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［1-3］。

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［4］，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［5-9］。中航沈阳黎明发动机有限责任公司的杨烁等［10］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。其研究结果表明：随着激光入射角度的增大，激光的反射作用增强，但仍可以通过降低焊接速度和增大激光功率来实现良好的焊缝成形。

该研究成果对于焊接位置受限的结构件具有很强的借鉴意义。武汉理工大学的陈锡源等［11］则以钛合金ＳＰ700为母材进行了钛合金激光焊的研究，重点研究了离焦量、热输入、激光功率对焊缝成形的影响，结果表明：负离焦量主要影响焊缝背面的熔宽，正离焦量主要影响焊缝正面的熔宽，且焊缝背面的熔宽受激光功率和热输入的影响更为明显。该研究不仅拓展了钛合金激光的适用范围，还为焊缝成形的控制提供了新的思路。

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［12-14］。

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［15］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［16］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［17］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［18］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。该工艺方法是先在窄间隙内预铺一层一定厚度的金属粉末，然后再进行激光熔化焊。这样逐层焊接，最终填满整个坡口。该焊接方法可以显著减少焊缝内的气孔和未熔合等缺陷，同时提高焊缝成形的稳定性。总之，中厚板钛合金激光焊的研究还不够深入，存在的很多问题还没有得到很好的解决，导致中厚板钛合金激光焊接工艺在生产上的应用还比较少。

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 ［19-21］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［22］利用低功率的激光诱导TIG电弧，针对钛合金复杂构件进行焊接时发现：低功率的激光会将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［23-24］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。扫描振镜激光就是通过在激光头内部设置扫描振镜系统，实现激光的高频扫描。高频扫描的激光可以加强对熔池的搅拌，改善焊缝组织，提高接头力学性能。其研究结果表明：焊缝的熔宽主要受TIG焊接电流的影响，而焊缝的熔深主要受激光功率的影响，且若要焊接过程无明显飞溅，焊接电流需要达到一定值，该值与激光热输入呈负相关的关系。

大连理工大学的shi等［25］对钛合金激光-TIG复合焊进行了焊缝成形机理的研究，重点研究了激光束与电极之间的距离、激光离焦距离、保护气中的CO₂气体浓度等因素对焊缝表面成形和焊缝尺寸的影响。研究结果表明，通过平衡热量在熔池空间的分布和保护气成分可以有效抑制焊缝咬边的缺陷。随着激光束与电极之间的距离、激光离焦距离、保护气中CO₂气体浓度的升高，焊缝正面熔宽增大，背面熔宽和余高减小。另外，shi等［26］还针对厚板钛合金多层多道焊，采用脉冲激光-TIG复合焊进行打底焊的研究，分析了该焊接方法进行打底焊实现稳定的单面焊双面成形焊接工艺的机理，为厚板多层多道焊提供了一种高效、高质量的打底焊工艺。

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，焊接过程中激光与MIG电弧耦合，激光可以吸引和压缩电弧，提高电弧的能量密度。MIG电弧可以稀释光致等离子体，削弱光致等离子体对激光的反射，提高激光能量的利用率。激光-MIG复合焊相对传统的激光焊，提高了焊接过程搭桥的能力，对被焊工件的加工精度和装夹精度的要求大大降低，并且在较小的热输入量条件下可以获得较大的焊接熔深［27］。该技术主要应用于中厚板的焊接，已经在轨道客车、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［28］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［29］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［30-31］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［32］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［33］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［34］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［35］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［36-38］。

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［39-41］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［42］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。其研究结果表明，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［43］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［44］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［45］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［46］。（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［47-48］。（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［49-51］。

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 ［52-53］。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［54-55］。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［56-59］。

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［60-61］。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［62-64］。

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。（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。

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58张岩.钛合金／不锈钢异种材料激光焊接头微观组织及力学性能的研究.博士学位论文，吉林大学，2019.

59宋庭丰.ＡＩＳＩ316Ｌ不锈钢与TC4钛合金异种金属焊接组织及性能研究.硕士学位论文，西南交通大学，2018.

60ＸｕＷＦ，ＺｈａｎｇＺＬ.ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＳｏｃｉｅｔｙｏｆＣｈｉｎａ，2016，26（12），3135.

61ＸｕＷＦ，ＭａＪ，ＬｕｏＹＸ，ｅｔａｌ.ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ ｏｆＣｈｉｎａ，2020，30（1），160.

62陈曦.基于温度场和表面微结构调控的TC4／6061异种合金激光深熔钎焊接头强化研究.博士学位论文，哈尔滨工业大学，2021.

63王伟宇.铜／钛异种金属激光焊接头组织与性能研究.硕士学位论文，江苏科技大学，2018.

64朱开轩.ＡＺ31Ｂ镁合金／TC4钛合金异种金属脉冲激光焊工艺及接头组织与力学性能研究.硕士学位论文，吉林大学，2020.

刘自刚，通信作者，高级工程师。2013年毕业于兰州理工大学，获工学硕士学位。现就职于浙江巴顿焊接技术研究院，主要从事新型高效焊接方法、焊接自动化装备方面的研发工作。已发表论文10余篇，获授权发明专利9项，实用新型专利22项。

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