江苏激光联盟导读：

1.1 钛-铌接头

▲图21 (a)激光脉冲能量为9J，持续时间为6ms时获得的Ti-Nb不同焊缝横截面。单个脉冲光斑对(b)Ti和(c)Nb上光斑强度及其相应的穿透深度的影响。(d)Ti-Nb的二元相图表示不存在任何IMC和(e)焊缝硬度的变化。

1.2 钛与其他材料的焊接

研究钛合金与聚合物、铅和铜的激光焊接的尝试很少。最近，一种新型的激光冲击点焊(LISW)被用于焊接纯钛和铜薄板，而不会熔化组成材料。两块板在低温、高冲击速度和大角度条件下通过固态焊接机制(图22(a))连接。预变形的飞行板用粘合剂连接到底座(Cu)板上。Nd：脉冲能量为1800J/mm，脉冲宽度为8μm的YAG激光器在转移到透明约束层时撞击了驼峰。此后，激光束撞击驼峰上的烧蚀吸收层并使材料瞬间蒸发。随着温度的升高，等离子体形成，然后吸收入射的激光能量，在受限的透明层中迅速膨胀，从而产生高表面压力。结果，产生了冲击波，冲击波在驼峰中传播，由于在巨大冲击压力下的塑性剪切变形而变形并产生固态结合(图22(b))。但是由于激光高斯能量在中间较高，所以在凸起的中心出现了更大的冲击。由于冲击压力导致的块状物在0°时接触基板，但随着碰撞的径向扩散，碰撞角度上升并形成波状结构，如图22(d)所示。因此，随着角度的增加，由于冲击压力的释放，点焊完成时会产生一定的回弹(图22(e))。他们 告说，由于焊缝接触区域的增大，发现搭接剪切强度随着脉冲能量的增加而增强。Zhao等人对T2-Cu和TA18-Ti进行了直接激光偏移熔焊。通过在朝向铜侧0.45mm的偏移距离处获得151MPa的UTS， 告了61%的接头效率。WZ含有Cu固溶体和25μm的脆性IMC层，其中含有TiCu、TiCu2、Ti2Cu和Ti3Cu4，且失效以准裂解模式发生。Zhao等人使用Nd:YAG激光器 道称，Ti/Pb接头的焊接区由上部的FZ和下部的钎焊区组成，如图22(i)所示。FZ由共析分解和包晶反应形成的Ti4PbIMC组成。由于Ti在液态Pb中的溶解度间隙，FZ中的Ti元素无法迁移到Pb区。

▲图22 (a)激光冲击点焊(LISW)的实验原理(b)在不同激光脉冲能量下产生的Ti/Cu接头横截面的光学显微图：(b)565mJ、(c)1550mJ。激光冲击点焊接头形成过程示意图；(d)在LISW之前；(e)驼峰高速凸起与底板碰撞；(f)驼峰首先在0°时接触底板；(g)焊接阶段；(h)形成波形结构。(i)Ti-6Al-4V-Pb不同接头焊缝中不同区域的化学成分。

Chen 等人研究了 CP-Ti 与聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 的 LTW ，并根据 ImageJ 分析软件确定的接触面对接头强度进行了量化。获得了 3.2MPa 的最大剪切强度。 LTW 可防止与粘合剂相关的风险，如过滤可提取产品、长期稳定性和较慢的加工。通过塑料传输的激光能量加热下面的金属，然后加热塑料的接触表面，使其分解。加热的塑料表面的热分解在塑料 - 金属界面产生固相线、液相线和气态产物。气态产物形成气泡，这些气泡的膨胀会产生很高的局部压力，迫使熔融的塑性液体产物到达金属表面。重新凝固后，塑料和金属界面之间形成了稳定键形式的机械联锁、化学反应和范德华相互作用。例如，需要注意的是，激光功率、扫描速度、材料透射率、夹紧压力和界面处的吸收特性是必不可少的参数。

Wang 等人研究了连续二极管激光器在搭接接头结构下制备的 Ti 和 PET 之间的接头性能。拉伸强度与扫描速度成反比，并且在特定范围的激光功率内观察到类似的趋势。对于涉及医疗植入设备生物封装的应用， Mian 等人使用有限元分析 (FEA) 模型预测了二极管激光焊接钛聚酰胺接头的失效载荷，并观察到失效载荷与实验结果一致。 Chen 等人使用脉冲 Nd:YAG 激光器将 Ti 和 PET 连接起来，并得出结论，通过适当控制激光的波形，即斜坡上升 / 下降，可以最大限度地减少 PET 的降解。根据 Hall-Petch 关系，金属的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增加。与未受影响的 BM 中的晶粒相比，再结晶区和细晶粒区中的晶粒更细。此外，在细晶粒区发现了最细的晶粒尺寸。 图 23(a) 和 (b) 描绘了用 Ti 焊接的不同材料的 UTS 和硬度变化。

▲图23 (a)不同激光焊接的不同钛基接头的强度及其相应的焊接区(b)硬度

2. 钛激光焊接难点及主要冶金缺陷

钛及其合金对高温环境中存在的气体极其敏感且易反应 。尽管在公开 献中，氩气已被广泛用于提高连接效率和改善 Ti 及其合金的机械性能。尽管如此， O2 、 N2 和 H2 等杂质可能会以微量形式存在，从而严重阻碍焊缝和 HAZ 的完整性。据 道，保护气体成分中痕量 0.005% 的 O2 会导致在焊接接头中形成金红石 TiO2 ，表明 Ti 作为焊接金属的敏感性极高。此外，当组合物中的 N2 超过 0.008% 时，会形成 TiN 。然而，最严重的危险在于氢基孔隙率，随着激光照射导致温度升高， H2 的溶解度增加。当在非常高的温度 (2000-3500K) 下，大气中存在的水分子和新生氢会离解.

焊接缺陷受工艺参数的影响很大 。由于没有第二相颗粒、杂质和分散体，因此钛及其合金不易受 FZ 中的凝固裂纹和 HAZ 中的液化裂纹的影响，从而导致接头在 WZ 中无明显裂纹。填充材料和脉冲能量的选择直接影响焊接质量。对于不同接头，控制热过程和扩散过程对于避免结构和微观缺陷至关重要。缺乏熔合和渗透完全取决于应用参数和接头间隙距离，因为随着接头间隙的增加，能量损失会更多。同样，如果采用 1 毫米的正散焦，激光焊接模式会导致不完全穿透 。 Nakamura 和同行在高速相机和 X 射线探测器的帮助下，使用 10KW 激光功率研究了板上珠子的飞溅形成机制。

结果表明，在较低的焊接速度下，在小孔前形成伸长的熔体，较高的流体速度导致飞溅物的喷射 ( 图 24(a) ) 。剪切流是由于羽流以亚音速喷射而形成的，该羽流源自锁孔的位置，以引入向上的熔流。因此，飞溅物从钥孔壁喷射出来，这些飞溅物积累形成了细长的熔体。如 图 24(b) 所示，随着焊接速度的增加，在小孔入口侧前拉长的熔融金属比率降低。羽流喷射偏离以减少将拉长熔体返回熔池的剪切力的累积。

▲图24 (a)熔池中熔体流动示意图和导致飞溅的细长熔体几何形状(b)焊接速度对飞溅发生位置和尺寸的影响。如果未正确优化焊接条件且没有考虑合适的参数，则会在接头中引入缺陷，严重影响机械性能。

2.1 孔隙率

激光功率不足、脉冲类型和持续时间选择不当会导致穿透不完全，而保护气体使用不当可能会产生空腔、孔隙和孔洞。钥孔壁凸起的阴影效应和钥孔塌陷之前钥孔尖端的快速冷却导致蒸汽压力下降，从而使保护气体被截留。由此产生的对机械性能的不利影响是由于残余应力造成的，而由于未完全渗透造成的内部间隙会导致内部失效。孔隙和空腔作为断裂部位的引发剂，是较高应力集中的首选部位。孔隙的聚集及其形状会影响疲劳性能。

Degidi等人对4级Ti的疲劳测试样品进行了断口分析，并识别出作为应力增强器的多裂纹起始点。虽然在空腔中可以看到疲劳条纹，但裂纹向接头中心扩散，导致焊接区失效。Yu等人还表明，小孔隙作为裂纹萌生点并显著影响焊接Ti6Al-4V的疲劳寿命，但UTS和硬度等机械性能不受影响。激光垂直向底部移动会导致更多的孔隙，但是，可以通过以更高的速度增加功率来减少孔隙。FZ/HAZ界面附近的孔隙是由于小孔的不稳定性和氢在液/固界面的演化而形成的。由于沙漏焊缝根部的向下扫掠前沿，沙漏形焊缝熔池比钉形熔池产生更多的孔隙。最后，部分穿透的熔池中形成孔隙的趋势更高，因为逃逸路径只能从顶部进入。随着凝固速度的增加，增加热输入往往会减少Ti-6Al-4V中的孔隙率，使气体有更多的时间逸出，同时，由于小孔的不稳定性和坍塌，增加速度会增加孔隙率。焊接速度的增加可以有效地减小FZ的宽度，并可能防止向下扫掠的凝固前沿，从而促进气体的滞留。整个焊接过程中小孔的周期性振荡也有助于提高孔隙率。

然而，数值分析表明，焊缝孔隙产生的应力集中比焊缝几何形状严重得多。随着接头间隙的增加，Ti-4.5Al-2.5Cr-1.2Fe-0.1C合金的诱导孔隙率增加，而使用更大体积的Ti-6Al-4V填充焊丝可在近Ti5553中产生更多空气、气体或氢气污染的机会。BS EN 4678中规定的最大允许孔隙尺寸为0.40毫米，BS EN ISO 13919-2中规定为0.60毫米，AWS D17.1中规定为0.66毫米。当然，这些标准也考虑了不同的准则，例如，等效投影孔隙面积、最大孔隙的直径、相邻孔隙之间的最小距离、适合孔隙率允许尺寸的板的厚度或每个给定焊缝长度的等效孔隙长度。

2.2 咬边和底部填充

咬边和底部填充缺陷也称为凹度，对焊接强度的不利影响远大于孔隙。对于需要严格焊接质量的典型航空发动机，并对咬边、过量焊缝金属、过量渗透、未完全填充坡口、根部凹度、收缩坡口等具有定义的公差，在这些范围内可以实现可接受的焊缝。当部件承受动态载荷(如疲劳)时，不希望出现与焊缝轮廓和几何形状相关的缺陷，如底部填充、咬边、根部凹陷和收缩。这些缺陷会增加应力集中，从而导致疲劳裂纹萌生并加速腐蚀。激光焊接中的咬边可以在上表面和根部表面形成，并以较高的焊接速度开始，从而使BM流回焊趾并填充间隙的时间更短。

因此，降低焊接速度可以抑制焊缝咬边和根部下垂。由于熔化材料的排出增强导致蒸发，功率的增加还可以沿焊缝长度留下类似排水沟的痕迹。由于功率密度的增加会增加蒸发损失，因此底部填充的范围也会增加。当蒸汽逸出时，对熔池施加的反冲力超过了周围的表面张力，导致填充不足。减少和消除咬边的一些可能方法包括采用散焦光束、较小的调制幅度、增加送丝和后续加工。通过在激光焊接过程中使用预挤压载荷，可以完全消除底部填充缺陷。

除了填充不足外，填充焊丝过多或影响熔池运动的各种因素包括纵向金属液流、板材收缩、焊接速度不足和过多的保护气流等都可能导致过度填充。由于重力作用下不稳定的熔池动力学，激光朝向顶部比朝向底部的垂直运动产生更多的咬边。对于Ti-2Al-1.5Mn，当热输入超过328.5J/cm时，底部填充缺陷出现，当比率高于43%时，由于横截面积变得太小，断裂从BM向FZ区转变。之前的一项研究指出，随着底部填充半径的增加，疲劳失效周期会得到改善，并且可以通过去除焊趾来进一步改善。另一项研究将底部填充深度修改为低于AWS D17-1标准中提到的指定允许深度，该标准规定了7%的板材厚度。此外，填充焊丝的使用可以补偿蒸发损失并减少填充不足缺陷。

2.3 裂纹

WZ中可能会出现裂纹是由于特定的同时发生条件，如熔池污染、延展性损失、敏感脆性微观结构(Widmanst?tten)的形成、微观结构梯度以及由于熔池凝固和膨胀系数不匹配而产生的较高水平的残余局部应力/应变。同样，疲劳裂纹产生于其他焊接缺陷附近。焊接结构的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)低于BM。在加载过程中，裂纹也会从作为应力提升器的氧化液滴中萌生。底部填充和孔隙的存在进一步有助于裂纹发展。

同样，开裂趋势与应用参数的任何特定趋势无关，而冷却速度可能会或可能不会决定Ti-Ni基不同焊缝的相应开裂趋势。如过度使用热输入或脉冲重叠因子会在凝固过程中产生裂纹，同时降低临界工程应变会导致FZ失效。填充焊丝的应用也会影响开裂趋势，因为一项研究强调，5级钛填料会产生与1级不同的裂纹。

钛自生焊缝的裂纹敏感性可以通过改变工艺参数来控制，但这不适用于不同的材料焊缝。不同接头的裂纹形成的特点是IMC层不受控制的生长和反应、脆性相的数量及其分布，最终导致体积和热度的失配。例如，基于TiNi、FeNb、Mg-Al-Ni、FeTi和AlTi的IMC可能会导致自发开裂和在断裂开始时出现的二次裂纹，从而导致瞬时脆性失效。Nikulina等人表明，对于Ti-Al不同焊缝，激光功率的增加导致支持裂纹的中间区域宽度增加，而较高的扫描速度降低了裂纹趋势。因此，控制IMC层的厚度对于防止裂纹形成至关重要。

▲ 图25 激 光焊接时工艺参数的鱼骨示意图

焊后热处理提高了脆性马氏体相的延展性并提高了断裂前的延伸率。γ-TiAl合金的焊接在750℃的温度下进行预热时表现出无裂纹接头。激光脉冲整形可用于定制接头以避免潜在的灾难性裂纹。激光焊接钎焊方法需要使用填料并将激光束向其中一种母材偏移以构成薄扩散层，也可以产生无缺陷的接头。因此，疲劳裂纹的增强完全取决于界面或扩散反应层的特性。

3. 总结和前景

当代对钛合金激光焊接的调查通过出版物数量表现出一种新兴的趋势，从而使对这一特殊材料加工领域做出贡献的研究人员重新产生了兴趣。在考虑钛合金的激光焊接时，虽然与生物医学、航空航天、石化和体育行业相关的一些应用得到了强调，但在当前的技术时代，进一步探索更新和更先进的应用是必要的。激光焊接的复兴吸引力促使材料工程师不断研究可用于进一步应用的新型和不同材料组合的焊接。通过对钛合金不同激光焊接技术的综述，可以得出以下结论；

※ 由于热物理性能差异较小以及不存在IMC相，Ti-Ti接头的焊接效率较高。双束焊接模式在提高抗拉强度、延伸率和硬度方面显示出有益的特性，而焊后热处理通过提高延展性来增强断裂特性。这些接头在高温下保持60-70%的抗拉强度。

※ 钢钛焊缝的特点是脆性的铁钛IMC接头会导致接头瞬时失效。为了获得合适的接头强度，使用Nb、Cu、Mg和V元素的单个夹层来阻碍IMC的形成，但对于每一个夹层，Ti或Fe部分都会促进脆性IMC。当通过双焊道焊接或混合爆炸焊接工艺使用多个Ti:V:Fe夹层以最终防止IMC的形成时，可以预见到振奋人心的结果。

※ 激光功率和扫描速度的优化有助于不同Al-Ti接头的整体热输入，可以减少和控制钛铝IMC的相位、分布和尺寸。与向Ti侧偏移相比，向Al侧偏移的激光提供了几乎相似的接头强度，而采用不同形状、凹槽角度和填料则显示出接头拉伸和疲劳强度的良好增强。

※ 通过采用激光焊接钎焊工艺对镁基焊料的对接和搭接接头进行配置，以防止钛和镁的混合，获得了合格的Ti/Mg接头强度，接头效率超过88%。

※ 初步研究表明，镍、铌、铜和聚合物等材料均可成功焊接。铌不会形成IMC并保持其接头强度，而钛聚合物通过激光传输焊接，激光冲击点焊用于连接薄铜片。

※ 激光焊接接头的失效源于拉伸载荷过程中的结构不连续性或焊接缺陷，如裂纹、缺陷、孔洞和气孔。这些不连续性会导致脆性、延展性或脆-延性混合失效，这可以从断口分析中得到理解。不同的焊件表现出脆性特征，因为接头在IMC界面处失效，而以延展性失效为特征的接头仅出现在不存在脆性相的熔合区。由于飞溅和蒸发而导致应力集中的缺陷，如咬边和底部填充，可能是不可避免的。上下板气体保护的使用增加，改变接头间隙和使用填充焊丝有助于减轻此类缺陷。

与钛合金的搅拌摩擦焊接不同，钛合金的激光不同焊接远不是一种成熟可靠的焊接工艺。工作的主要部分都集中在钛钢、钛铝和钛镁基接头上。然而，不同类型的铝、镁、铁基合金及其不同形状和厚度的挤压、铸造和液压成型零件在未来可能会被成功焊接。到目前为止，激光焊接本身作为一个单独的过程还不能专注于新兴材料（如马氏体时效钢、陶瓷、复合材料和多孔材料等关键工程材料），虽扩大了钛基接头的适用性，却对一些研究人员感兴趣的重要信息进行了回避。预计在不久的将来，目前激光钎焊工艺的成功将使科学家能够证明该工艺的最大能力，作为满足行业要求的前奏。

对Ti-Ti接头的高温抗拉强度进行了评估，并显示出振奋人心的结果。相比之下，钛基不同金属的延展性和强度尚未得到评估。然而，一些初步研究表明，钛-不锈钢接头的弯曲强度和冲击强度会有所下降。评估和改善冲击强度或蠕变的研究并不多，而对接头的腐蚀、疲劳和弯曲特性的研究也极为有限，尽管这些特性在航空航天应用中非常重要。与单调和循环屈服强度、应变硬化指数、疲劳失效裂纹扩展速率、失效特性等有关的信息并不容易获得。因此，无法对激光焊接与其他熔焊技术的工艺效率进行比较评估。

缺陷形成的知识及其与熔池振荡的对应关系以及所涉及的流体动力学等都需要更深入的研究。这意味着需要完成大量工作才能预测和优化激光焊接工艺以产生始终如一的优质焊缝。一般情况下，研究人员侧重于研究单个参数对焊缝接头强度的影响，而响应面法、田口、模糊逻辑、人工神经 络、遗传算法等优化策略，目前还缺少关于参数相互作用的数学模型和知识库。对抗拉强度和硬度等机械性能已进行了大量研究，但对疲劳强度、冲击强度、断裂韧性、腐蚀等可能导致失效的基本性能可以进行深入研究，以进一步加强其适用性。对于不同的焊缝，焊缝界面是性能发生急剧变化的区域。除了这些限制之外，我们还可以得出结论，钛合金的激光焊接仍然是一个日益发展的领域，为未来的研究和开发提供了极具前景的机会。

全 完！

江苏激光联盟激光红欢迎您持续关注

参考 献：Optics and Lasers in Engineering，Volume 95, August 2017, Pages 52-68，Experimental investigation and metallographic characterization of fiber laser beam welding of Ti-6Al-4V alloy using response surface method，https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2017.03.013