摘要

自成立以來(lái)，激光束焊接作為一種高質(zhì)量的熔合連接工藝，已被確定為一種成熟且先進(jìn)的技術(shù)，在廣泛的行業(yè)中呈現(xiàn)出巨大的增長(zhǎng)。本文介紹了鈦（Ti）合金與相應(yīng)異種材料（包括鋼、鋁、鎂、鎳、鈮、銅等）的激光焊接的理解現(xiàn)狀和詳細(xì)回顧。特別強(qiáng)調(diào)了關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)冶金特征、抗拉強(qiáng)度、硬度變化的影響，伸長(zhǎng)率和殘余應(yīng)力。利用激光偏置、分束、焊接釬焊、混合焊接和通過(guò)引入單個(gè)或多個(gè)中間層、填料和預(yù)切槽進(jìn)行材料修改等技術(shù)改進(jìn)工藝，以提高異種激光焊接性。對(duì)控制金屬間相形成和分布的現(xiàn)象、材料流動(dòng)機(jī)制、它們與激光參數(shù)的關(guān)系及其對(duì)焊縫微觀結(jié)構(gòu)、幾何和力學(xué)方面的相應(yīng)影響進(jìn)行了詳細(xì)和全面的研究。探討了與缺陷演變相關(guān)的關(guān)鍵問(wèn)題和采取的相應(yīng)補(bǔ)救措施，并在專(zhuān)題表中總結(jié)了文獻(xiàn)中報(bào)告的斷裂特征特征。本綜述的目的相當(dāng)于強(qiáng)調(diào)鈦合金激光焊接在學(xué)術(shù)界的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)，以更好地開(kāi)發(fā)該工藝在工業(yè)中的應(yīng)用，從而在更大程度上探索其應(yīng)用。

1，介紹

鈦（Ti）是一種有光澤的過(guò)渡元素，是地殼中含量第九高的元素，比重為5.54 g/cm³，密度為4.506 g/cm³。鈦是僅次于鋁（Al）、鐵（Fe）和鎂（Mg）的第四大可用結(jié)構(gòu)材料，與常規(guī)使用的工程合金（如不銹鋼（SS）、鎳（Ni）、鈷（Co）等）相比，鈦相對(duì)較輕。此外，鈦的強(qiáng)度與常用鋼一樣，但密度要小得多，其高熔點(diǎn)（1670°C）使其可用于高溫應(yīng)用，而不會(huì)蠕變到550°C。例如，β-鈦合金的比強(qiáng)度為260 kN m/kg，幾乎是304不銹鋼的4倍，是AA7075-T6的2.2倍，是Inconel X-750的1.72倍。

特別是，除強(qiáng)度外，鈦合金是唯一在所有基本機(jī)械性能（包括剛度、疲勞壽命、強(qiáng)度、抗沖擊性、生物相容性和腐蝕）方面表現(xiàn)優(yōu)異的合金。然而，由于鈦金屬本身的成本較高，特別是與困難的提取過(guò)程有關(guān)，因此它們的使用一直受到限制。隨著萃取冶金的進(jìn)步，世界市場(chǎng)上鈦的成本已從2005年的21美元/千克下降到2017年的4.5美元/千克，并在2009年達(dá)到最低點(diǎn)（2.5美元/千克）。鑒于鈦基材料的價(jià)格相當(dāng)高，因此必須進(jìn)一步探索這種金屬合金的潛力。

 VSMPO AVISMA工廠

純鈦的微觀結(jié)構(gòu)為α相，具有六角密排結(jié)構(gòu)（HCP），一旦加熱到882°C以上，它會(huì)經(jīng)歷同素異形相變，轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性BCC（體心立方）β相，由更多的滑移系統(tǒng)組成。這為鈦提供了一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殁伒男阅芨叨纫蕾囉跓崽幚?，并隨后受到激光焊接過(guò)程中施加的加熱和冷卻循環(huán)的影響。鈦合金化可以提高二次性能、熱機(jī)械加工、通過(guò)熱處理和微觀結(jié)構(gòu)變化強(qiáng)化等。根據(jù)合金元素穩(wěn)定初級(jí)α或β相的能力（取決于原子半徑），可以對(duì)鈦進(jìn)行合金化。鈦合金分為α或近α、α+β、β或近β合金。

鈦結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)需要采用涉及焊接和連接方法的工藝，這些焊接和連接方法通常由基于焊接技術(shù)的熔合機(jī)制完成。常用的焊接技術(shù)有鎢惰性氣體、金屬惰性氣體、等離子焊接等。這些焊接技術(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的變形、較寬的熱影響區(qū)（HAZ）和脆性微觀結(jié)構(gòu)，并伴有顯著的殘余應(yīng)力。這些影響限制了此類(lèi)傳統(tǒng)焊接方法的使用。激光焊接具有潛在優(yōu)勢(shì)，包括具有快速啟動(dòng)和停止能力的更高加工速度、高能量密度、室溫和常壓焊接性、易于工件搬運(yùn)、更高的精度、最小化污染、能效、工藝靈活性和隨后具有較低變形的窄熱影響區(qū)。這些特點(diǎn)使激光焊接成為迄今為止研究和應(yīng)用最多的加工技術(shù)。

攪拌摩擦焊視點(diǎn)集

最近，有關(guān)鈦合金激光焊接和連接的出版物數(shù)量迅速增加。在科學(xué)引文索引擴(kuò)展（SCIE）數(shù)據(jù)庫(kù)上對(duì)“鈦”或“鈦”和“激光焊接”進(jìn)行關(guān)鍵詞搜索，發(fā)現(xiàn)494份文件，包括400篇期刊文章、114篇論文集和2個(gè)圖書(shū)章節(jié)，明顯呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。在可用的494份文件中，近幾年（1999-2019年）發(fā)布了455份文件，如圖1所示。激光焊接的范圍不僅限于材料科學(xué)領(lǐng)域，因此，鈦基激光焊接的范圍可以根據(jù)科學(xué)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)。圖2確定了前15個(gè)主要類(lèi)別的樹(shù)狀圖，表明除材料科學(xué)和工程外，鈦基激光焊接在生物醫(yī)學(xué)工程和牙科領(lǐng)域也很成熟，表明其廣泛適用性。

圖1 近年來(lái)，出版的文獻(xiàn)數(shù)量不斷增加

圖2 基于科學(xué)類(lèi)別網(wǎng)絡(luò)的出版物樹(shù)形圖

隨著期刊文章發(fā)表量的增加，有必要進(jìn)行詳細(xì)的文獻(xiàn)綜述，以研究激光在鈦合金與異種工程合金焊接中的作用，以及相應(yīng)的特征，如微觀結(jié)構(gòu)、相演變和機(jī)械性能的變化。綜述包括相關(guān)問(wèn)題和困難、采取的補(bǔ)救措施以及未來(lái)科學(xué)家進(jìn)行研究所需預(yù)見(jiàn)的差距。本文還旨在探索和強(qiáng)調(diào)激光焊接在更廣泛的工業(yè)應(yīng)用中的當(dāng)前和潛在應(yīng)用，并提供科學(xué)證據(jù)。

2，鈦合金激光焊接技術(shù)綜述

鈦及其合金的激光焊接在相似和不同的材料組合中進(jìn)行。然而，為了縮小本綜述的范圍，考慮了鈦合金類(lèi)似焊接的有限主題?？偟膩?lái)說(shuō)，研究人員一直在努力研究和優(yōu)化工藝參數(shù)對(duì)不同類(lèi)型鈦合金的影響。對(duì)檢查小孔形成機(jī)制、氣孔發(fā)展、熱流和焊縫幾何特征至關(guān)重要的基礎(chǔ)研究，伴隨著實(shí)驗(yàn)和模擬公式。同樣，基于用于提高接頭強(qiáng)度和抑制金屬間化合物（IMC）形成的不同技術(shù)，對(duì)異種焊接研究進(jìn)行了剖析。因此，研究人員專(zhuān)注于激光加工方法的替代性修改，如激光偏移、焊接釬焊和混合焊接技術(shù)，并通過(guò)使用填充材料或添加單個(gè)或多個(gè)夾層來(lái)改變材料系統(tǒng)。一些研究還集中于研究接頭類(lèi)型、槽形狀和槽角度對(duì)接頭效率的影響。本文還詳細(xì)回顧了鈦的異種焊接及其異種對(duì)應(yīng)物。

2.1. 特征化技術(shù)

研究人員采用了不同的技術(shù)來(lái)表征鈦基焊接接頭的材料和機(jī)械方面。通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行初步檢查以揭示微觀結(jié)構(gòu)，并使用特殊的著色濾光片獲得基于顏色的晶粒圖。通過(guò)連接能量色散X射線光譜儀的掃描電子顯微鏡評(píng)估焊縫幾何和微觀結(jié)構(gòu)特征，以給出一些原始結(jié)果，從而提供化學(xué)、元素和相組成的分析。然而，為了詳細(xì)觀察微觀結(jié)構(gòu)，包括所有特征，并指定相和研究晶體取向，首選高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）。HRTEM同樣要求將樣品切割成非常薄的部分，然后進(jìn)行電拋光。X射線衍射（XRD）專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)熔合區(qū)（FZ）和焊接表面和斷裂表面界面中存在的初級(jí)和IMC相。通過(guò)相對(duì)可靠且很少使用的電子探針X射線微分析儀（EPMA）方法，熔體池對(duì)流期間的擴(kuò)散和準(zhǔn)確元素分布以及雜質(zhì)（如C、O和N）的夾雜更容易識(shí)別。

脹形過(guò)程中雙重退火后焊接接頭的層狀球狀化（脹形率為66.4%，黑色代表β相，黑線代表HAGB，藍(lán)線代表LAGB）

電子背散射衍射（EBSD）是一種相對(duì)較新的應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)反極圖、晶界圖和獨(dú)特的晶粒顏色圖顯示晶粒尺寸、大角度晶界、錯(cuò)取向角以及相對(duì)于熱流方向的晶粒生長(zhǎng)方向。然而，EBSD的樣品制備需要嚴(yán)格的拋光措施。為了檢索化學(xué)鍵形成數(shù)據(jù)并了解鈦聚合物基接頭的鍵機(jī)理，近年來(lái)廣泛利用了X射線光電子能譜（XPS）。尚未通過(guò)原子力顯微鏡對(duì)焊縫或斷裂表面進(jìn)行微觀和納米級(jí)表面形貌測(cè)量。使用粗糙度測(cè)試儀測(cè)量表面粗糙度以及接縫和表面的輪廓。物理特性和焊縫完整性（包括裂紋和缺陷）通過(guò)著色滲透檢驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。焊接接頭的機(jī)械特性極為重要，需要仔細(xì)檢查硬度、彈性模量、疲勞、拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)和斷裂強(qiáng)度以及殘余應(yīng)力等性能。

2.2. 表面處理

由于鈦在高溫下具有敏感性和反應(yīng)性，因此在開(kāi)始焊接工藝之前需要格外小心。焊接過(guò)程開(kāi)始時(shí)的表面處理可能是相應(yīng)焊道幾何形狀、夾雜物和激光束吸收以生成小孔的決定因素。通常，采用噴砂、化學(xué)清洗和研磨等處理方法，而黑漆和石墨涂層已被確定對(duì)強(qiáng)度有惡化影響。為了去除毛刺，在后鑄造或冷加工后，可以使用奧氏體不銹鋼鋼絲刷。在開(kāi)始焊接操作之前進(jìn)行激光清洗可以改善表面特性并增強(qiáng)可焊性。化學(xué)清洗能夠去除污染物和氧化物，并最終增強(qiáng)激光束的吸收。

（a）用激光清洗部件制成的管子和管件之間的PGTAW焊縫的射線照片和（b）焊縫橫截面的顯微照片

2.3. 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

進(jìn)行的焊接和機(jī)械測(cè)試應(yīng)符合許多公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，焊接標(biāo)準(zhǔn)并不是專(zhuān)門(mén)為激光焊接制定的，但其設(shè)計(jì)涵蓋了廣泛的熔焊技術(shù)。例如，美國(guó)焊接學(xué)會(huì)（AWS）標(biāo)準(zhǔn)AWS D17.1:2001已用于Ti–6Al–4V的激光束焊接，盡管該標(biāo)準(zhǔn)旨在用于通用熔焊。同樣，歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 4678:2011中包含的飛機(jī)應(yīng)用金屬材料激光束焊接的具體標(biāo)準(zhǔn)符合鈦基焊接接頭的焊接標(biāo)準(zhǔn)。該研究工作已針對(duì)需要極其嚴(yán)格的焊接檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的航空航天應(yīng)用而指定。

2.4. 鈦基激光焊接的典型應(yīng)用

與鈦合金激光焊接相關(guān)的突出應(yīng)用（圖3）包括生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、骨科和修復(fù)植入物、運(yùn)動(dòng)設(shè)備、航空航天結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)模塊以及關(guān)鍵石化結(jié)構(gòu)的制造等等。圖3（a）顯示了牙齒骨架典型截面的命名，圖3（b）顯示了通過(guò)激光焊接進(jìn)行的骨架修復(fù)。在另一個(gè)示例（圖3（c））中，鈦棒與鈦植入物的激光焊接作為豬頜骨中的離體裂口進(jìn)行，并捕獲熱攝像機(jī)圖像以確定溫度分布。同樣，激光焊接技術(shù)也被用于修復(fù)和制造正畸微型種植體。銑削頭部以糾正C型種植體的角度（圖3（d）），并使用脫蠟技術(shù)制作定制基牙的舌部（圖3（e））。隨后，如圖3（f）所示，將C型種植體的這些現(xiàn)成頭部零件與橋臺(tái)的定制舌部進(jìn)行激光焊接。同樣，激光焊接可摘局部義齒上的卡環(huán)如圖3（g）所示，激光焊接的牙科支架如圖3（h）所示。如圖3（i）所示，在制造功能性電池供電微刺激器（FEBPM）釬焊殼體組件的孔眼到套圈時(shí)，也需要激光焊接。除了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用外，鈦和鈦合金制成的無(wú)縫管狀產(chǎn)品（圖3（j））的激光焊接在航空航天、海洋、化學(xué)工業(yè)、能源和運(yùn)輸技術(shù)領(lǐng)域正受到關(guān)注。圖3（k）顯示了乘客座椅軌道的激光束焊接異種接頭概念設(shè)計(jì)（AIRBUS）。

圖3 激光焊接在（a，b））牙架，（c）鈦植入物，（d，e和f）正畸微型植入物，（g）可摘局部義齒，（h）牙架，（i）微刺激器，（j）無(wú)縫管狀產(chǎn)品，（k）乘客座椅軌道

由于具有較高的比強(qiáng)度、抗疲勞和蠕變性能、較低的彈性模量、良好的生物相容性和優(yōu)異的耐腐蝕性，這些應(yīng)用已被認(rèn)為是可行的。激光焊接涉及由含鉑的鈦合金制成的厚壁管的制造，以增強(qiáng)涉及熱交換器管的應(yīng)用的耐腐蝕性。本發(fā)明涉及使用填充材料在熔池中獲得預(yù)定成分，從而提高異種Ti-Fe金屬的可焊性。類(lèi)似地，為了保持Ti-Ti合金的焊接強(qiáng)度，Kakimi等人提出了一種Ti（0-3 wt%al）填充材料。同樣，William等人開(kāi)發(fā)了基于金屬陶瓷的復(fù)合接頭。

鈦合金的激光束異種焊接在涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用（燃?xì)廨啓C(jī)葉片、機(jī)艙中心梁框架和大型艙壁）中至關(guān)重要。飛機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)使用鈦焊縫從發(fā)動(dòng)機(jī)排出熱空氣。在飛機(jī)機(jī)身制造中，由鈦合金制成的機(jī)翼隨后可以與鋁機(jī)身連接，從而表明異種焊接的應(yīng)用。Ti-3Al-2.5V焊接管因其優(yōu)異的冷成形性而廣泛應(yīng)用于燃油傳輸和液壓管路。

激光在制造和生物材料加工中的增長(zhǎng)趨勢(shì)可以通過(guò)已申請(qǐng)或接受的專(zhuān)利來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些專(zhuān)利用于制造各種設(shè)備和材料，如微機(jī)電組件、支架、假肢關(guān)節(jié)、樹(shù)脂膜精密生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、植入物、生物傳感器、電池和其他醫(yī)療器械。電池和心臟起搏器需要將薄鋁箔焊接到鈦上?？梢允褂眉す鈱?duì)可植入設(shè)備（如套圈）進(jìn)行密封，而不會(huì)損壞電子封裝組件。類(lèi)似地，由托槽體和墊組成的鈦基正畸物品通常是焊接的。包含步驟的髖部植入物需要通過(guò)焊縫連接多孔網(wǎng)格表面。隨著近年來(lái)光子材料加工技術(shù)的進(jìn)步，其未來(lái)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景也是不容忽視的。例如，激光焊接可用于將遠(yuǎn)端和近端支柱的自由端連接到稱(chēng)為支架的鎳鈦內(nèi)修復(fù)裝置的軸環(huán)。早在1982年就報(bào)道了將透明含硅材料（康寧玻璃TM）與鈦基材料焊接的焊接布置系統(tǒng)。還制造了運(yùn)動(dòng)設(shè)備，如高爾夫球桿，其要求金屬件位于官方構(gòu)件的外表面。

（a）具有小孔的多孔銅膜表面的三維模型。（b）示意圖顯示了用小孔制造的表面的潤(rùn)濕。（c）在60秒沉積時(shí)間下測(cè)量的接觸角。（d）具有大孔的多孔銅膜表面的三維模型。（e）示意圖顯示了用大孔制造的表面的潤(rùn)濕。（f）在10秒的沉積時(shí)間下測(cè)量的接觸角

3，鈦及其合金的激光焊接

3.1. 流程概述

激光焊接允許使用范圍廣泛的參數(shù)，以便精確控制以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的熱輸入。例如，與其他傳統(tǒng)熔焊技術(shù)相比，激光束焊接允許更高的焊接速度。激光焊接的快速性以及卓越的生產(chǎn)率和工藝的可重復(fù)性使其適用于需要自動(dòng)化的行業(yè)。焊縫的形成和質(zhì)量受到工藝參數(shù)的強(qiáng)烈影響，在脈沖激光參數(shù)的情況下更是如此。例如，在材料的異種焊接中，由于熱性能的差異，FZ中的熔池尺寸是不對(duì)稱(chēng)的。對(duì)于熱導(dǎo)率相對(duì)較低的材料，熔體池往往較大。除了熱物理特性外，材料在入射激光束波長(zhǎng)下的吸收特性還會(huì)影響加工效率、小孔穩(wěn)定性、穿透深度，并可能導(dǎo)致缺陷形成。圖4展示了各種金屬材料在室溫下的能量吸收率的比較，描繪了Ti表現(xiàn)出相當(dāng)好的吸收特性。需要考慮的一些重要參數(shù)可以進(jìn)行相應(yīng)分類(lèi)；

1激光相關(guān)：活性介質(zhì)、脈沖或連續(xù)光束、脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖頻率、掃描速度、功率密度、峰值功率、入射角、功率平均值、光斑大小、光束位置等。

2材料相關(guān)：熱物理性能、合金成分、熱處理、幾何尺寸、微觀結(jié)構(gòu)和接頭配置。

3保護(hù)氣體：氣體流速、成分、配置和入射角。

4填充材料：成分、幾何尺寸和熱物理性能。

圖4 當(dāng)受到Nd:YAG激光（1064 nm）相互作用時(shí)，各種金屬在室溫下的吸收率

不同材料的導(dǎo)電性差異直接影響焊縫的對(duì)稱(chēng)性、成分和不對(duì)稱(chēng)熱傳輸。之前的一項(xiàng)研究掃描了垂直于接收到的鈦板軋制方向的激光束。待連接材料之間的間隙和接頭配置以及端部形狀是可以推導(dǎo)熔池幾何形狀的參數(shù)。激光焊接操作完全是一個(gè)復(fù)雜的參數(shù)云團(tuán)，因此導(dǎo)出了演變焊接區(qū)域的熔池的形狀和特性。

來(lái)源：Current research and development status of dissimilar materials laser welding of titanium and its alloys, Optics & Laser Technology, doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106090

參考文獻(xiàn)：Titanium in Medicine: Material Science, Surface Science, Engineering, Biological Responses and Medical Applications, Springer Science & Business Media (2012)