气孔敏感性，其根源在于遗传性的氢致微孔隙、固溶氢的高含量及其在焊接热循环中的再聚集行为,三者共同决定了熔池中气泡的形成与长大。这一材料特征使其焊缝气孔相比传统铸锻材料更难抑制。尽管摆动光束、预留对接间隙等工艺调控手段已在降低气孔率方面取得显著成效，但母材中氢的释放、迁移路径及其在高梯度熔池流场中的再分布机制尚不明确，仍有待系统阐明。同时，焊接过程中合金元素烧损、共晶Si的再析出与粗化行为是引发接头软化的关键因素之一。通过焊丝微合金化与成分设计，可在一定程度上重构焊缝组织并改善力学性能，但不足以改变接头普遍断裂于焊缝区的局面。因此，需要构建新型且可靠的增材制造铝合金焊缝组织强化机制与工艺体系，实现接头性能的整体提升。
2.2钛合金
增材制造钛合金(TC4、TC11、TA15等)具有卓越的机械和耐蚀性能，且气孔、裂纹等焊接缺陷敏感性均低于铝合金。由于焊接性能优良，该合金对焊接工艺适应性较高，可采用熔化焊、固相焊等多种焊接方法连接。谢辉等[45]采用电子束焊接增材制造TC4,发现焊缝区的强度高于母材区,拉伸试样断于母材区一侧。覃佩婷[46]发现采用摩擦焊技术可以成功焊接EBM TC4钛合金且不恶化材料的力学性能，焊接接头拉伸断口呈韧性断裂特征。如图7所示，Hu等[47]采用TIG焊接方法研究了冷金属过渡(CMT)增材制造TC4合金的接头组织特征，发现焊缝组织由等轴β晶粒组成且没有择优取向。王猛等[48]发现与锻造TC11相比,增材制造TC11的激光焊接接头强度更高，焊接性更好。本团队采用激光焊接技术成功地实现了1.6mm与20mm两种厚度PBF-LB TC4合金的无缺陷高质量焊接，焊缝形貌及接头性能如图8所示。对于1.6mm薄板,采用激光自熔焊即可获得无气孔无裂纹的焊缝，其接头强度优异，室温抗拉强度与屈服强度分别达到1229MPa和1053MPa，但断后伸长率较低(1.5%)。由于该工艺方法无填充材料,导致焊缝的有效承载面积降低，促使拉伸试样沿焊缝区域发生断裂。对于20mm厚板，采用“激光自熔焊+激光填丝焊”的焊接工艺，不仅有效地保障了接头成形质量,而且通过减少焊接道次显著提高了焊接效率。拉伸测试结果表明，自熔焊和填丝焊区域的接头强度均高于母材(979MPa),试样沿母材区断裂，有力印证了该工艺下焊接接头的强度优势。
由于氢和残余应力的作用,增材制造钛合金在焊接过程中冷裂纹倾向较大，所以除了克服各向异性外还要应对可能产生的残余应力等问题,研究主要集中在工艺优化与后处理手段的应用上。通过在焊接过程中调控热输入,可以有效细化焊缝组织、减小残余拉应力，并改善接头的强度与塑性匹配。Zhan等[49]针对TC4激光焊接的残余应力测量与数值影响分析,强调了热输入/焊速对残余应力峰值的决定性作用;焊后热处理则在消除焊接应力、均匀化焊缝和热影响区组织方面发挥了积极作用，显著提升了接头的韧性和稳定性。Lee等[50]针对Ti-6Al-4V焊接接头的焊后热处理(PWHT)研究,证实了热处理对残余应力松弛与裂纹扩展行为的改善效果。此外，针对钛合金高温服役性能的需求，Boccardo等[51]也探索了通过合金成分调控与工艺参数优化来降低裂纹敏感性并增强高温持久性能。Li等[52]发现在增材制造钛合金蠕变性能方面,通过焊接工艺调控和焊后热处理细化组织,可以显著提升接头的高温蠕变强度和稳定性。整体而言，焊接工艺优化与后处理措施在保证焊缝成形质量的同时，也为增材制造钛合金焊接接头在复杂服役环境中的可靠应用提供了坚实基础。
增材制造的钛合金受凝固条件的影响通常会产生不利的、粗柱状和β晶粒组织结构,且倾向于形成机械行为的各向异性，从而影响焊接接头性能。因此，克服增材制造钛合金的各向异性对提升接头性能至关重要。何智等[53]通过超声冲击技术将WAAM钛合金的粗大柱状晶转化为细小等轴晶，从而将其力学性能的各向异性从12.5%显著降低至1.5%。Xu等[54]研究了一种双热线电弧增材制造(WAAM)工艺,通过控制沉积层形态来改善TC4钛合金力学性能的各向异性。Yoon等[55]开发了一种非接触式脉冲激光辅助增材制造(PLAAM)技术，通过原位晶粒细化制备出具有近乎等轴β晶粒和弱织构的TC4钛合金，也能够显著降低各向异性。
综上所述，增材制造钛合金在焊接过程中展现出优良的焊接性能，且多种焊接方法下的接头强度达到或超过母材水平，表明其在工程化应用中具有优异的焊接可靠性与力学表现。然而，其固有的粗大柱状β晶与织构导致明显的力学各向异性，同时氢吸附与残余应力亦可能诱发冷裂倾向，使其焊接组织与服役稳定性面临一定挑战。因此，当前研究主要集中于通过热输入调控与工艺优化减小残余应力、通过焊后热处理均匀化焊缝与热影响区组织，以及通过超声冲击、双热线WAAM、PLAAM等原位晶粒细化技术削弱组织的各向异性。这些策略在改善焊缝组织、提升力学性能一致性与可靠性方面均具有良好的应用前景，可为增材制造钛合金焊接接头在复杂服役环境中的工程化应用奠定坚实基础。
2.3铁基合金
近年来，增材制造铁基合金的焊接研究逐渐成为材料与制造领域的热点。目前，研究对象主要集中在合金钢和不锈钢等常用工程铁基合金，原因在于其广泛的工业应用背景及复杂热历史导致的各向异性和微观缺陷问题。增材制造制备的铁基材料通常存在气孔、未熔合区、粗大晶粒及成分非均匀等缺陷，这些缺陷会显著影响焊接接头的力学性能和服役可靠性，因此选择合适的焊接方法对于修复母材缺陷、改善接头性能具有重要意义。针对增材制造铁基合金的焊接未熔合等缺陷的研究，刘鑫泉等[56]发现,对于小尺寸粉末(小于25μm)增材制造得到的低活化铁素体/马氏体钢板(RAFM),激光焊接能够有效修复增材制造过程中遗留的道间未熔合缺陷，显示出激光焊在高精度修复和局部热控制上的优势。Mohyla等[57]研究了PBF-LB制备的AISI316L不锈钢，指出母材中存在的气孔是导致TIG焊接接头力学性能下降的主要原因，尤其是在热影响区附近,试样在屈服前发生局部断裂,这表明母材缺陷控制对焊接性能至关重要。Mokhtari等[58]通过激光焊接获得了PBF-LB AISI316L和冷轧 AISI316L的无缺陷焊缝，但两者焊缝组织存在明显差异;PBF-LB AISI316L熔合区存在外延生长现象，而冷轧AISI316L的熔合区则由奥氏体孪晶及等轴晶粒的优先取向生长所形成，这表明母材制备方式对焊缝晶粒取向和微观结构具有显著影响。Casalino等[59]采用激光-电弧复合焊方法焊接PBF-LB AISI316L,发现由于PBF-LB过程中形成的细小晶粒及局部元素沉淀，熔合区靠近PBF-LB一侧晶粒取向呈随机分布，表明复合焊接方法在调控晶粒结构上具有潜力。如图9所示，Yang等[60]研究了PBF-LB304不锈钢的各向异性对焊接性能的影响，结果表明，沿着PBF-LB母材沉积方向焊接时，焊缝形成的细小枝晶结构能够改善接头的拉伸性能。
此外，焊接热循环对增材制造铁基合金微观组织及性能具有一定的调控作用。例如，通过优化激光功率、扫描速度及焊接路径，可以控制焊缝熔池的冷却速率,从而细化晶粒、减少未熔合缺陷及残余应力积累。高能束焊接技术(如激光束焊接)由于能量集中、热影响区小，也被广泛探索用于薄壁及复杂结构件的焊接。另一方面，辅助工艺如预热、后热处理及机械振动辅助焊接等手段，也被证明有助于改善焊缝组织均匀性、降低裂纹敏感性。
综上所述，增材制造铁基合金焊接面临母材各向异性、孔隙、未熔合及粗大晶粒等微观特征对接头力学性能的制约。高能束焊接与复合焊接方法能够有效修复增材制造后母材的遗留缺陷，并通过优化功率、扫描速度及路径来控制熔池冷却,实现晶粒细化、缺陷抑制及残余应力减小。同时,母材制备方式与沉积方向对焊缝微观结构和力学表现具有显著影响，适当调控可改善接头拉伸性能，使增材制造铁基合金焊接接头在保持高成形质量的同时展现出良好的工程可靠性。但是，目前大多数研究聚焦于接头静态力学性能的评价,由于铁基合金应用广泛，焊缝再凝固组织对疲劳、耐蚀性等关键服役性能的影响研究工作仍有待于扩展和探索。
2.4镍基合金
增材制造镍基合金的焊接研究热点也主要集中在焊接工艺适用性、焊缝组织特征及演化规律、气孔及裂纹缺陷等方面，涉及的焊接方法主要以激光焊接为主。Hong等[61]研究了激光焊接速度对PBF-LB Inconel 625合金接头微观组织的影响，结果发现，随着焊接速度的增加，焊缝区晶粒尺寸和高角度晶界(HAGB)的比例减小,而拉伸强度和延伸率得到了提高，如图10所示。Hu等[62]发现 PBF-LB Inconel 625激光焊接接头在815℃的拉伸强度高于母材，而由柱状晶组成的焊接区的抗拉断裂性能竟然优于原始的具有等轴晶粒的PBF-LB合金,因而认为激光焊接是连接该材料的高效方法。Zhang等[63]发现PBF-LB Inconel 625激光焊接试样的疲劳和蠕变疲劳性能均优于未焊接试样,焊缝区晶界碳化物的强化效应及无明显焊接缺陷促使了焊缝的性能提升,再次印证了激光束焊接在连接PBF-LB Inconel 625方面具有很大的优势。
研究表明,Inconel 718镍基合金具有较高的焊接热裂纹敏感性,尤其易产生凝固和液化开裂现象,但是根据现有研究结果，采用激光焊接的方法却能够获得无裂纹缺陷的焊接接头。Jokisch等[64]采用激光束焊接了PBF-LB制造 Inconel 625和 Inconel 718管材，结果发现焊缝并未发生开裂且对管材的残余应力没有显著影响，但因激光功率的降低造成了匙孔的不稳定，导致在焊缝最终的重叠区域出现了气孔群。Brunner-schwer等[65]发现传统制造和增材制造718合金激光焊缝在成形特征方面存在差异，尤其在全熔透焊缝方面，在单位能量全熔透的情况下，增材制造718的熔融体积比锻造材料多16%~18%。唱丽丽等[66]通过优化工艺获得了无缺陷的718合金激光焊接接头，焊缝组织主要由奥氏体柱状晶及共晶组织构成，抗拉强度及延伸率分别高达母材的95%、65%以上。
综上所述，尽管镍基高温合金具有焊接热裂纹敏感性高、元素偏析复杂等特点，但在增材制造合金中，激光焊展现出良好的适应性和性能稳定性,特别是Inconel625和718等合金在适当能量密度下能够获得无裂纹、强度优异的焊缝。微观组织中的晶粒形态、碳化物分布及织构特征在焊接后发生重构，对接头高温力学性能具有关键贡献。但增材制造镍基合金组织的不同吸能和熔化特性使其熔深与熔池行为区别于锻造材料,促使增材镍基合金焊接仍面临匙孔不稳定、深熔大及局部气孔群等问题，反映出母材组织与激光作用的复杂性。但当前研究仍主要集中于激光焊接，其他焊接方法的探索鲜有报道，导致不同工艺路径下的组织重构规律和缺陷敏感性尚未形成全面认知。
3、焊接技术在航空航天金属增材制造构件中的工程应用
焊接技术的高连接效率与增材制造技术的高自由度相融合,可在保持性能均匀性与制造灵活性的前提下,实现大型、复杂构件的模块化设计与整体成形。目前，该技术路线已在发动机热端部件、大型薄壁结构、燃料与储能系统等领域取得了显著成果,成为航空航天金属构件工程化制造的重要支撑手段。该方法不仅可显著降低制造周期和成本，还能通过控制焊缝位置与焊接顺序，减少热输入对母材及热影响区组织的影响，实现整体构件的高精度装配与性能均匀化。本研究采用激光焊接技术实现了PBF-LB增材制造核电构件(316L不锈钢)、PBF-LB及LDM增材制造深海潜航器耐压壳(Ti6Al4V)以及PBF-LB增材制造的钛合金弹翼(Ti6Al4V),轻量化发射箱盖、换热器(AlSi10Mg)的焊接制造,部分已应用于某型号批产中。图11所示[57,64,67]为增材制造的燃气轮机燃烧室管路结构(不锈钢和镍基合金)、液态火箭推进器(Inconel718)、核电构件(316L不锈钢)的焊接结构照片。
在发动机热端部件制造方面，燃烧室、喷嘴及冷却通道等部件需长期在高温、高压和强热梯度环境下服役,对材料的耐热性与结构的完整性提出了极高要求。增材制造技术可高效制备复杂冷却通道与多功能集成结构,而焊接技术则在实现模块化拼接与整体化装配中发挥关键作用。Kerstens等[67]认为上述两种技术的结合可显著提高液体火箭发动机推进器的制造效率,并提出采用PBF-LB制备Inconel718推进器模块,并通过焊接方法实现多段结构的可靠连接。此外，在液态火箭推进器制造过程中，通常会采用DED-LB技术在燃烧室的后端位置沉积多孔金属接口,后续也需采用焊接方法将前部多孔管与燃烧室进行连接[68]。在机体与承载结构制造方面，随着增材制造技术的引入,桁架、加筋壁板及机身蒙皮等构件正逐步由传统整体加工向模块化、轻量化方向发展。焊接技术在该方面不仅用于增材结构件的拼接，还承担着残余应力调控与尺寸精度修复的作用。在航空航天器的燃料与储能系统中，储箱、推进剂输送管路及热管理单元需长期承受高压、低温及复杂振动载荷，对接头的气密性与结构完整性提出了极高要求。通过增材制造可实现复杂流道与轻量化结构设计,而焊接则用于模块封接与界面连接。综上，焊接技术在航空航天金属增材制造构件连接中的作用至关重要,是实现结构完整性与功能集成不可或缺的关键环节。
4、结论与展望
本文系统梳理了增材制造金属材料的焊接研究现状，深刻揭示了其焊接性本质是源于增材制造所带来独特微观组织的影响，而焊接质量控制的核心挑战在于克服由增材制造固有特性(如气孔、各向异性组织及残余应力等)所引发的焊接缺陷与性能下降。因此，焊接方法的选择需与材料特性及构件要求精准匹配。此外，通过合金设计、焊接工艺创新及辅助外场(如超声、磁场等)的协同调控有效抑制缺陷、优化微观组织,是提升增材制造构件焊接接头性能的关键途径。最后本文进一步对航空航天大型构件中广泛应用的铝合金、钛合金、铁基及镍基合金的焊接研究进展进行了系统的总结和阐述，为不同材料体系下焊接工艺的精准选择与优化奠定了坚实的理论与实践基础。对于铝合金，主要通过摆动激光焊等工艺方法抑制气孔缺陷，并借助微合金化缓解接头软化;对于钛合金，则聚焦于通过创新工艺与后处理细化晶粒、削弱各向异性并控制残余应力;对于铁基与镍基合金，重点在于利用高能束降低焊接缺陷的萌生并调控焊缝微观组织及性能。
随着构件向大型化、轻量化、功能一体化方向发展,增材制造金属的连接正面临从“可焊”到“焊好”、从“经验驱动”到“数据与模型驱动”的深刻变革,其发展将高度依赖于与智能技术的深度融合。首先，人工智能与机器学习技术将通过构建工艺-组织-性能的映射模型,实现焊接参数的智能逆向设计与在线优化,大幅提升工艺开发效率与稳定性;其次，基于深度学习的视觉检测系统能够对气孔、裂纹等缺陷进行实时识别与分类,为实现焊接质量的在线闭环控制与精准预测奠定基础;然后,数字孪生技术则将构建物理焊接过程与虚拟模型的实时交互，为工艺优化与服役性能预测提供全新平台。另一方面,热影响区(HAZ)受原始微观结构和焊接热循环双重影响,而不同材料体系的热影响组织演变规律尚不明确，这直接影响接头的服役可靠性,未来应聚焦于热影响区组织及性能调控研究。此外,随着新型增材制造合金的不断涌现,尤其是一些具有特定功能要求的合金，如铝锂合金、钛铝合金等,其焊接性仍然是一个亟待解决的问题。最后，异种材料界面行为控制、特殊结构连接可靠性以及极端工况下接头寿命评估等，仍是亟待突破的核心科学问题，而传统焊接技术与前沿智能技术的深度融合,也必将为航空航天等高端领域增材制造金属构件提供更高效、更精密、更可靠的连接解决方案。
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（注，原文标题：面向航空航天金属增材制造构件的焊接技术研究进展_吴世凯）