【摘要】
钛合金具有比强度高、高温下耐腐蚀性能优异、电化学相容性优良等优点，在航空航天、石油化工、生物医药等领域获得大量应用。对于钛合金的焊接以电子束焊、等离子弧焊、钨极氩弧焊、激光焊等焊接方法为主。激光焊具有能量密度大、焊接变形小、焊接热影响区小、单道焊接熔深大、不需要真空条件等优点，在钛合金焊接领域具有广阔的发展前景。国内外相关学者针对钛合金激光焊接技术开展了大量研究，也取得了大量研究成果。通过对这些研究成果和研究进展进行总结，可以进一步促进对钛合金激光焊的研究。本文从钛合金薄板激光焊、钛合金厚板激光焊、钛合金激光复合焊、钛合金活性激光焊、钛合金异种材料激光焊五个方面总结了钛合金激光焊最新的研究进展和取得的成果，指出当前研究存在的问题，并对未来的研发方向进行了展望。
【关键词】钛合金激光焊；激光复合焊；活性激光焊
引言
钛合金因具有较高的比强度、与复合材料优异的电化学相容性以及高温条件下优异的耐腐蚀性能和综合力学性能，在航空航天、石油化工、船舶制造、生物医药等领域获得广泛应用。钛合金在航空航天运载器上的使用可以减轻运载器的结构质量，同时提高运载器的服役可靠性和延长其使用寿命。在航空航天领域，钛合金大多以焊接结构件的形式出现，因此，对于钛合金焊接工艺和可焊性的研究成了各国焊接工作者重点关注的问题。目前应用于钛合金的焊接方法主要有激光焊、电子束焊、等离子弧焊和钨极氩弧焊等。
激光焊具有能量密度大、焊接变形小、热影响区小、焊接熔深大等优点，已在精密焊接生产领域获得广泛应用。近些年，对于钛合金激光焊的研究越来越受到各个国家的重视，也取得了很多先进的研究成果。本文就从钛合金的薄板激光焊、厚板激光焊、激光复合焊、活性激光焊、异种材料激光焊等几方面，对钛合金激光焊的研究进展进行总结，并对未来的发展趋势进行了展望。
１ 钛合金薄板激光焊
航空航天领域应用的钛合金多为１～２ｍｍ厚的薄板，因此，目前很多学者对于钛合金薄板激光焊的研究主要针对１～２ｍｍ厚的板材进行高速焊。在满足单面焊双面成形的工艺要求下，最高焊接速度可以达到３．６ｍ／ｍｉｎ。研究针对的母材大多为ＴＣ４钛合金，研究的内容重点在各焊接工艺参数（如：激光功率、焊接速度、离焦量等）对焊缝成形及组织性能的影响方面。中航沈阳黎明发动机有限责任公司的杨烁等针对０．５ｍｍ厚的板材，研究各工艺参数对焊缝成形的影响。对比了薄板低速焊（焊接速度：１．５ｍ／ｍｉｎ）和薄板高速焊（焊接速度：３ｍ／ｍｉｎ）条件下工艺窗口的大小，结果表明：薄板高速焊的工艺窗口更大，使得焊缝成形更容易控制。另外，他还研究了激光大角度斜向焊接工艺及焊缝成形的控制，激光大角度斜向焊接如图１所示。
２ 钛合金中厚板激光焊
中厚板钛合金在石油化工、船舶制造行业具有较为广泛的应用。对于钛合金中厚板的焊接目前以ＴＩＧ焊、电子束焊为主。国内外对于中厚板钛合金激光焊的研究目前还处于不太成熟的阶段，研究针对的母材以ＴＣ４为主，且板材的厚度多在１０ｍｍ以下，研究过程中发现进行中厚板钛合金激光焊时主要存在羽辉、表面氧化、气孔、裂纹等问题亟须解决。
针对中厚板钛合金激光焊存在的问题，很多焊接工作者进行了相关的研究，并提出一些改进的措施。
南京航空航天大学的田德勇将激光焊焊缝中的气孔分为两类：工艺气孔和冶金气孔。其研究结果表明：工艺气孔的形成与匙孔的稳定性有关，冶金气孔与焊缝内氢元素的迁移和金属蒸汽有关。但从总体上来看，焊缝的气孔率随着热输入的增大而减小，且当焊接速度较快时，基本不形成工艺气孔。这将为解决钛合金激光焊气孔问题提供理论依据。
哈尔滨工业大学的孟盛昊等通过对比大气中和真空中中厚板钛合金激光焊的焊缝，结果表明：真空中钛合金激光焊的焊缝表面成形更好，焊缝熔深更大，焊缝中的气孔更少。这为解决中厚板钛合金激光焊存在的问题提供了新的思路。
哈尔滨焊接研究院的Ｆａｎｇ等利用激光可达性好的特点进行厚板钛合金激光焊的研究，为厚板钛合金激光焊提供了新的思路。
中船重工７２５所的卢晓阳等提出一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光焊接方法，如图２所示。
３ 钛合金激光复合焊
３．１ 钛合金激光-ＴＩＧ复合焊
钨极氩弧焊（简称ＴＩＧ焊）属于一种高质量焊接方法，具有焊接过程稳定，对焊接组对要求低等优点，但其也存在电弧能量发散，电弧穿透能力弱，焊接熔深浅的缺点。激光焊具有穿透能力强的优点，但对组对要求较高。很多焊接工作者就将两者的优点结合起来，形成了激光-ＴＩＧ复合焊接方法。近几年大连理工大学、沈飞集团等单位的相关人员都针对该焊接方法进行了钛合金焊接的研究。焊接时采用
低功率激光-ＴＩＧ电弧形成的复合热源进行焊接，并且分别针对低功率常规激光和低功率脉冲激光进行了复合焊的研究，结果表明：该复合焊接方法在用于薄板焊接时具有热输入低、能耗低、焊接效率高等特点，焊接接头相对常规ＴＩＧ焊具有更优良的综合力学性能。
大连理工大学的吕晓辉利用低功率的激光诱导ＴＩＧ电弧会将，针对钛合金复杂构件进行焊接时发现：低功率的激光ＴＩＧ电弧诱导至激光斑点处，引起ＴＩＧ电弧收缩，提高ＴＩＧ电弧的穿透能力，增大焊接熔深。该焊接方法有助于提高焊接生产效率、降低焊缝的热输入，但激光与电弧之间的作用机理仍需深入研究。中国航空制造技术研究院的许飞等将扫描振镜激光与ＴＩＧ焊复合起来，研究其对钛合金焊缝成形的影响，如图３所示。
３．２ 钛合金激光-ＭＩＧ复合焊
激光-ＭＩＧ复合焊是一种高效、优质的焊接方法。该焊接方法兼具激光焊和ＭＩＧ焊的优点。图４所示为激光-ＭＩＧ复合焊示意图，
客车、航空航天、工程机械、船舶制造等领域获得应用。
目前对于钛合金激光-ＭＩＧ复合焊的研究主要集中在中厚板的对接焊方面。
江苏科技大学的禹杭针对６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ厚度的纯钛板材进行焊接工艺试验，通过调整焊接工艺参数，三种厚度的板材均可以实现稳定的单面焊双面成形焊接工艺，焊缝成形优良，未出现飞溅、咬边等缺陷。中国兵器科学研究院宁波分院的张龙等针对１５ｍｍ厚的ＴＣ４板材进行了激光-ＭＩＧ复合焊的多层多道焊接工艺试验和接头力学性能分析，实现了６０°坡口、５ｍｍ钝边的打底焊，且焊缝成形美观。在后续的填充焊和盖面焊中均实现了良好焊接，获得了高质量的焊缝。对于钛合金激光-ＭＩＧ复合焊的机理，很多焊接工作者也进行了大量研究。为了进行厚板钛合金的焊接，就需要开坡口进行坡口内的打底焊和填充焊。
华中科技大学的高闯等研究了不同的坡口深度对等离子体特性、熔滴过渡、焊缝成形的影响规律。结果表明，随着坡口深度的增大，等离子体的温度逐渐降低、面积减小、熔滴过渡减慢、焊缝熔宽减小、熔深增大，该研究为大厚板的焊接提供了一定的理论基础。哈尔滨工业大学的苏轩针对中厚板钛合金进行了激光-ＭＩＧ复合焊的机理研究，研究结果表明，激光功率会影响熔滴过渡的频率，并通过对焊缝显微组织的观察，分析了焊缝力学性能和焊缝组织之间的关系。
南京航空航天大学的黄炜以３．５ｍｍ和６ｍｍ厚的钛合金激光-ＭＩＧ复合焊为研究对象，利用ＢＰ神经网络和遗传优化算法，建立激光功率、焊接电流、焊接速度与焊缝熔深、熔宽之间的映射关系，进而分析研究焊接工艺参数与焊缝组织、力学性能之间的关系。
江苏科技大学的Ｌｉ等对照钛合金激光焊和激光-ＭＩＧ复合焊的显微组织、组织分布和机械性能，研究三者之间的相互影响关系。江苏科技大学的Ｃｈｅｎ等通过实验和数值计算两种方式研究了焊接工艺参数与焊缝内气孔形成之间的关系，初步揭示了焊缝内气孔形成的原因以及焊接参数对气孔数量的影响规律。
从这些研究可以看出，关于钛合金激光-ＭＩＧ复合焊的研究主要集中在焊接工艺参数、显微组织和机械性能之间的关系方面，这为焊接工艺制定、焊缝组织性能改善提供了理论指导。但目前这些研究都还没有形成系统的理论成果，理论研究的深度还有待加深。
３．３ 钛合金双束激光焊
随着激光焊接技术的进步，为了提高Ｔ型接头的激光焊接效率和接头质量，提出了双激光双侧同步焊接技术（Ｄｏｕｂ-ｌｅｌａｓｅｒＢｅａｍｂｉｌａｔｅｒａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＷｅｌｄｉｎｇ，简称ＤＬＢＳＷ），如图５所示。
该技术目前已被大量应用于航空航天领域蒙皮-桁条Ｔ型结构的连接中，替代了常规的铆钉连接和机械连接，大大减轻了结构的整体质量，改善了结构件的气密性，显著提高了生产效率。自２０００年空客将ＤＬＢＳＷ技术应用于Ａ３１８客机整体机身壁板的制造中以后，已先后将该技术引进到Ａ３４０、Ａ３５０、Ａ３８０等客机的制造中，取得了显著的经济效益。
最近几年，国内对钛合金的双激光双侧同步焊接技术进行了大量研究。
北京工业大学的Ｍａ等以Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖ合金Ｔ型接头的双激光双侧同步焊为研究对象开展了两方面的研究，一方面研究了激光功率、焊接速度、激光入射角度及入射位置等焊接参数对未熔合、气孔等焊接缺陷形成的影响。结果表明，足够大的焊接热输入、较小的激光入射角度和较高的激光入射位置可以避免未熔合的出现。在保持激光功率不变的条件下，较高的焊接速度有利于减少焊缝中的气孔。另一方面研究了焊接热输入对焊缝表面成形、微观组织和机械性能的影响。结果表明，随着热输入的增加，焊缝组织增大，晶粒尺寸变大。热影响区和熔合区形成的马氏体组织导致这两个区域的显微硬度较大。
南京航空航天大学的刘金钊等研究了ＴＣ４钛合金Ｔ型接头双激光双侧同步焊过程中激光功率对接头性能的影响。其研究结果明，由于激光功率的增大导致热输入的增大，从而引起焊缝区强度的降低。当激光功率较大时，焊缝的断裂模式为韧性断裂和解理断裂混合组成的混合断裂。沈阳航空航天大学的许良等针对ＴＣ４钛合金Ｔ型接头，对比研究了双光束双侧同步焊接技术和激光点焊技术的疲劳韧性和断裂机理。相对母材两种焊接方法获得的接头的抗拉强度都有所提高，且双激光束双侧同步焊接获得的接头疲劳寿命延长了２．２３倍。双激光双侧同步焊接技术在国内还处于实验室研究阶段，且目前主要集中在焊接接头性能的研究方面。对焊接机理、工艺参数优化以及在工业生产上的应用方面的研究还需要进一步加强。
４ 钛合金活性激光焊
为了增加ＴＩＧ焊的焊接熔深，乌克兰巴顿焊接研究所提出了活性ＴＩＧ焊接方法（Ａｃｔｉｖｉｎｇｆｌｕｘｔｕｎｇｓｔｅｎｉｎｅｒｔｇａｓｗｅｌ-ｄｉｎｇ，Ａ-ＴＩＧ焊）。该焊接方法通过引入活性剂的方式，实现增加焊接熔深的目的。近些年，很多焊接工作者将活性剂引入激光焊中，提出了活性激光焊接方法。
北京航空制造工程研究所的陈俐等将自研的ＦＴ-０１钛合金Ａ-ＴＩＧ焊活性焊剂用于钛合金ＴＡ１５激光焊，研究活性剂对焊缝成形的影响，其研究内容主要是活性剂对焊缝表面成形、激光功率和热输入阈值的影响。
湖南科技大学的李时春等在研究表面活性硫粉对钛合金激光焊的影响时发现，活性元素硫会增加熔池金属的润湿性和流动性。在负离焦时，活性元素可以增大焊缝熔深，并且焊缝熔深受焊接速度影响不大。正离焦焊接时，活性元素可以增大焊缝的熔宽。大功率焊接时，活性元素可以细化焊缝组织，提高焊缝中铁素体的含量。
近几年，内蒙古工业大学的许爱萍、侯继军等针对钛合金活性激光焊也开展了大量研究。
研究内容主要分成以下三个方面：
（１）活性剂配方的设计及其对焊缝熔深和焊缝成形系数的影响规律。采用了基于响应面法的复合活性剂配方设计方法，设计出Ｎａ２ＳｉＦ６与ＴｉＯ２、Ｎａ２ＳｉＦ６与Ｙ２Ｏ３两个活性剂配方，并证明了Ｎａ２ＳｉＦ６与Ｙ２Ｏ３对焊缝的熔深是正交互作用，两组活性剂对焊缝成形系数均是正交互作用。采用了复合活性剂后，焊缝的熔深增加了１．４９倍，焊缝成形系数达到０．４９４。Ｎａ２ＳｉＦ６与ＴｉＯ２还能细化焊缝的组织，提高焊缝的机械性能。
（２）分别选取单一氟化物ＣａＦ、ＮａＦ、Ｎａ２ＳｉＦ６、ＹｂＦ３、稀土Ｙ２Ｏ３等物质作为单组分活性剂，证明每一种活性剂都可以增大焊缝熔深、减小焊缝熔宽。
（３）针对钛合金活性激光焊的机理进行了初步研究，证明不同活性剂增加焊缝熔深的机理不同。活性剂ＮａＦ、Ｎａ２ＳｉＦ６是通过抑制光致等离子体使得焊缝熔深增加，ＴｉＯ２、ＳｉＯ２则是通过改变焊缝表面状态增加焊缝熔深，而ＹｂＦ３、稀土Ｙ２Ｏ３则是通过抑制光致等离子体和改变熔池流动方向两种作用增大焊缝熔深。另外，试验还证明了稀土活性剂增大熔深不仅仅是活性剂抑制光致等离子体一方面的原因，而是多种原因共同作用的结果。
５ 钛合金异种材料激光焊
钛合金异种材料焊接采用的焊接方法目前主要有钎焊、搅拌摩擦焊、激光焊、激光熔钎焊等。激光焊具有热量集中、焊缝热影响区小、高速高效、焊接变形小等优点，被大量应用于钛合金异种材料的焊接，可以实现钛合金异种材料接头的可靠连接。钛合金与异种材料的激光焊接不仅涉及异种钛合金之间的连接，还涉及钛合金与别的金属材料的焊接，在技术层面甚至实现了钛合金与非金属的焊接，例如生物高分子材料（ＰＥＴ）、玻璃纤维增强塑料（ＧＦＲＰＧ）、高激光吸收率的碳纤维增强塑料（ＣＦＲＰ）等工程塑料。当前，国内外对于钛合金异种材料激光焊的研究主要还是钛合金与金属材料的连接。近几年，国内的很多学者针对钛合金异种材料激光焊的研究主要集中在钛合金与不锈钢异种接头的焊接。钛合金／不锈钢异种接头激光焊接最主要的难点是焊缝区会产生具有较高脆性的Ｔｉ-Ｆｅ金属间化合物，大大降低了接头的力学性能。另外，由于两种材料在晶格类型、原子半径、电负性等化学性能和物理性能方面存在较大差异，使得钛合金／不锈钢异种材料激光焊存在较大挑战。为了应对该挑战，焊接工作者提出了添加中间层的思路。中间层以填充材料的形式引入焊缝区，以钛合金和不锈钢间的过渡层的形式存在。引入的中间层材料有Ｃｕ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ等纯金属和Ａｇ４５-Ｃｕ３０-Ｚｎ２５、ＮＡＢ青铜等合金材料。研究结果表明，引入中间层一定程度上可以改善焊缝的力学性能，但接头的力学性能仍不能很好地适应生产的需要，还需要进一步研究可以有效提高接头性能的中间层材料。
国内相关高校还针对异种钛合金的激光焊进行了研究。
西北工业大学针对ＴＣ４／ＴＡ１５进行了异种钛合金激光焊研究。该研究实现了两种钛合金的良好焊接，但在焊缝的熔合区生产了大量马氏体组织，对焊缝的力学性能有一定影响，同时证明了母材和几种接头的屈服强度与抗拉强度的大小依次如下：ＴＣ４母材＞ＴＣ４／ＴＣ４接头＞ＴＡ１５母材＞ＴＡ１５／ＴＡ１５接头＞ＴＣ４／ＴＡ１５异种接头。另外，哈尔滨工业大学、吉林大学等高校还开展了Ｔｉ／Ｍｇ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｃｕ等异种材料激光焊的研究，初步进行了焊接工艺、焊缝成形机理、接头组织性能及断裂机理的研究，但目前还都处于起步阶段，还有很多问题需要进一步深入研究。
６结语与展望
从以上研究现状来看，钛合金激光焊的研究取得了一定的研究成果，但同时也存在以下五个方面的问题。
目前钛合金激光焊的研究主要还是集中在薄板的焊接，对于中厚板的焊接研究较少，并且目前对于中厚板焊接的研究都还处于试验研究阶段，距离工程应用还有很长的距离。
钛合金激光复合焊涉及的焊接工艺参数较多，各复合工艺参数之间的组合更多，使得复合焊接工艺参数调整较为复杂，限制了其在工业生产上的应用。另外，由于复合焊枪相对单独的激光焊枪头，体积较大且对焊枪装夹方向有严格要求，大大降低了焊接可达性，限制了复合焊在自动化焊接领域的应用。因此，目前仅有激光-ＭＩＧ复合焊在工业生产中获得了一定的应用。激光-ＴＩＧ复合焊尽管实验室已经进行了大量研究，但是在生产上却很少获得应用。
对于钛合金双光束激光焊，由于其独特的焊接方式，对焊接接头形式及焊接可达性也提出了较高的要求，一般仅能用于Ｔ型接头的角焊缝的焊接，很难应用于对接、搭接等接头形式的焊接，更难以实现机器人的自动化焊接生产。
对于钛合金活性激光焊，由于需要增加一道活性剂的涂覆工序，大大降低了激光焊的生产效率，且活性剂涂覆的均匀程度也会影响焊接效果，这就限制了其在生产上的应用。另外，还需要针对不同的材料开发不同活性剂，提高了焊接生产成本。（５）钛合金异种材料焊接当前存在的主要问题是焊接接头的力学性能相对母材严重下降。尽管通过引入中间层材料可以在一定程度上改善焊缝的力学性能，但仍不能很好地满足生产的需要。
鉴于当前钛合金激光焊存在的问题，未来可以开展以下四个方面的研究。
开发钛合金激光深熔焊技术，提高激光焊单道焊接熔深，例如真空激光焊、激光复合焊等，通过各种手段抑制光致等离子体的形成，从而增大焊接熔深。
加强钛合金激光复合焊在工业生产上的应用研究。通过改进焊枪结构，简化焊接工艺参数，提高焊接可达性，扩大钛合金激光复合焊的应用范围。
对于钛合金活性激光焊开发新型焊枪，实现活性剂涂覆和激光焊的同步完成，提高焊接生产效率，或者通过引入活性气体来替代活性剂，避免活性剂的涂覆过程，提高焊接生产效率，降低焊接生产成本，促进其在工业生产上的应用。
加强钛合金异种材料激光焊的研究。重点解决异种材料焊接接头性能较差的问题，开发新型中间过渡层复合材料。通过引入合适的元素，细化焊缝组织，抑制焊缝硬脆组织形成，提高焊缝组织的均匀性。另外，还需要加强钛合金与非金属材料的激光焊研究，这更有利于实现产品的轻量化，具有广阔的研究和应用前景。随着航空航天、医药卫生、武器装备等领域的快速发展，钛合金的应用范围越来越广。同时，对钛合金的焊接需要也越来越多，对钛合金的焊接要求也越来越高。钛合金激光焊作为未来极具发展前景的技术，解决好当前存在的一些瓶颈问题，将进一步促进该技术在工业生产上的应用，为产品的轻量化和低碳经济做出贡献。
参考文献：
刘自刚,代锋先,陆刚,等.钛合金激光焊研究现状与展望[J].材料导报, 2023, 37(S01):346-351.
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