引言
由于鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、耐腐蝕性、蠕變性能以及與碳纖維復(fù)合材料較好的相容性，因此，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船艇、汽車、化工和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。當(dāng)工作溫度高于130℃或當(dāng)使用不同的材料導(dǎo)致最終部件的過量時，鈦合金也可以代替鋁合金，例如用于波音商用飛機(jī)747和757的起落架[1]。在所有的商業(yè)用鈦合金中，作為α+β兩相鈦合金的代表Ti–6Al–4V具有優(yōu)異的物理和機(jī)械性能，并且能夠進(jìn)行熱處理強(qiáng)化或者熱機(jī)械加工，因此被廣泛應(yīng)用。
但是，由于原材料比較貴，以及由鈦合金的高強(qiáng)度，低導(dǎo)熱性和高化學(xué)反應(yīng)性引起的成形和機(jī)械加工過程比較復(fù)雜，這就造成鈦合金比較貴。在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，考慮到減重，就需要用焊接代替機(jī)械連接；為了降低成本，就需要用焊接來代替整體鍛造?；谶@些原因，焊接在降低成本和提高生產(chǎn)產(chǎn)量方面就變得非常有意義。并且Mendez和Eagar的報告[2]也指出，航空航天工業(yè)的趨勢是廣泛使用焊接代替鉚接以達(dá)到降低重量和成本。顯然，只有保證所生產(chǎn)的接頭質(zhì)量，焊接才能夠代替像成形和機(jī)加工之類的傳統(tǒng)制造技術(shù)。
目前，很多熱源被考慮用來進(jìn)行鈦合金的焊接[3]。然而，采用傳統(tǒng)的熔焊方法對鈦合金進(jìn)行焊接時，焊速較慢、焊件變形較大、焊縫組織較粗大；焊縫中會產(chǎn)生氣孔以及夾雜等焊接缺陷；焊接過程易出現(xiàn)氣體保護(hù)不良而影響焊縫質(zhì)量等諸多缺點，在一定程度上限制了焊接鈦合金的應(yīng)用。
相比電弧焊，束流加工能夠更加匯聚熱源，有更高的能量密度，能使熔池區(qū)域形成更窄更深的焊縫。激光焊接作為一種新的高能量焊接最近發(fā)展很快，主要是利用受激輻射的光束作為焊接熱源，加熱母材形成熔池最后冷卻凝固形成焊縫的一種焊接方法。作為高能束流焊接技術(shù)中的一種，因其具有能量密度集中、焊縫成形好、焊接速度快、焊接精度高、易實現(xiàn)自動化、生產(chǎn)效率高、焊接設(shè)備裝置簡單，不需要真空室等優(yōu)點[4]，廣泛應(yīng)用到各個工業(yè)領(lǐng)域。例如，早在20世紀(jì)70年代初，美國海軍聯(lián)合裝備部和愛迪生焊接研究所就對飛機(jī)和裝甲車等武器裝備進(jìn)行了激光焊接技術(shù)的研究，利用15 kW的CO2激光器對飛機(jī)制造中的各種材料、零部件進(jìn)行了焊接試驗、評估及工藝的標(biāo)準(zhǔn)化[5]。Li[6]等人也證明激光束是鈦合金的高質(zhì)量焊接能源。wang[7]等人發(fā)現(xiàn)即使測試溫度升至450℃，激光焊接Ti-6Al-4V板材也能達(dá)到良好的機(jī)械性能。
因此，針對激光焊接TC4鈦合金的焊縫形成機(jī)理、工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量影響規(guī)律的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并展望了激光焊接鈦合金的發(fā)展趨勢，為激光焊接鈦合金的發(fā)展提供了參考。
1 激光束焊接的原理與特點
按照激光作用在焊件上的功率密度，可以把激光焊接分為激光熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種基本的焊接方式。熱導(dǎo)焊的功率密度小于104~105 W/cm2，其熔深淺、深寬比小。深熔焊的功率密度大于105~107 W/cm2時，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，其焊接速度快、深寬比大。
① 激光熱導(dǎo)焊
激光熱導(dǎo)焊就是利用低功率密度長時間的照射金屬表面，使金屬表面融化，然后再將表面吸收的熱能以熱傳導(dǎo)的方式傳入材料內(nèi)部，使固液界面慢慢的向底層推進(jìn)，最終實現(xiàn)對焊件的焊接。激光熱導(dǎo)焊焊接的材料重新凝固后一般是焊點或者焊縫。熱導(dǎo)焊時，為了確保焊材融化充分同時不能汽化，需要通過對激光功率和焊接速度的控制來嚴(yán)格的控制焊件表面的溫度，使之介于材料熔點和沸點之間，才能保證熱導(dǎo)焊的焊接質(zhì)量。
熱導(dǎo)焊采用的低功率密度的激光光斑，加上金屬對激光的吸收率低大部分的激光會被金屬焊件反射。因此采用熱導(dǎo)焊的焊件熔深淺、焊點小、熱影響區(qū)小、焊件變形小、精度高、焊接質(zhì)量很好但是焊接速度慢。熱導(dǎo)焊一般應(yīng)用在精密儀器儀表，要求低變型的精密零部件及電子元件薄板上的精密加工。
熱導(dǎo)焊的原理為，激光輻射加熱待加工表面（激光能量被表層10~100nm的薄層所吸收），表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，在兩材料連接的部分形成熔池。在激光束向前運動后，熔池中的熔融金屬隨之凝固，形成焊縫。
熱導(dǎo)焊一般用脈沖激光器。材料僅表面附近被加熱到熔點以上較低的溫度，激光能量大部分被金屬表面反射，光的吸收率較低，因此熔深較淺，通常在lmm~2mm之間，主要用于儀器儀表、電池外殼、電子元件等薄(1mm左右)、小零件和結(jié)構(gòu)的焊接。
② 激光深熔焊（小孔焊）
激光深熔焊的原理及激光輻照下材料表層熔化過程示意圖如圖1.2所示。其過程是在高功率密度激光的連續(xù)照射下，在極短時間內(nèi)，金屬表面溫度升高到沸點，迅速熔化，甚至汽化或蒸發(fā)，形成等離子體。金屬蒸汽以一定的速度逸出熔池時對液態(tài)金屬產(chǎn)生反沖壓力，使熔池表面下沉形成凹坑。金屬蒸氣的持續(xù)逸出導(dǎo)致凹坑逐漸加深，最終在熔池中形成細(xì)長的小孔。當(dāng)金屬蒸汽的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔形狀和尺寸趨于穩(wěn)定。熱量從孔壁向外傳遞，有利于材料對激光的吸收，促進(jìn)小孔周圍的金屬熔化，形成熔池。金屬的持續(xù)蒸發(fā)導(dǎo)致小孔向前移動，同時由于表面張力使后面的小孔消失，小孔前面的母材會被高能激光熔化，在壓力梯度和溫度梯度的作用下繞過小孔，在小孔的后面重新凝固形成焊縫[8]。在焊接中可以形成焊縫很窄但是很深的焊縫。這種焊接模式適合在不填絲的情況下高速焊接厚板(達(dá)到50mm) [9]。
激光深熔焊過程中，小孔壁始終處于高度波動狀態(tài)，小孔前壁較薄一層熔化金屬隨壁面波動向下流動，小孔前壁上的任何凸起位置都會因受到高功率密度激光的輻射而強(qiáng)烈蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽向后噴射沖擊后壁的熔池金屬，引起熔池的振蕩，并影響凝固過程熔池中汽泡的溢出。
焊接過程中，匙孔的波動會引起焊接的不穩(wěn)定性，從而影響工件的整體質(zhì)量。匙孔波動的主要原因如下： a、出自匙孔的蒸汽流速很快，接近聲速，因此可以聽到混亂的噪聲。頸口處高速流動的蒸汽會產(chǎn)生一個低氣壓區(qū)，促使頸口關(guān)閉，這是匙孔波動的原因之一。 b、匙孔內(nèi)金屬的強(qiáng)烈蒸發(fā)，甚至形成噴射，這種無規(guī)律的蒸發(fā)引起了液態(tài)金屬的快速抖動，也會造成匙孔的波動。但是，焊接過程中匙孔的不穩(wěn)定性主要是匙孔前壁局部金屬的蒸發(fā)造成的。
由于小孔的形成與激光能量的吸收相關(guān)，而熔焊過程中形成的等離子體會影響材料對激光的吸收。因此，有必要明晰等離子體的形成過程及其對激光的吸收。等離子體位于熔池上方的激光傳輸通道上，它對激光會產(chǎn)生反射、散射以及吸收，還會對激光產(chǎn)生負(fù)透鏡效應(yīng)。其吸收的光能可通過以下三種渠道傳至工件：等離子體與工件接觸面的熱傳導(dǎo)；等離子體輻射易被金屬材料吸收的短波長光波；材料蒸汽在等離子體壓力下返回凝聚于工件表面。如果等離子體傳至工件的能量大于等離子體吸收所造成的工件接收光能的損失，則增強(qiáng)工件對激光能量的吸收。反之，減弱工件對激光的吸收。等離子體呈周期震蕩，對激光能量具有屏蔽作用（吸收、折射），減少激光入射到工件表面的能量密度，并影響光束的聚焦效果。
等離子體具有周期性，其通過吸收和散射入射光，影響了激光的能量傳輸效率，大大減少了到達(dá)工件的激光能量密度，導(dǎo)致熔深變淺；由于等離子體對入射激光的折射，使得激光通過等離子時，波前發(fā)生畸變，改變了激光能量在工件上的作用區(qū)。
可以通過以下方法抑制等離子體：a、激光擺動法：激光加工頭沿焊接方向來回擺動，在匙孔出現(xiàn)后，等離子形成以前，將光斑瞬時移至熔池的后緣； b、脈沖激光焊接法：調(diào)整激光的脈沖和頻率，使激光的輻射時間小于等離子體的形成時間； c、低氣壓焊接：采用減壓焊接，當(dāng)氣壓低于某一程度時，材料表面及匙孔內(nèi)金屬蒸汽密度較小，等離子體減弱； d、側(cè)吹輔助氣體：一種是采用輔助氣體吹散等離子體；另一種是用導(dǎo)電性好、電離能高的氣體抑制環(huán)境氣體的電離和壓縮金屬離子蒸汽。
通過以上分析可知，相對于熱導(dǎo)焊，深熔焊有以下優(yōu)點：
a、焊縫深寬比較大。因為熔化金屬圍繞小孔形成并向下延伸，促進(jìn)了能量吸收；
b、材料熱輸入低，熱影響區(qū)和變形小。因為小孔溫度非常高，所以熔化過程非常快；
c、熔池氣體容易逸出，焊縫致密。因為充滿高溫蒸氣的小孔有利于熔池攪拌和氣體逸出，焊后高速冷卻使焊縫組織細(xì)化，強(qiáng)度提高；
d、焊縫組織純凈，污染少。因為非金屬元素和夾雜物的充分逸出降低了雜質(zhì)含量，改變了其尺寸及其分布；
e、焊接速度快，生產(chǎn)效率高。
焊接接頭的質(zhì)量和性能取決于焊接幾何形狀，焊接期間的熔池行為，焊接區(qū)域和熱影響區(qū)域的冶金以及焊接缺陷。在焊接期間發(fā)生的化學(xué)和冶金行為的復(fù)雜性可能導(dǎo)致在使用中的焊縫的隨后的故障，大約45％的焊接缺陷的原因是由于不良的工藝條件[10]。因此，重要的是理解工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響機(jī)理。
為了獲得可接受的焊接輪廓和令人滿意的機(jī)械性能，焊縫形狀的控制是必要的，因為焊縫的機(jī)械性能受焊縫形狀的影響。影響焊接金屬凝固行為的焊縫形狀受焊接參數(shù)和輸入工件的相應(yīng)熱量[11]的影響。因此，有必要理解包括激光功率，焊接速度和散焦距離[12]在內(nèi)的焊接參數(shù)對焊縫形態(tài)的影響以及確定焊接缺陷的來源。然后可以確定焊接參數(shù)的最佳組合，確保所需的焊接質(zhì)量和性能，并且最小化焊接缺陷[13]。
影響激光焊接的主要工藝參數(shù)有：激光功率、焊接速度、焦點位置、激光功率密度等。焦點位置直接影響激光功率密度；對熔深要求較高和熔池要求較大時，宜采用負(fù)離焦。焊接薄板時，宜采用正離焦，此時焊縫成形較好。
2 工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響
2.1 底部填充和咬邊
Squillace A[14]等人研究了焊接速度和激光功率對Ti-6Al-4V中LBW對接接頭的宏觀幾何形狀的影響。根據(jù)比熱輸入觀察到兩種焊接方案：對于低于25kJ/m熱輸入的小孔焊接以及對于高于30kJ/m熱輸入的以小孔周圍的熱傳導(dǎo)為主的焊接方案。此外，在25和30kJ/m2之間，獲得混合狀態(tài)。圖2.1給出了焊縫典型的橫截面示意圖及宏觀圖（1.2kW，42mm / s）。
圖2.1[14] （a）焊縫典型的橫截面示意圖。FU：表面填充，RU：根部填充，F(xiàn)U-ρ：表面填充半徑，F(xiàn)Z-W：熔融區(qū)寬度，HAZ-W：熱影響區(qū)寬度;
（b）典型橫截面的宏觀圖（1.2kW，42mm / s的焊縫）
研究發(fā)現(xiàn)，所有獲得的焊縫存在底部填充，面和根增強(qiáng)物。焊接形態(tài)嚴(yán)格受其中產(chǎn)生它們的焊接機(jī)制的影響。特別地，在小孔方式中，隨焊接速度降低，底部和根部填充先增加，后減小。而底部填充半徑或多或少保持恒定。這主要是由于，匙孔長度和兩個側(cè)流會以不同的方式引起底部填充缺陷。匙孔的伸長增加了熔體到達(dá)匙孔端的路徑及兩個主熔融流在匙孔端部匯合前的冷卻時間。另一方面，在小孔周圍的熱傳導(dǎo)占優(yōu)勢的焊接方案中，在焊接面和根部表面處，底部填充半徑隨著焊接速度的增加而明顯降低，即其隨比熱輸入升高時增加。這種行為與由較高比熱輸入引起的FZ的加寬有關(guān)，即與較大量的熔融金屬及其較高溫度（較低的粘度和表面張力）有關(guān)。
Nikolai Kashaev[15]等人對Ti-6Al-4V對接接頭和T接頭進(jìn)行Nd：YAG單面激光焊接工藝進(jìn)行了研究，使用合金兼容的填充焊絲來避免底部填充和咬邊。他們使用二次回歸建立了“非焊接皮”寬度與激光功率、入射角和入射高度的關(guān)系，通過合理的參數(shù)優(yōu)化，獲得了具有低孔隙率和適當(dāng)幾何形狀的焊縫。優(yōu)化結(jié)果如圖2.2所示。
圖2.2[15] “非焊接皮”寬度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系
Ahn[16]等人使用5kW光纖激光器對Ti-6Al-4V的薄片進(jìn)行全熔透焊接，確定了焊接參數(shù)（包括激光功率，焊接速度和光束焦點位置）對焊接微觀結(jié)構(gòu)，焊縫輪廓和焊接質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，焊接頂部和底部寬度都隨著激光功率的增加和焊接速度的降低而增加。不完全焊透或窄根寬度是在低激光功率和高焊接速度下的主要問題，而咬邊是高激光功率的主要缺陷。不完全焊透是由熱輸入不足造成的，咬邊深度增加主要是由于過多的熱輸入增強(qiáng)了熔融材料從焊接接頭的側(cè)面到焊接中心的蒸發(fā)和排出，沿著焊縫的長度留下類似排水管的印痕。在非常快的焊接速度下，在底部表面觀察到飛濺。該缺陷隨著激光功率或焊接速度的增加而加強(qiáng)，但是并不影響焊接質(zhì)量。焊接形狀從較低激光功率的V形變?yōu)檩^高激光功率的沙漏形，這是由于傳輸?shù)讲牧蠠彷斎朐黾拥慕Y(jié)果。
2.2 熱影響區(qū)和熔池
Akbari M[17]等人進(jìn)行了激光焊接鈦合金（Ti6Al4V）的數(shù)值和實驗研究，模擬了溫度分布，熱影響區(qū)（HAZ），熔池的深度和寬度。研究發(fā)現(xiàn)，在恒定的焊接速度下，不同焊接速度的溫度歷史有相似的趨勢。降低焊接速度，溫度圖的峰值增加，并且其最大值出現(xiàn)在較長時間（圖2.3）。
圖2.3[17] （a）v=3 mm/s, （b）v=6 mm/s, （c）v=9 mm/s , （d）A點對應(yīng)的所有焊接速度
在每個焊接速度下，溫度分布在接近激光束中心處急劇減小，然后在離激光束中心的較遠(yuǎn)區(qū)域中略微減小。
隨著焊接速度的增加，溫度下降，并預(yù)測在較小的溫度下，熔池有較小的寬度。熔池的寬度隨焊接速度的增加而降低，且模擬結(jié)果與實驗一致。熔池的深度隨著焊接速度的增加而降低。在功率恒定的情況下，焊接速度的增加導(dǎo)致加熱時間過短，不足以產(chǎn)生顯著的熔池深度。在高焊接速度下，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致。由于在較低速度下，光束在匙孔內(nèi)多次反射，吸收率增加，模擬略微不同于實驗。熱影響區(qū)隨著焊接速度的增加而減小。
Yuewei Ai[18]等人用一種新穎的三維模型模擬了Ti6Al4V焊縫的形成過程并預(yù)測其在光纖激光匙孔焊接中的全尺寸，用數(shù)值模型定量計算整個焊道幾何形狀，包括寬度，加強(qiáng)和熔深。研究發(fā)現(xiàn)，模擬可以清楚地展示焊縫的形成和演變過程。模擬結(jié)果表明焊縫加強(qiáng)是由匙孔后面的反沖壓力、溫度梯度和浮力引起的流體流動形成的。計算的熔池寬度和深度以及預(yù)測的焊縫形狀都與實驗中的非常一致。實驗和模擬結(jié)果對比見圖2.4。
圖2.4[18]實驗和模擬結(jié)果對比
3 工藝參數(shù)對焊縫組織的影響
Akman[19]等人研究了焊接參數(shù)對Ti6Al4V微觀組織特征的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在熱影響區(qū)和焊接金屬中，晶粒尺寸隨著平均功率的增加而增大（圖3.1）。這是由于在較高平均功率下，熱輸入增加。
圖3.1[19] （a）474 W, 162.5 um；（b）543 W, 275 um；（c）555 W, 350 um
Squillace[14，20]等人研究了激光功率和焊接速度對Ti6Al4V組織的影響。研究表明，在冷卻過程中，熔融區(qū)的β樹枝晶沿?zé)崃鞣较蛏L。對于最大和最小的熱輸入，沒有從初生β晶粒產(chǎn)生α，而是全部的α'。這主要是由于板材比較薄，即使對于較低的熱輸入條件，也導(dǎo)致較快冷卻速率，其冷卻速率均高于410℃/ s的臨界冷卻速率，因而允許形成全馬氏體。其組織如圖3.2所示。
圖3.2[14] FZ的組織：（a）0.8kW，17mm / s,（b）1 kW，50mm / s, （c）是b中的馬氏體結(jié)構(gòu)
熱影響區(qū)的微觀組織由針狀馬氏體α'和原始α的混合物組成。其對應(yīng)于Ti-6Al-4V合金從低于β轉(zhuǎn)變溫度淬火的特征，其中獲得α到β的完全轉(zhuǎn)變（圖3.3）。最高冷卻速率發(fā)生在鄰近FZ的熱影響區(qū)，與FZ的距離不同，HAZ區(qū)達(dá)到不同的溫度，并且經(jīng)歷不同的冷卻速率。因此，在HAZ內(nèi)部，微觀組織從焊縫附近的富α'區(qū)域演變?yōu)榻咏畹蜏囟群屠鋮s速度的近BM區(qū)域的貧α'區(qū)。α'含量的梯度取決于引起該狹窄區(qū)域產(chǎn)生凝固梯度的溫度和冷卻速率梯度。
圖3.3[14] 1kW，50mm / s下的HAZ顯微組織。（a） HAZ的放大;箭頭指向從FZ相鄰的富含α'區(qū)域到BM附近的貧α'區(qū)域。（b）HAZ / BM界面（HAZ位于右側(cè)）的微觀組織。（c）b的放大。
4 工藝參數(shù)對力學(xué)性能的影響
Squillace[14]等人研究了焊接速度和激光功率對Ti–6Al–4V力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在激光功率恒定時，F(xiàn)Z區(qū)的平均硬度隨著焊接速度的增加而增加；隨著熱輸入的增加而降低。硬度梯度（FZ、BM與HAZ之間的硬度差寬度的比率）與熱輸入成反比。由于HAZ的微觀組織不均勻，數(shù)據(jù)非常散射。熱輸入越低，HAZ寬度數(shù)據(jù)越分散。
與基體相比，焊縫可以達(dá)到類似的拉伸性能（表4.1），但是FZ區(qū)中較硬的馬氏體嚴(yán)重影響了其塑性。
表4.1[14] 激光焊接Ti–6Al–4V的拉伸性能
Fan[20]等人使用三種不同類型的激光器，即Nd：YAG，二極管和光纖激光器進(jìn)行Ti–6Al–4V的焊接。研究表明Nd：YAG激光器加工后的焊接質(zhì)量高于用光纖激光器或二極管激光器產(chǎn)生的焊縫。三種焊接類型的硬度值非常相似。但是強(qiáng)度和塑性不同，這主要是受到不同類型孔的焊接缺陷的影響。三種焊接形式的力學(xué)性能如表4.2所示。
表4.2[20]三種焊接形式的力學(xué)性能
5 激光焊接鈦合金存在的問題
結(jié)合鈦合金的焊接性能以及目前的研究現(xiàn)狀，可知氣孔是鈦合金焊接時一個主要問題。
氣孔的形成主要是由以下幾點引起的：（1）局部蒸發(fā)引起保護(hù)氣的侵入；（2）合金元素的燒損；（3）激光焊接合金時，在冷卻過程中由于氫在合金中的溶解度急劇下降會形成氫氣孔。
另外，激光焊接屬于近快速凝固過程，快冷快熱使得焊接鈦合金時，形成內(nèi)部的殘余應(yīng)力。并且，鈦合金塑性比較好，因此在熔焊過程中易產(chǎn)生變形，特別是進(jìn)行5mm以下的薄板焊接時。
5.1 氣孔
Panwisawas C[21]等人用一個包含熱傳遞、流體流動和界面相互作用的，針對匙孔焊接的物理模型來模擬激光焊Ti-6Al-4V期間匙孔和氣孔的形成。該研究認(rèn)為，由于在合金中氫的含量比較低，因此，由氫誘導(dǎo)的氣孔非常小。這個CFD模型是用針對性的實驗和后續(xù)的決定氣孔缺陷存在，位置以及尺寸的氣孔缺陷的熔池區(qū)域的焊接分析來驗證的。研究發(fā)現(xiàn)，板厚會影響氣孔，板越厚，加工誘導(dǎo)的氣孔越多。這可能是因為當(dāng)熱源經(jīng)過時，任何已經(jīng)形成的或者封閉的蒸汽或者氣體會更進(jìn)一步穿過材料，從板面逸出。當(dāng)激光功率一定時，氣孔的數(shù)量隨焊接速度的增大而減少（圖5.1）。這是因為功率一定時，熱源前進(jìn)的速度越慢，熱量在材料局部消散的就越多，這將導(dǎo)致在熔融區(qū)域內(nèi)形成更復(fù)雜的流體流線系統(tǒng)，從而允許捕獲更多的氣孔。加工誘導(dǎo)的氣孔依賴于三種工藝參數(shù)，板厚，激光功率以及掃描速度。在厚板和高能量密度的條件下，孔出現(xiàn)的幾率更大。并且氣孔主要是球形的，沿焊接線分布，直徑為0.38 – 1.16 mm。
圖5.1[21]能量密度對氣孔的影響
該模型可以預(yù)測焊接表面的變形和孔的出現(xiàn)位置（圖5.2）。
圖5.2[21]模擬和實驗的對比
該研究認(rèn)為，孔形成的一個可能的機(jī)制就是加工誘導(dǎo)產(chǎn)生的。由于兩種金屬表面的粗糙或不整潔或任何的有氧或者氫的化學(xué)反應(yīng)，熱流體可以引起循環(huán)流動，并且在快速波動過程中通過捕獲匙孔界面的氣泡來平衡表面張力，因此就形成了氣孔。
Baohua Chang[22]等人針對Ti-6Al-4V的全熔透激光焊接開發(fā)了計算流體力學(xué)模型。并用基于對熔池中的匙孔行為和流體流動特性的預(yù)測來分析孔的形成機(jī)理。模擬結(jié)果表明，當(dāng)使用給定的激光束聚焦光學(xué)器件焊接3mm厚的鈦合金板時，在形成深熔透匙孔之前，匙孔深度振蕩，但是不能模擬預(yù)測之后的匙孔塌陷。對于較低功率，較低速度的焊接，匙孔后面的流體流動是湍流和不穩(wěn)定的，并且形成渦流。預(yù)測熔融金屬從熔池的中心面流走，并且在熔池中，匙孔的后面留下間隙或空隙。對于較高功率，較高速度的焊接，流體流動并不湍急，不形成這種渦流。模擬預(yù)測的工件表面處的流體流速如圖5.3。
圖5.3[22]工件表面處預(yù)測的流體流速（3.0kW，2.5m / min）
該研究認(rèn)為，匙孔激光焊接時，氣孔可能是匙孔后面流體湍流的結(jié)果，相關(guān)的雷諾數(shù)越大，氣孔形成的可能性就越高。對于這種流體流動控制的氣孔，降低匙孔附近流體流動的雷諾數(shù)，可以有效地減少或避免氣孔。
Jianglin L. Huang[23]等人研究了熔焊過程中，鈦及其合金中孔的形成機(jī)理。提出了氫擴(kuò)散控制的氣孔生長模型，以量化氫對鈦焊縫中氣孔的影響。研究表明，穩(wěn)定的小孔，窄的熔化前沿和較好的光束對準(zhǔn)可以最大程度減小鈦合金焊接過程中的氣孔。
5.2 殘余應(yīng)力和變形
Ahn[16]等人研究了2.0mm厚的鈦合金Ti-6Al-4V薄板，在光纖激光焊接期間，由于依賴時間和局部加熱引起的殘余應(yīng)力和變形。殘余應(yīng)力的分布如圖5.4所示。在遠(yuǎn)離焊縫的部分中，縱向應(yīng)力在具有弱壓縮應(yīng)力場的拉伸焊接區(qū)域及附近為最大。橫向和法向應(yīng)力在FZ處于最大值，并且具有拉伸性質(zhì)，在焊縫附近具有壓縮，遠(yuǎn)離焊縫的地方，幾乎沒有應(yīng)力。由于焊縫中心線對稱，所有三個主應(yīng)力都是對稱的。
圖5.4[16] 殘余應(yīng)力分布：（a）在所有三個主要方向上，在焊縫附近的整個寬度上，（b）橫向（11），縱向（22）和具有及不具有相變的法線方向
關(guān)于變形的模擬結(jié)果如圖5.5所示。平面失真關(guān)于焊縫中心線對稱，在焊接開始和結(jié)束位置處接近零，在樣品長度中間的外邊緣上最大。模擬角位移略大于來自CMM測量的實驗結(jié)果，而模擬的翹曲位移在靠近板的邊緣處較小，并且朝向中心較大。
圖5.5[16]模擬（a）翹曲，（b） 有和沒有相變的平面失真角度的大小
吉沐園等人[24]采用專用焊接夾具對焊件進(jìn)行夾緊定位，從而對激光焊接變形進(jìn)行控制，研究表明，通過使用夾具對整個工件進(jìn)行剛性約束和反變形約束,變形量明顯減小，與用殘余塑變理論計算出的值基本吻合，工件滿足焊接要求。通過對實例的分析，表明對于簡單構(gòu)件的激光焊接，殘余塑變理論可以用來預(yù)測變形，反變形法是控制焊接變形的有效方法。
湖南大學(xué)的劉西霞[25]等人提出了一種采用被液氮冷卻后的氬氣對焊接時激光熱源的后部進(jìn)行跟隨激冷，以實現(xiàn)焊接過程中變形主動控制的隨焊氣體動態(tài)冷卻方法，簡稱 SGCW。結(jié)果表明：SGCW 試件的翹曲變形與殘余等效應(yīng)力均比常規(guī)激光焊試件小，變形控制效果最好。
6 總結(jié)與展望
激光焊接Ti-6Al-4V過程中，氣孔出現(xiàn)位置隨機(jī)，但是通過以下途徑可以盡量減少氣孔：
a、用高純度（99.9%）的氬氣進(jìn)行焊接；b、焊前清洗；c、合適焊接規(guī)范（可以通過模擬來降低試驗成本）。
需要系統(tǒng)研究焊縫中氣孔的產(chǎn)生機(jī)理及氣孔類型，為有效地減小甚至消除氣孔提供理論依據(jù)。
在熔焊過程中，薄板的變形不可避免，但是在條件允許的情況下，可以通過合理的設(shè)計板厚或者控制熱輸入來減小甚至消除變形。
由于激光焊接具有能量密度大，焊接速度快，定位精準(zhǔn)，焊接熱影響區(qū)小，變形小，深寬比大，無夾雜等缺陷，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鈦合金的焊接中。在焊接過程中，激光功率、焊接速度、焦點位置、激光功率密度等工藝參數(shù)會影響熱影響區(qū)、熔池的寬度和深度，有時會產(chǎn)生咬邊等缺陷，進(jìn)而影響焊縫形貌。不同的工藝參數(shù)會形成不同的焊縫組織，盡而顯著影響力學(xué)性能。另外，激光焊接屬于近快速凝固過程，快冷快熱使得焊接鈦合金時，形成內(nèi)部的殘余應(yīng)力。并且，鈦合金塑性比較好，因此在熔焊過程中易產(chǎn)生變形，特別是進(jìn)行5mm以下的薄板焊接時。盡管激光焊接過程中也會產(chǎn)生氣孔和變形等缺陷，但是通過模擬計算，設(shè)置合理的工藝參數(shù)，可以減小甚至消除氣孔和變形。因此，激光焊接鈦合金在工業(yè)上具有較好的應(yīng)用前景。
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