钛合金激光焊研究现状与展望

张群

航天海鹰（哈尔滨）钛业有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150029

摘要：钛合金具有密度小、比强度高、塑韧性好、可加工性好以及耐热和耐腐蚀性能好等多方面的优点，因此在制造业获得了非常广泛的应用。在钛合金加工过程中，焊接是一项非常重要的工艺，当前可以用于钛合金的焊接技术包括：钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、摩擦焊、电阻焊等，在这些能够应用于钛合金的焊接工艺中，以钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊最为常用。在实际应用过程中，应用熔化极气体保护焊进行钛合金的焊接时，其接头形成的晶粒会比较粗大，而且机械性能也比较差；而氩弧焊也存在一些问题，比如接头性能差，在焊接完成之后其性能难以满足实际的使用需求，还需要对焊缝组织进行焊后热处理，因此这种焊接方式比较复杂，应用其进行钛合金焊接时效率比较低。随着钛合金应用日益广泛，提高其焊接质量和效率显得非常重要，而激光技术的发展有效的解决了这一问题。

关键词：钛合金；激光；焊接技术

一、钛合金

钛合金具有比较活泼的化学性质，而且其化学性质会随温度升高而加强。在固态状态下，钛合金能够吸收空气中的氧气、氮气和氢气等，正是由于其具有的这一性质，导致钛合金的焊接时接头的强度会有所提升，相应的其塑韧性则会下降。钛合金的熔点较高，其热容量和电阻系数都比较大，而热导率低于铝和铁等金属。正是由于钛具有的这些特性，造成钛合金在焊接时具有比较独特的特点，需要较大的熔池尺寸，所需温度也比较高，同时由于热影响区金属在高温下的停留时间比较长，这些特点导致其在焊接时接头过热，进而造成焊接形成的晶粒比较粗大，对接头的塑韧性造成不利影响，导致接头处塑韧性较差。为了达到良好的焊接效果，避免这些问题，最好采用小电流、高速焊的焊接方式来对钛合金进行焊接。

二、钛合金焊接的特点

钛合金焊接的特点主要是由以下两方面因素影响的，分别是合金成分和微观结构。举例来说，在钛合金中 α 钛合金的焊接性能就非常优异，在焊接时其接头处性能比较出色，强度和塑韧性都比较好 ；相较而言，β 钛合金的焊接性能就比较差。某些 α ＋ β 钛合金是能够进行焊接的，需要在退火和固溶状态下完成，而且在焊接完成之后为了保证焊接的质量需要进行及时有效的处理。稳定的 α ＋ β钛合金由于在焊缝和热影响区时发生了相的转变，由于这一原因，若是再次对其进行焊接就比较容易发生脆化的情况。在焊接过程中，钛合金被加热，当温度达到 α 向 β 转变的临界温度时，晶粒会以晶界突跳式位移的方式长大，其增长的速度会随着晶粒逐渐变大而降低，但是如果继续升高温度则其增长的速度还会继续加快，由于这一因素的影响，在进行钛合金焊接时通常接头处形成的晶粒都比较粗大。在钛合金焊接过程中，影响晶粒内结构以及其尺寸的因素很多，包括加热的温度、在此温度下停留时间以近缝区的温度等，而接头处晶粒的大小和其强度以及塑韧性都有密切的关系，晶粒越大，其强度和塑韧性都会随之减小。在钛合金焊接过程中，受到钛的化学特性的影响，在一定温度下其会吸收空气中的氧气、氮气以及氢气等，而在焊接过程中，如果焊缝处氮气、氧气含量比较高，焊接完成后焊缝就会比较脆弱 ；而如果焊接过程中存在比较大的引力，则很可能会出现裂纹等问题。               

三、钛合金激光焊接技术

1、等离子体。光致等离子体是由激光作用于钛合金而产生的，不仅包含中性的原子和分子，而且还包含大量的电子和离子，因此从整体看是电中性的，是电的良导体。一般认为，孔内等离子体经过菲涅尔吸收和逆韧致辐射吸收，对于激光焊接时的能量吸收是有好处的，当激光功率大于形成深熔焊的临界阈值时，等离子体的存在有利于小孔的维持和熔深的增大。而当激光功率大于形成屏蔽等离子体临界阈值时，孔外等离子体增多，将阻碍激光照射金属，严重时会造成无法有效焊接。焊接时，激光光路上的等离子体会对激光造成散射现象，同时由于产生的等离子体浓度分布不均匀，将对激光传输产生负透镜效应。

2、保护气。由于钛合金良好的金属活性，因此焊接时需要采用保护气对焊接过程和焊接高温区进行保护，从而保证焊接质量。但保护气的加入会对整个焊接过程产生较为深远的影响。对于钛合金的焊接，一般可以采用同轴或旁轴两种方式进行气体保护，同轴吹气保护常用于薄壁焊接，厚板焊接多采用旁轴或者两种保护方式兼用。相关研究也发现保护气和钛合金焊接气孔也有直接关系。一方面，良好的气体保护可以有效避免空气中的成分对激光焊接过程的污染，减少气孔。另一方面，焊接保护气参数设置不当也会造成保护气卷入形成焊接气孔。同时，试验研究发现焊缝根部尺寸形貌也会影响气孔的产生。在真空条件下，利用质谱分析仪分析激光焊接焊缝中气孔的成分结果表明，激光焊气孔内气体成分主要是保护气体。这也验证了保护气卷入熔池是造成焊缝产生气孔的原因之一。为了获得保护良好的钛合金激光焊接接头，需要对气体保护装置进行设计，既要有利于焊接高温区的保护，又要对等离子体形成有效抑制，还要实现全位置、全方向焊接并方便调整焦距。

3、在线检测。由于激光、熔池金属、保护气和光致等离子等的综合作用，使得钛合金激光深熔焊接过程物理现象非常复杂，目前学术界对于这些过程中的关键问题理解尚不十分清楚，焊接工艺的稳定性和一致性难以保证，影响了该工艺在制造领域的应用。因此钛合金激光焊接质量的在线检测显得非常重要。一般的在线监测包括正面熔池监测和背面焊透状态检测。其中正面熔池监测多采用光学传感器和声学传感器，而背面焊透状态检测多采用光学传感器。对于熔池形态和内部焊接缺陷产生过程观测，也可以采用 X－ray 高速成像摄影，对焊接过程中进行观测［3］。光致等离子体作为激光焊接过程中和熔池形貌、状态、波动密切相关的物理现象，也可以反过来用于检测焊接过程。工艺特征气孔尺寸大，激光焊的功率密度较大，焊接过程金属汽化强烈，小孔波动显著，易于产生工艺特征气孔，这些气孔主要在未熔透和不稳定全熔透焊缝的根部及中部产生。通过检测熔池的瞬态过程，可以对焊接质量进行良好的控制。如图。

采用多种滤光技术，可以实现激光焊接过程中多种实时过程和现象的图像和信号监测，为研究激光焊接不稳定时的形貌、行为和状态提供了一种可行的监测技术。对于薄板焊接，在本质上，钛合金激光全熔透过程的稳定性与穿孔稳定性密切相关，但受焊接过程中产生的金属蒸汽和焊接等离子体云等周期性变化的影响。对于厚板的非熔透多次焊接，可以通过对焊接熔池稳定性的检测来初步判定焊接过程的稳定性。

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：

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