全文摘要：
自問世以來，激光束焊接作為一種高質(zhì)量的熔接工藝，已成為一項成熟的、最先進的技術(shù)，在眾多行業(yè)中呈現(xiàn)出巨大的增長。本文對鈦合金與相應(yīng)的鋼、鋁、鎂、鎳、鈮、銅等異種材料的激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了綜述。特別強調(diào)了關(guān)鍵工藝參數(shù)對冶金特征、抗拉強度、硬度變化、伸長率和殘余應(yīng)力的影響。利用激光偏置、分束、焊接-釬焊、混合焊接等技術(shù)，通過引入單層或多個夾層、填料和預(yù)切槽等改進工藝，提高了異種激光的可焊性。對金屬間相的形成和分布現(xiàn)象、材料流動機制、它們與激光參數(shù)的關(guān)系以及它們對焊縫的微觀結(jié)構(gòu)、幾何和力學(xué)方面的影響進行了詳細和全面的研究。探討了與缺陷演變相關(guān)的關(guān)鍵問題和相應(yīng)的補救措施，并在主題表中總結(jié)了文獻中報告的斷裂特征的特征。
本文的目的在于強調(diào)學(xué)術(shù)界激光焊接鈦合金的優(yōu)點和發(fā)展趨勢，以更好地在工業(yè)中開發(fā)該工藝，從而更大程度地探索其應(yīng)用。
成果的Graphic Abstract
鈦是一種有光澤的過渡元素，是地殼中第9位豐富的元素，比重為5.54g/cm3，密度為4.506g/cm3。Ti是僅次于鋁(Al)、鐵(Fe)和鎂(Mg)的第四大最廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)使用的工程合金如不銹鋼(SS)、鎳(Ni)、鈷(Co)等相比，其重量較輕。此外，Ti與常用鋼一樣堅固，但密度要低得多，其高熔點(1670°C)使其可在高溫中應(yīng)用，而不會蠕變到550°C。例如，β-Ti合金的比強度為260kNm/kg，幾乎是不銹鋼304的4倍，是AA7075-T6的2.2倍，是InconelX-750的1.72倍。
除強度外，鈦合金是唯一一種在所有基本機械性能，包括剛度、疲勞壽命、強度、抗沖擊性、生物相容性和腐蝕性等方面均表現(xiàn)出色的合金。然而，由于鈦金屬本身的成本較高，提取過程較困難，因此它們的使用一直受到限制。隨著提取冶金技術(shù)的進步，世界市場上鈦的成本從2005年的21美元/公斤下降到2017年的4.5美元/公斤，并在2009年達到最低點(2.5美元/公斤)。鑒于鈦基材料的價格可觀，進一步探索這種金屬合金的潛力變得非常必要。
純Ti的微觀結(jié)構(gòu)為密排六方(HCP)的α相，一旦加熱到882°C以上，它就會發(fā)生同素異形相轉(zhuǎn)變?yōu)橛纱罅炕葡到y(tǒng)組成的延展性BCC(體心立方)β相。這為Ti提供了一個主要優(yōu)勢，因為Ti的性能高度依賴于熱處理，隨后會受到激光焊接過程中加熱和冷卻循環(huán)的影響。Ti的合金化可以提高材料的二次性能、熱機械加工、熱處理強化和微觀結(jié)構(gòu)變化等。Ti的合金化是基于合金元素穩(wěn)定初生α相或β相的能力，而初生α相和β相的穩(wěn)定性取決于原子半徑。例如，原子半徑在0.85-1.15范圍內(nèi)的Al的溶質(zhì)元素通過替換晶格中的一個體原子而擴散。而半徑小于0.59的原子占據(jù)較大的溶劑原子之間的間隙位置。添加穩(wěn)定元素以防止隨后的相變，增加或減少β轉(zhuǎn)移溫度范圍，并通過熱處理提高機械性能。α相被各種元素如Al、O、N、Ga等穩(wěn)定，而β相可以被Mo、V、W和Ta穩(wěn)定。因此，鈦合金可分為α合金、α+β合金、β合金和接近β合金。
Ti結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)需要采用涉及焊接和連接方法的工藝，這些方法通常通過基于焊接技術(shù)的熔合機制來完成。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)會產(chǎn)生更大的變形、更寬的熱影響區(qū)(HAZ)和與顯著殘余應(yīng)力共存的脆性微觀結(jié)構(gòu)。這些影響限制了這種傳統(tǒng)焊接方法的使用。另外一種更理想、經(jīng)過充分驗證且高效的焊接技術(shù)可促進具有卓越服務(wù)特性的高質(zhì)量焊縫的生產(chǎn)，這種焊接技術(shù)源自基于光子的制造技術(shù)，即激光焊接技術(shù)。激光焊接具有加工速度快、啟動和停止能力強、能量密度高、室溫和常壓可焊性好、工件易于操作、精度更高、污染最小、能源效率高、工藝靈活性好、熱影響區(qū)窄且隨后畸變更小等潛在優(yōu)點。這些特點使激光焊接成為迄今為止研究最多和目前應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)。
最近，與激光焊接和鈦基合金連接相關(guān)的出版物數(shù)量迅速增加。在科學(xué)引文索引擴展(SCIE)數(shù)據(jù)庫中以“titanium”“Ti”和“激光焊接”為關(guān)鍵詞搜索，可以發(fā)現(xiàn)494篇文獻，包括400篇期刊文章、114篇會議論文和2篇書籍章節(jié)，這些文獻都呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。在現(xiàn)有的494篇文獻中，自1999年后的20年里共455篇文獻被發(fā)表，如圖1所示。激光焊接的范圍不僅限于材料科學(xué)領(lǐng)域，因此可以根據(jù)科學(xué)數(shù)據(jù)庫中定義的類別對Ti基激光焊接的范圍進行分類。圖2列出了前15個主要類別的樹狀圖，表明除了材料科學(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，表明它們具有廣泛的適用性。
▲圖1 近年來發(fā)表的文獻數(shù)量不斷增加
▲圖2 基于科學(xué)分類的網(wǎng)絡(luò)出版物樹圖
在較早的文獻綜述中，有一些文章討論了激光焊接監(jiān)測、激光混合焊接或真空下的激光焊接，而有些則只關(guān)注汽車應(yīng)用的前景。其他則是一些特定的材料，如硝基醇和大塊金屬玻璃、銅和Mg、Al和Al-Li的輕金屬合金。就作者所知，對具有重要商業(yè)意義的鈦及其合金激光焊接的具體評論尚未涉及。隨著期刊文章發(fā)表的不斷增加，結(jié)合激光焊接鈦合金的顯微組織、相變和力學(xué)性能等特點，對激光焊接鈦合金的作用進行詳細的文獻綜述已成為必要。審查內(nèi)容包括相關(guān)的問題和困難，采取的補救措施以及未來科學(xué)家進行研究需要預(yù)見的差距。該論文還打算通過科學(xué)證據(jù)探索和突出當(dāng)前和潛在的應(yīng)用，以支持激光焊接用于更廣泛的工業(yè)應(yīng)用。
鈦及其合金的激光焊接采用相似材料和不同的材料組合進行。然而，為了縮小本文的研究范圍，對鈦合金類似焊接的有限課題進行了研究?？偟膩碚f，研究人員已經(jīng)努力研究和優(yōu)化工藝參數(shù)對不同類型Ti合金的影響。對檢查焊縫的小孔形成機制、孔隙發(fā)展、熱流和幾何特征至關(guān)重要的基礎(chǔ)研究已經(jīng)伴隨著實驗和模擬公式。同樣，為了提高接頭強度和抑制金屬間化合物(IMC)的形成，采用了不同的焊接技術(shù)，對不同的焊接研究進行了剖析。因此，研究人員專注于激光偏移、焊接釬焊和混合焊接技術(shù)等激光加工方法的替代改進，并通過使用填充材料或添加單個或多個夾層對材料系統(tǒng)進行了改變。此外，還研究了接頭類型、凹槽形狀和凹槽角度對接頭效率的影響。
以下各節(jié)系統(tǒng)地總結(jié)了用于評估機械性能的不同表征技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)以及鈦基激光焊接的一般應(yīng)用。同時，還對鈦及其異種對應(yīng)物的不同焊接方法進行了詳細回顧。
研究人員采用了不同的技術(shù)來表征鈦基焊接接頭的材料和力學(xué)方面。在完成實驗工作后，樣品被準(zhǔn)備用于微觀結(jié)構(gòu)檢查或進一步的機械測試。通過光學(xué)顯微鏡進行初步檢查以揭示微觀結(jié)構(gòu)，并使用特殊的色調(diào)過濾器來獲得基于顏色的顆粒圖。焊縫的幾何形狀和微觀結(jié)構(gòu)特征通過連接到能量色散X射線光譜儀的掃描電子顯微鏡進行評估，給出了一些原始的結(jié)果，這些結(jié)果提供了化學(xué)成分、元素和相組成的分析。
然而，為了詳細地觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)，包括所有特征、確定樣品的相和研究樣品的晶體取向，高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)是首選。HRTEM同樣需要將樣品切割成非常薄的切片，然后進行電拋光。X射線衍射(XRD)已被專門用于檢測熔合區(qū)(FZ)中存在的初級相和IMC相，以及焊接和斷裂表面的界面。此外，XRD還可以獲取焊接接頭的殘余應(yīng)力分布，而原位高能XRD研究還可以顯示焊接接頭的晶格參數(shù)，并且根據(jù)熱循環(huán)可以顯示堆疊衍射圖。通過相對可靠且很少使用的電子探針X射線微量分析儀(EPMA)，可以更容易識別熔池對流過程中的元素擴散和精確分布以及C、O和N等雜質(zhì)的存在。
電子背散射衍射(EBSD)是一種相對較新的應(yīng)用技術(shù)，通過逆極圖、晶界圖和獨特的粒色圖，顯示了晶粒尺寸、高角晶界、錯位方向和相對于熱流方向的生長方向。然而，EBSD的樣品制備需要嚴(yán)格的措施來拋光。為了檢索化學(xué)鍵形成數(shù)據(jù)和了解Ti基聚合物的接頭的鍵合機制，近年來X射線光電子能譜(XPS)已被廣泛利用。對于焊縫或斷裂表面，還沒有進行過原子力顯微鏡下的微納米級表面形貌測量。焊接過程中的現(xiàn)場溫度測量是使用紅外熱像儀和熱電偶進行的，因為這些信息對于評估一段時間內(nèi)的峰值溫度和冷卻速率至關(guān)重要。表面粗糙度以及接縫和表面輪廓的測量是由粗糙度測試儀進行的。物理特性和焊接完整性(包括裂紋和缺陷)通過染料滲透檢查和泄漏試驗進行測量。焊接接頭的機械特性極其重要，需要仔細檢查硬度、彈性模量、疲勞、拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)和斷裂強度以及殘余應(yīng)力等特性。為了獲得與晶粒尺寸有關(guān)的信息，已使用ImageJ等圖像處理程序通過線性截距法估計平均晶粒尺寸分布。
由于Ti在高溫下是敏感的和反應(yīng)性的，因此在開始焊接處理之前需要非常小心。在焊接過程開始時的表面處理可能是相應(yīng)焊縫幾何形狀、夾雜物和激光束吸收以產(chǎn)生小孔的決定性因素。通常，采用噴砂、化學(xué)清潔和研磨等處理方法，而已確定黑色油漆和石墨涂層會對強度產(chǎn)生影響。為了去除毛刺，在鑄造或冷加工后，可以使用奧氏體不銹鋼鋼絲刷。開始焊接操作前的激光清潔可以隨后改善表面特性并提高可焊性?；瘜W(xué)清洗能夠去除污染物和氧化物，并最終增強激光束的吸收。一些作者報道了在(HF:HNO3:H2O=1:4:5)的溶液中酸洗的方法，用37%的磷酸和丙酮沖洗，然后用超聲波清洗去除焊接前的表面氧化物。在烤箱中干燥以去除水分，這也可能會影響加工過程。
為了揭示微觀結(jié)構(gòu)，根據(jù)所調(diào)查的材料種類進行了金相處理。重量損失和動電位極化檢查可以幫助獲得有關(guān)焊縫在各種腐蝕環(huán)境中的耐腐蝕性能的有用知識。
2.3 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范
所進行的焊接和機械測試應(yīng)符合眾多既定和公認的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，焊接標(biāo)準(zhǔn)并不是專門為激光焊接而制定的，而是旨在涵蓋廣泛的熔焊技術(shù)。例如，美國焊接協(xié)會(AWS)標(biāo)準(zhǔn)AWSD17.1:2001已被用于Ti-6Al-4V的激光束焊接，盡管該標(biāo)準(zhǔn)適用于通用熔焊。同樣，歐洲標(biāo)準(zhǔn)BSEN4678:2011中包含的用于飛機應(yīng)用的金屬材料的激光束焊接特定標(biāo)準(zhǔn)符合Ti基焊接接頭的焊接標(biāo)準(zhǔn)。該研究工作已被指定用于需要極其嚴(yán)格的焊縫檢測標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的航空航天應(yīng)用。作者需要參考專門針對鈦合金實施的指南，同時解釋材料、填料、車間實踐、設(shè)備、工藝、缺陷修復(fù)等的使用，這些在AWS G24/G2.4 M:2007中有詳細描述。同樣，AWS還提供了Ti的結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范(D1.9/D1.9 M:2015和A5.16/A5.16 M:2013)，可用于以下研究實踐。
打磨和拋光焊接樣品以及隨后的圖像分析細節(jié)和規(guī)范可在本參考文獻中找到。關(guān)于評估焊接試樣的疲勞試驗增長率，作者遵循了ASTM E647標(biāo)準(zhǔn)。如果金屬的硬度值超過20HRC，使用洛氏硬度測試儀進行硬度評估需要ASTM-E18指南，用于特殊用途和有色合金材料。根據(jù)ASTM-E8M04和ASTM E3-13a規(guī)范，從焊接部分制備拉伸樣品并在室溫下進行測試。一些常用的標(biāo)準(zhǔn)是ASTM e3-11(金相試樣制備)、ASTM E384-11e1(顯微硬度測量)、ASTM G1(腐蝕速率)、ISO 10271(電化學(xué)測試)、ISO 17642-3:2005(E)(破壞性焊接測試)、HRN EN ISO 14 175:2008(保護氣體)、B4.0(焊接機械測試、EN 10002-1(拉伸測試)、ASTM E23(V型缺口沖擊實驗)和ASTM E647(疲勞裂紋擴展速率)。
與鈦合金激光焊接相關(guān)的主要應(yīng)用(圖3)包括生物醫(yī)學(xué)設(shè)備制造、整形外科和假肢植入、運動器材、航空航天結(jié)構(gòu)和發(fā)動機模塊以及關(guān)鍵的石油化工結(jié)構(gòu)等的制造。圖3(a)顯示了牙科框架典型部分的命名，圖3(b)顯示了通過激光焊接進行的框架修復(fù)。在圖3(c)中，將Ti棒與Ti種植體進行激光焊接，作為豬下頜的離體裂口，并拍攝熱像儀圖像以確定溫度分布。同樣，激光焊接技術(shù)也用于修復(fù)和制造正畸微型種植體。頭部經(jīng)過銑削以校正C型種植體的角度，如圖3(d)，用失蠟技術(shù)制作舌部的基臺(圖3(e))。此后，這些現(xiàn)成的C型種植體頭部零件隨后與基臺的定制舌側(cè)部分進行激光焊接，如圖3(f)所示。同樣，可摘局部義齒上的扣環(huán)的激光焊接如圖3(g)所示，激光焊接的牙科框架如圖3(h)所示。如圖3(i)所示，功能性電池驅(qū)動微刺激器(FEBPM)的釬焊外殼組件的孔眼到套圈的制造也需要激光焊接。除了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用外，由鈦和鈦合金制成的無縫管狀產(chǎn)品(圖3(j))的激光焊接在航空航天、海洋、化工、能源和運輸技術(shù)領(lǐng)域也越來越受到關(guān)注。圖3(k)顯示了作為激光束焊接不同聯(lián)合概念設(shè)計(AIRBUS)的乘客座椅軌道。
▲圖3 激光焊接在(a,b)牙科框架(c)鈦種植體(d、e和f)正畸微型種植體(g)可摘局部義齒(h)牙科框架(i)微刺激器(j)無縫管狀產(chǎn)品(k)乘客座椅軌道中的應(yīng)用。
由于更高的特異性強度、抗疲勞性和抗蠕變性、低彈性模量以及良好的生物相容性和出色的耐腐蝕性，這些應(yīng)用已被人們意識到。激光焊接用于制造由含鉑的Ti合金制成的厚壁管，以增強涉及熱交換器管道的應(yīng)用的耐腐蝕性。如Peter等人所提出的，發(fā)明涉及使用填充材料在熔池中獲得預(yù)先確定的成分，從而提高異種Ti-Fe金屬的可焊性。同樣，為了保持Ti-Ti合金的焊接強度，Kakimi等人提出了一種Ti(0-3 wt% Al)填充材料。同樣，William等人開發(fā)了基于金屬陶瓷的復(fù)合接頭。
鈦合金的激光束不同焊接在飛機發(fā)動機(燃氣輪機葉片、機艙中心梁框架和大艙壁)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中非常重要。飛機氣動系統(tǒng)使用焊接鈦接縫從發(fā)動機中排出熱空氣。在飛機機身制造中，由鈦合金制成的機翼隨后可以與鋁機身連接，從而表明不同焊接的應(yīng)用。Ti-3Al-2.5V焊接管由于其出色的冷成型性而廣泛用于燃料傳輸和液壓管線。
激光在制造業(yè)和生物材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢可以通過已經(jīng)申請或接受的專利來實現(xiàn)，這些專利用于制造各種設(shè)備和材料，例如微機電元件、支架、假肢關(guān)節(jié)、樹脂薄膜精密生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、植入物、生物傳感器、電池和其他醫(yī)療器械等。用于電池和心臟起搏器的薄鋁箔需要焊接到鈦上。
植入裝置的密封(如套圈)可以用激光進行，而不損壞電子封裝組件。類似地，由支架體和墊片組成的鈦基正畸制品通常是焊接的。髖關(guān)節(jié)植入物需要通過焊接連接多孔的網(wǎng)狀表面。隨著近年來基于光子材料加工技術(shù)的進步，它的未來也被設(shè)想用于更多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，這一點是十分重要的。例如，激光焊接可用于鎳鈦腔內(nèi)假體裝置的支架的遠端和近端支柱的連接端。早在1982年就報道了用鈦基材料焊接透明含硅材料(Corning GlassTm)的焊接布置系統(tǒng)。還制造了需要金屬件位于冠部構(gòu)件的外表面上的運動設(shè)備，例如高爾夫球桿。
激光焊接允許使用范圍廣泛的參數(shù)來精確控制熱輸入，這是以前無法實現(xiàn)的。例如，與其他傳統(tǒng)熔融焊接技術(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)力和過程的可重復(fù)性使其適用于需要自動化的行業(yè)。焊縫的形成和質(zhì)量受工藝參數(shù)的影響很大，脈沖激光參數(shù)的影響更大。例如，在不同材料的焊接中，由于熱性質(zhì)的差異，F(xiàn)Z中的熔池尺寸是不對稱的。對于熱導(dǎo)性相對較小的材料而言，熔池往往更大。除了熱物理特性外，材料在入射激光束波長下的吸收特性會影響工藝效率、小孔穩(wěn)定性、穿透深度，并可能導(dǎo)致缺陷的形成。圖4比較了室溫下各種金屬材料的能量吸收率，表明Ti具有相當(dāng)好的吸收特性。然而，一些金屬的吸收率在達到熔化溫度時會增加，它們的參考值在Xie等人的早期工作中有所說明。因此焊接特性變得依賴于材料的熱物理特性。一些需要考慮的重要參數(shù)可以進行相應(yīng)的分類：
1-激光相關(guān)：有源介質(zhì)、脈沖或連續(xù)光束、脈沖持續(xù)時間、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)：熱物理特性、合金成分、熱處理、幾何尺寸、微觀結(jié)構(gòu)和接頭結(jié)構(gòu)。
3-保護氣體：氣體流量、成分、結(jié)構(gòu)和入射角。
4-填充材料：成分、幾何尺寸和熱物理特性。
▲圖4 室溫下不同金屬材料在Nd:YAG激光(1064nm)相互作用下的吸收率。
不同材料的電導(dǎo)率差異直接影響焊縫的對稱性、成分和不對稱熱傳輸。先前的一項研究掃描了正常接收到的鈦板滾動方向的激光束。要連接的材料和接頭配置以及端部形狀之間的間隙是可以推導(dǎo)出焊接熔池幾何形狀的參數(shù)。激光焊接操作完全是一個復(fù)雜的參數(shù)云，因此可以推導(dǎo)出熔池的形狀和特性，從而演化出焊接區(qū)域。
激光焊接可以在連續(xù)波(CW)模式或脈沖波(PW)模式下進行。PW模式提供了更好的控制、更平滑的接縫特性，同時產(chǎn)生更深的滲透。這是因為在CW模式下，可以控制的掃描速度、激光功率和間隔距離等參數(shù)數(shù)量較少。然而在PW模式下，除了掃描速度和焦距之外，還可以控制更多的參數(shù)，如脈沖功率、脈沖持續(xù)時間、脈沖形狀、脈沖重復(fù)率。通過控制更多的參數(shù)，PW激光焊接具有熱輸入低、焊接周期更短、能量輸入位置精度更高以及能夠連接小部件的優(yōu)點。
熔池特性、產(chǎn)生的相成分、焊縫的機械性能和失效模式都受到工藝中采用的脈沖分布的強烈影響。脈沖輸入已經(jīng)能夠有效地減少IMC的形成并提高不銹鋼(SS)/Ti基焊縫的均勻性。與矩形脈沖剖面相比，斜坡下降剖面?zhèn)鬏數(shù)哪芰枯^少，從而減少了對流液體流動，從而減小焊縫尺寸。較小的Marangoni流動導(dǎo)致兩相的混合程度較低，從而降低了最終影響斷裂模式的脆性IMC形成的可能性。穿透深度和熔池寬度也是脈沖寬度和峰值功率的函數(shù)，如在Ti-6Al-4V的焊縫中所示。
與PW接頭相比，Ti-2Al-1.5Mn的CW接頭在焊縫凹面邊緣的應(yīng)力集中系數(shù)更高。較低的脈沖能量會在Ti-6Al-4V中產(chǎn)生一個淺而窄的熔池，這個熔池相對于高脈沖能量焊縫更加平滑。脈沖重疊也是影響擊中點區(qū)域的脈沖組的一個因素。如脈沖能量、脈沖持續(xù)時間、脈沖重復(fù)率和行進速度等工藝參數(shù)的組合決定了重疊系數(shù)值。通過增加重疊、重新熔化和重新凝固，下一個脈沖的預(yù)熱區(qū)域會擴大。
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