王 培，葉源盛，黃春良

(西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)

鈦與異種材料激光焊接的研究進(jìn)展

王 培，葉源盛，黃春良

(西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)

介紹了鈦合金激光焊接的技術(shù)特點(diǎn)，綜述了異種鈦合金、鈦合金與鋼、鈦合金與鋁、鈦合金與非金屬材料的激光焊接研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)論述了激光器、激光焊接工藝參數(shù)及焊接方式等對(duì)焊接接頭組織及性能的影響。通過(guò)論述，認(rèn)為國(guó)內(nèi)鈦與異種材料的激光焊接水平與國(guó)外相比還存在一定差距。最后，給出鈦合金激光焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向：①深入基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光處理過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制；②尋求大功率激光焊接技術(shù)的突破與發(fā)展； ③開(kāi)發(fā)TIG-激光復(fù)合釬焊等技術(shù)，推進(jìn)激光焊接技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

鈦合金；激光焊接；金屬；非金屬

0 引 言

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,因其具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被應(yīng)用于包括航空航天在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。鈦及鈦合金雖然有許多性能優(yōu)勢(shì)，但材料本身價(jià)格偏高，限制了其更廣泛的應(yīng)用。鈦與鋼、鋁等其他金屬的配合使用可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和制造工藝，降低成本[1]，其研究和應(yīng)用已經(jīng)從航空航天領(lǐng)域延伸到汽車(chē)、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域，如衛(wèi)星燃料噴注器及姿態(tài)推動(dòng)控制系統(tǒng)中的部件、反應(yīng)塔及醫(yī)療設(shè)備零件等[2]。這種鈦與異種材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)在工業(yè)中的應(yīng)用涉及到二者的焊接問(wèn)題。

激光焊接研究始于20世紀(jì)60年代，從當(dāng)初薄小器件的焊接到目前大型構(gòu)件的激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用，經(jīng)歷了50多年的發(fā)展。西方發(fā)達(dá)國(guó)家近年來(lái)在積極研究將激光器安裝在焊接機(jī)器人上進(jìn)行焊接，大大提高了焊接質(zhì)量和適用范圍，在船板、汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)中激光焊接具有越來(lái)越重要的地位。

由于異種材料之間的物理和化學(xué)性能差異較大，焊接時(shí)存在較大困難。針對(duì)鈦合金與異種材料組合構(gòu)件的激光焊接，國(guó)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作，在相關(guān)研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定成果，特別是德國(guó)已經(jīng)初步掌握了鈦與異種金屬的激光焊接方式和技巧。在國(guó)內(nèi)，不少學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究，尤其是鞏水利課題組[3]對(duì)鈦合金的CO2激光焊接研究，突破了鈦合金激光焊接中填絲精度控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制了雙光束激光填絲復(fù)合焊接裝置，建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)大功率雙光束激光填絲焊接平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了大型薄壁結(jié)構(gòu)T型接頭雙光束雙側(cè)同步焊接，并首次成功應(yīng)用于航空帶筋壁板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的焊接制造中，在我國(guó)新型飛機(jī)研制中發(fā)揮了重要作用。本文主要從鈦合金激光焊接的特點(diǎn)及鈦合金與異種材料的焊接研究現(xiàn)狀兩方面進(jìn)行論述，總結(jié)鈦合金激光焊接過(guò)程中激光器、工藝參數(shù)及焊接方式等對(duì)焊接效果的影響，期待進(jìn)一步推進(jìn)鈦合金激光焊接的應(yīng)用。

1 鈦合金激光焊接工藝及特點(diǎn)

鈦合金的焊接方法主要有摩擦焊、激光焊、電子束焊、氬弧焊、等離子弧焊及擴(kuò)散焊等[4-5]。其中，氬弧焊和等離子弧焊是鈦合金常用的兩種焊接方式，但都需填充焊接材料，且受保護(hù)氣氛等的限制，接頭處晶粒粗大，氧含量高，強(qiáng)度低且焊后材料產(chǎn)生較大的形變，需要對(duì)接頭處進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，導(dǎo)致焊接工序多、生產(chǎn)效率低。激光焊接可較好地實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的精密焊接，具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、焊深波動(dòng)小、表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。而且鈦合金激光焊接具有生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)，非常適用于大規(guī)模生產(chǎn)和柔性制造，因此近年來(lái)正成為鈦合金材料焊接的重要手段。但是與傳統(tǒng)的焊接方式相比，鈦合金激光焊接還存在著設(shè)備昂貴(高精度氣氛保護(hù)裝置)、投資大、技術(shù)要求高的問(wèn)題，使得鈦合金激光焊接在我國(guó)工業(yè)中的應(yīng)用還較少。

1.1 激光焊接的常規(guī)模式

從激光焊接的焊縫形成特點(diǎn)來(lái)看，其主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是激光深熔焊，主要是通過(guò)將大功率激光束直接投射到材料表面，利用光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使得材料在持續(xù)照射下熔化，形成焊接接頭；另一類(lèi)是熱傳導(dǎo)焊接，與激光深熔焊的主要差異在于材料表層的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式繼續(xù)向材料內(nèi)部傳送，最終實(shí)現(xiàn)焊接材料合二為一。圖1為兩種不同類(lèi)型的激光焊接的示意圖。

圖1 不同類(lèi)型激光焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of different laser welding types

激光深熔焊與激光熱導(dǎo)焊的根本區(qū)別在于：前者能完全熔透材料，使材料汽化，形成大量等離子體，具有輸入能量大、焊接速度快的特點(diǎn)；而后者熔池較淺，輸入能量相對(duì)較小，焊接速度慢。二者在同一焊接過(guò)程中可以相互轉(zhuǎn)換[6]，但在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)渡區(qū)間，導(dǎo)致焊接效果不良，因此鈦合金激光焊接應(yīng)盡量縮小或避開(kāi)過(guò)渡區(qū)間[7]。

1.2 鈦合金激光焊接的技術(shù)特點(diǎn)

鈦合金焊件的前處理對(duì)焊接質(zhì)量影響顯著。處理時(shí)，不僅要清除表面油污、氧化膜等，還必須將富氣層除掉，以防止不潔物質(zhì)對(duì)焊接接頭造成污染。由于鈦合金材料具有高溫下易氧化的特點(diǎn)，在大氣下進(jìn)行激光焊接時(shí)，會(huì)與空氣中的氧氣、氮?dú)夥磻?yīng)生成間隙固溶體，導(dǎo)致焊接部位脆性大，因此鈦合金激光焊接通常要對(duì)焊縫高溫區(qū)進(jìn)行惰性氣體保護(hù)。保護(hù)裝置分為密閉式和開(kāi)放式兩種，密閉式保護(hù)成本高，工件尺寸也受到很大限制，開(kāi)放式(用噴嘴、托罩及背面保護(hù)墊板組成)保護(hù)氣體為純氬氣，相對(duì)經(jīng)濟(jì)，適合推廣使用[8]。

鈦合金激光焊接接頭處的外觀質(zhì)量和力學(xué)性能由激光功率、焊接速度、離焦量、激光器的類(lèi)型(激光波長(zhǎng)、激光輸出光斑直徑、激光光束品質(zhì)等)、焊接夾具、保護(hù)氣體設(shè)置及坡口形式等決定。通過(guò)鈦合金焊接區(qū)域的表面顏色可以判斷焊接接頭被污染的程度，保護(hù)良好的情況下為光亮銀白色，其污染程度從重到輕顏色依次為灰色、深藍(lán)色、紫色、深黃色、淡黃色[9]。

鈦合金的焊接性能與其合金類(lèi)型密切相關(guān)。β鈦合金不宜作為焊接對(duì)象[10]，原因是焊縫處通常會(huì)形成亞穩(wěn)定的β相，缺乏延展性，焊后一般需要采用冷加工或時(shí)效處理等方法來(lái)提高整體強(qiáng)度，工藝復(fù)雜。α鈦合金激光焊接時(shí)由于冷卻速度不同，生成的顯微組織也呈多種形態(tài)，如針狀、鋸齒狀等，但是無(wú)論何種組織，其機(jī)械性能和鈦合金基體的區(qū)別甚小，因此焊接性能良好。但當(dāng)α鈦合金受熱溫度達(dá)到了α/β的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，晶粒會(huì)緩慢長(zhǎng)大，導(dǎo)致α鈦合金焊接接頭的強(qiáng)度和韌性隨著晶粒的長(zhǎng)大而逐漸降低，因此，激光焊接過(guò)程中需要控制好熔池溫度。而α+β鈦合金在焊接過(guò)程中會(huì)生成α′馬氏體相，一般來(lái)說(shuō)，α′相增加會(huì)導(dǎo)致焊接接頭延展性和韌性的下降，故α+β鈦合金的焊接性能較差。

2 鈦合金與金屬的激光焊接

2.1 異種鈦合金的激光焊接

我國(guó)在異種鈦合金的激光焊接方面進(jìn)行了大量工作。閔國(guó)慶[11]采用激光對(duì)TC4/BT22異種鈦合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了3.0～6.0mm變厚度TC4/BT22異種鈦合金的可靠焊接。受溫度梯度的影響，激光焊縫處生成的粗大柱狀晶組織由對(duì)焊鈦合金兩邊向中心快速生長(zhǎng)，柱狀晶粒內(nèi)部是由細(xì)小針狀馬氏體錯(cuò)亂交織而成的網(wǎng)籃狀組織，焊縫兩側(cè)組織差異明顯，BT22側(cè)晶粒細(xì)小，TC4側(cè)晶粒粗大[11]。用激光焊接2.5mm厚的Ti-22A1-27Nb/TC4異種鈦合金，在合理的工藝參數(shù)下可得到表面成形良好、內(nèi)部無(wú)氣孔裂紋的激光焊接接頭，其平均拉伸強(qiáng)度可達(dá)l043MPa，基本與Ti-22A1-27Nb合金母材強(qiáng)度相當(dāng)，焊接接頭的平均延伸率為5.65%，達(dá)到母材的49%[12]。雷正龍等[13]研究Ti2AlNb/TC4合金焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)，激光束偏向Ti-22Al-27Nb側(cè)對(duì)焊縫中氣孔缺陷的產(chǎn)生有明顯的抑制作用，即通過(guò)激光光束偏移可以解決焊縫容易產(chǎn)生氣孔的問(wèn)題。P.S.Liu等[14]采用CO2激光器對(duì)Ti-6Al-4V和BetaC異種鈦合金進(jìn)行激光焊接，發(fā)現(xiàn)調(diào)整激光束偏置量(即激光束偏離拼縫中心的垂直距離)，會(huì)導(dǎo)致焊縫接頭處形成的微觀組織和力學(xué)性能有較大不同。Z.Li[15]采用了CO2和YAG兩種激光焊接設(shè)備對(duì)Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo兩種鈦合金材料進(jìn)行焊接，當(dāng)采用脈沖Nb:YAG激光器時(shí)，調(diào)大離焦量可以消除咬邊問(wèn)題，極大提高了工件的抗疲勞性能；當(dāng)采用CO2激光器時(shí)，采用同步填絲焊技術(shù)可以使焊接接頭處的性能得到明顯改善。西安交通大學(xué)何小東等人[16]研究發(fā)現(xiàn)，采用激光焊接的鈦合金焊接板熱影響區(qū)小，其殘余應(yīng)力分布規(guī)律和普通熔焊基本一致。與TIG焊接方法相比，激光焊的殘余應(yīng)力值大約低100MPa，且分布區(qū)域較窄。

異種鈦合金的激光焊接構(gòu)件具有廣闊的應(yīng)用前景，空中客車(chē)A318上已經(jīng)成功應(yīng)用了CO2激光器焊接的Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金結(jié)構(gòu)件[17]。Boeing公司將激光焊接用于鈦合金超塑成形多層板結(jié)構(gòu)制造，解決了在筋板成形處產(chǎn)生局部超薄缺陷的問(wèn)題[18]。

2.2 鈦合金與鋼的激光焊接

鈦與鋼的連接應(yīng)用廣泛，其中最為典型的是在化工行業(yè)中用于制造高溫、高壓及強(qiáng)腐蝕等特殊工況的化工設(shè)備，如濃縮塔、反應(yīng)釜、換熱器和氧化反應(yīng)冷凝器等。在艦船上，也需要用到鈦與鋼焊接結(jié)構(gòu)，既能滿(mǎn)足腐蝕環(huán)境要求，又能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，發(fā)揮不同材料的使用特性。然而，鐵在鈦中溶解度極低，焊接過(guò)程中極易生成TiFe、TiFe2等脆性金屬間化合物，導(dǎo)致接頭處金屬材料的塑性嚴(yán)重下降，在使用中出現(xiàn)疲勞斷裂。

浙江大學(xué)單磊[19]建立的TC4鈦合金和鋼溫度場(chǎng)數(shù)值模擬模型，可對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，獲取合適的工藝參數(shù)范圍，優(yōu)化工藝過(guò)程，改變傳統(tǒng)的通過(guò)試驗(yàn)方法來(lái)確定最佳工藝的研究過(guò)程。通過(guò)對(duì)激光溫度場(chǎng)的模擬，發(fā)現(xiàn)在滿(mǎn)足熔透的條件下，提高激光焊接速度及降低激光功率，可有效抑制金屬間化合物的生成，獲得高質(zhì)量的焊接接頭。其次，減少熱量輸入量，可以降低殘余熱應(yīng)力，抑制裂紋等缺陷的產(chǎn)生，提高焊接接頭的塑性和強(qiáng)度。鈦合金與不銹鋼的熱膨脹系數(shù)相差較大，焊接難度很大。Hiraga等人[20]采用YAG激光設(shè)備焊接鈦合金和不銹鋼管，發(fā)現(xiàn)只有鈦管位于搭接接頭內(nèi)部時(shí)，才能保證焊接的管接頭結(jié)合緊密，無(wú)泄漏現(xiàn)象出現(xiàn)。S.H.Chen等人[21]研究了激光光束偏置對(duì)鈦合金和不銹鋼焊縫的微觀組織及斷裂行為的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光光束偏向鈦合金一側(cè)時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度比偏向不銹鋼一側(cè)時(shí)高，其接頭處的金屬間化合物沿界面均勻分為兩層，一層是FeTi+α鈦，另一層是FeTi + Fe2Ti + Ti5Fe17Cr5?？傊伵c鋼的激光焊接難度較大，合適的工藝參數(shù)范圍較窄，工藝穩(wěn)定性差，使得其推廣應(yīng)用存在一定的困難。

2.3 鈦合金與鋁的激光焊接

鋁合金密度小，價(jià)格相對(duì)較低，鈦與鋁的復(fù)合可減重、降低成本并實(shí)現(xiàn)某些特殊功能。在航空航天方面，戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼采用了鈦合金蒙皮和鋁合金蜂窩的夾層結(jié)構(gòu)，飛機(jī)機(jī)艙的散熱片采用了3003鋁合金葉片與鈦合金管復(fù)合結(jié)構(gòu)?？罩锌蛙?chē)采用鈦板、鋁肋復(fù)合結(jié)構(gòu)連接飛機(jī)座位導(dǎo)軌，不但實(shí)現(xiàn)了減重和降低成本，還提高了抗腐蝕性能。在汽車(chē)行業(yè)，德國(guó)Titan公司開(kāi)發(fā)出來(lái)一種鈦-鋁排氣系統(tǒng)，和原系統(tǒng)相比不但減重40%，還可承受800 ℃的高溫。因此，將鋁合金和鈦合金組合起來(lái)使用已成為制造業(yè)的一種發(fā)展趨勢(shì)。

目前，鈦與鋁異種合金激光焊接方式主要有激光束直接作用在高熔點(diǎn)鈦上、作用在低熔點(diǎn)鋁上或者直接作用在填充材料上三種。B.Majumdar等人[22]最先用CO2激光器對(duì)鈦與鋁異種合金進(jìn)行了激光焊接，研究發(fā)現(xiàn)：在焊縫處會(huì)形成TiAl和Ti3Al兩種金屬間化合物，導(dǎo)致接頭脆性大，通過(guò)添加金屬元素鎳可以有效抑制裂紋的生成，細(xì)化晶粒并提高力學(xué)性能；在鈦合金和鋁合金之間預(yù)置薄Nb片，可以消除裂紋，但接頭強(qiáng)度不高。M.Kreimeyer等人[23]則將激光束直接作用在鈦合金上，通過(guò)調(diào)整激光束的作用偏置量及控制熱源的能量輸出，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭處金屬間化合物數(shù)量的控制。當(dāng)單位長(zhǎng)度的熱輸入量在30～40 kJ/m時(shí)，生成的金屬間化合物主要為Al3Ti、Al2Ti，接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為200 MPa左右。但由于所焊鈦合金板材的厚度較薄，工藝參數(shù)調(diào)整范圍有限，實(shí)際應(yīng)用中適用性較差。華中科技大學(xué)尼軍杰[24]采用搭接接頭，鋁板位于鈦合金板的下部的方式對(duì)1.5 mm厚鈦合金板與1.0 mm厚鋁板進(jìn)行激光焊接(光斑直徑為0.3 mm、離焦量為0的激光束)，改變激光功率與焊速等工藝參數(shù)進(jìn)行多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熔池中金屬液體流動(dòng)阻力大，鋁富集在焊縫底部并生成金屬間化合物，導(dǎo)致焊接效果不良。Wagner等人[25]采用Nd:YAG激光器對(duì)鈦與鋁異種合金進(jìn)行激光焊接，通過(guò)外部施加壓力的方法固定兩種合金的薄板，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，當(dāng)激光束作用在鈦合金一側(cè)時(shí)，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式可以使低熔點(diǎn)的鋁合金熔化，液態(tài)的鋁合金會(huì)浸潤(rùn)和鋪展在鈦合金表面，達(dá)到焊接的效果。這種方法避免了鋁、鈦同時(shí)熔化時(shí)形成大量金屬間化合物的弊端。北京工業(yè)大學(xué)蘭天[26]采用3.5 kW CO2激光器，對(duì)3 mm厚6061鋁合金和TC4鈦合金進(jìn)行激光深熔釬焊，激光束作用在低熔點(diǎn)鋁合金一側(cè)，鈦合金基本維持固態(tài)，鋁合金受熱熔化形成熔池，浸潤(rùn)鋪展在鈦合金上形成釬焊接頭。通過(guò)改變焊接速度、偏焦量、離焦量以及偏轉(zhuǎn)角度等工藝參數(shù)，得到的接頭最高強(qiáng)度為217 MPa，這種方法與以往的方法相比優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)鋁-鈦中厚板的焊接。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳樹(shù)海[27]通過(guò)對(duì)5056鋁合金板和1.5 mm厚TC4鈦合金材板進(jìn)行V坡口處理，采用離焦CO2激光束，實(shí)現(xiàn)了鈦與鋁合金的激光釬焊連接，獲得良好的雙面成形的焊縫接頭，其平均抗拉強(qiáng)度278 MPa，最高達(dá)到290 MPa以上。通過(guò)特殊工藝，可以實(shí)現(xiàn)鈦與鋁異種材料的激光焊接，這種復(fù)合材料具有良好的抗腐蝕性、高強(qiáng)度和高抗熱荷載能力，工業(yè)應(yīng)用前景廣闊。

3 鈦合金與非金屬的激光焊接

3.1 鈦合金與陶瓷的激光焊接

鈦與陶瓷焊接難度大，基礎(chǔ)研究較少。天津大學(xué)孟建芳[28]對(duì)Si3N4陶瓷和TC4鈦合金激光焊接的可行性進(jìn)行了研究，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)(包括激光功率、掃描速度等)，發(fā)現(xiàn)二者的結(jié)合強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。針對(duì)上述問(wèn)題，采用添加線(xiàn)膨脹系數(shù)介于金屬和陶瓷之間的銀-銅-鈦中間層進(jìn)行連接，試樣重疊擺放，激光束直接作用在最上面的TC4鈦合金上，中間層熱擴(kuò)散后能夠浸潤(rùn)Si3N4陶瓷的表面，使得鈦合金與陶瓷連接。但是，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲波震動(dòng)即可讓其分離，歸因于陶瓷不具備激光焊接特性(熔點(diǎn)高且易分解)。以目前的實(shí)驗(yàn)條件，鈦合金與陶瓷的激光焊接難以有實(shí)用價(jià)值，還需要后續(xù)更深入的研究。

3.2 鈦合金與工程塑料的激光焊接

生物高分子材料(PET工程塑料)不僅具有良好的生物相容性，而且易加工成各種形狀，與強(qiáng)度較高的醫(yī)用鈦材進(jìn)行連接，必將獲得更好的應(yīng)用價(jià)值。最早，Gower等人采用脈沖激光器對(duì)金屬和高分子異種材料進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中高分子材料熔化會(huì)形成氣泡，氣泡有利于兩種材料的界面結(jié)合[29]。Georgiev[30]和Sultana[31]等人采用激光對(duì)金屬鈦和高分子材料進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)界面處不是簡(jiǎn)單的物理結(jié)合，而是在兩種材料的界面處形成了新的化合物，有利于增大焊縫的抗剪力。Main等人研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)降低激光功率和掃描速度，可以提高焊接接頭處的抗剪強(qiáng)度，并將金屬鈦與高分子材料的激光連接技術(shù)用于醫(yī)療產(chǎn)品中[29]。陳玉嬌[29]用脈沖Nd:YAG激光光纖焊接機(jī)對(duì)醫(yī)用純鈦薄片和生物高分子材料PET薄板進(jìn)行連接，試驗(yàn)采用平板搭接焊的單次焊接方式，焊接件采用專(zhuān)用夾具進(jìn)行夾持(如圖2所示)，焊接過(guò)程中下部的PET板對(duì)激光能量的吸收可實(shí)現(xiàn)二者之間的有效連接。該方法得到的焊縫平均抗剪力達(dá)到248 N，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖2 鈦板與PET板激光焊接示意圖Fig.2 Schematic diagram of titanium plate and PET plate laser welding

Seiji Katayama教授[32]帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出激光直接焊接鈦合金等金屬和工程塑料的技術(shù)，采用連續(xù)波Nd:YAG激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器或碟片激光器等，激光束從搭接接頭的塑料面或金屬面對(duì)金屬進(jìn)行加熱，熔化接合點(diǎn)分界面附近的塑料來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接。如果塑料薄片的透明度超過(guò)60%，就可以讓激光束作用在塑料上面(如圖3a所示)，透射的激光束被金屬表面吸收，轉(zhuǎn)化為熱量，從金屬傳導(dǎo)來(lái)的熱量將接合點(diǎn)附近的塑料熔化并產(chǎn)生氣泡。而圖3b中描述的流程適用于任何塑料，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)、高激光吸收率的碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)等。如果金屬平板較厚，需要制作一條部分熔透的焊縫，用來(lái)加熱接合點(diǎn)界面附近的塑料。Katayama等人[32-33]研究結(jié)果表明，金屬與塑料的激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的小氣泡，能給熔化的塑料帶來(lái)高壓，擴(kuò)散后可以使塑料與金屬之間形成結(jié)合良好的焊縫(如圖4所示)，此外熔化的塑料接近金屬表面，進(jìn)入坡口或晶界凹面，引起機(jī)械咬合效應(yīng)，使得焊縫強(qiáng)度提高。

圖3 金屬與塑料的兩種激光焊接方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of two types of laser welding of metal and plastic

圖4 金屬與塑料的激光結(jié)合機(jī)制示意圖Fig.4 Schematic diagram of laser bonding mechanism of metal and plastic

4 結(jié) 語(yǔ)

激光焊接具有低耗、高效、熱影響區(qū)窄、接頭變形小等優(yōu)點(diǎn)，成為鈦與異種材料焊接的有效方法。隨著各類(lèi)激光發(fā)生器向大功率化、輕便化、自動(dòng)化和經(jīng)濟(jì)化的發(fā)展，使得激光焊接既可以進(jìn)行大型構(gòu)件的深熔焊，又可以進(jìn)行微形精密焊接，因此其應(yīng)用前景十分廣闊。

鈦合金與異種材料的激光焊接在技術(shù)層面上已經(jīng)向非金屬拓展，尤其是與工程塑料等，并且在這些方面的焊接技術(shù)上取得了重要進(jìn)步。國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)針對(duì)現(xiàn)有的鈦合金與異種材料在激光焊接上存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究，取得了一定成果，但與國(guó)外相比仍存在差距。今后鈦合金激光焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向是：①深入基礎(chǔ)研究，對(duì)激光焊接的熔池的形狀、流動(dòng)性、溫度場(chǎng)分布等一系列參數(shù)進(jìn)行模擬，深入分析凝固過(guò)程中氣孔、裂紋、有害相等缺陷的形成機(jī)理及控制研究，并從工藝角度和產(chǎn)品穩(wěn)定性出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光處理過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制；②除了進(jìn)一步研發(fā)新的激光焊接設(shè)備外，也要不斷尋求大功率激光焊接技術(shù)的突破與發(fā)展，致力于向焊接過(guò)程自動(dòng)化、智能化、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好、節(jié)能環(huán)保等方向發(fā)展；③目前國(guó)內(nèi)的激光焊接技術(shù)研究還集中在激光釬焊等領(lǐng)域，對(duì)于TIG-激光復(fù)合釬焊等方面的研究較少，相信在不久的將來(lái)，在掌握了異種金屬焊技巧和方式的基礎(chǔ)上，會(huì)大力推進(jìn)激光焊接技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

[1] 許天才, 彭曉東, 姜軍偉,等.鈦合金連接異種材料新技術(shù)的研究應(yīng)用[J]. 稀有金屬, 2014, 4(38):711-719.

[2] 李保永, 劉洋, 汪永陽(yáng), 等. 鈦合金激光焊接/超塑成形技術(shù)研究[J]. 超塑成形/連接技術(shù), 2013(16):65-68.

[3] 金卯.激情創(chuàng)新引領(lǐng)前沿——記中航工業(yè)制造所鞏水利副總工程師榮獲2013年布魯克獎(jiǎng)?wù)耓J]. 航空制造技術(shù), 2013(16): 42-43.

[4] 王中林.鈦合金激光焊接工藝分析[J].新技術(shù)新工藝, 2012(7):83-85.

[5] 花建軍.鈦合金激光焊接技術(shù)的探究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2013(29):45.

[6] 王京淳.激光焊接技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 激光技術(shù), 2000, 1(25):48-54.

[7] 楊家林,郭鵬.鈦合金材料激光焊接試驗(yàn)[J].新技術(shù)新工藝,2003(6):29-31.

[8] 田錦, 劉金合.鈦合金激光焊接接頭質(zhì)量控制工藝的研究現(xiàn)狀[J]. 熱加工工藝, 2008, 7(37):93-98.

[9] Torster F， dos Santos J F． Frachure behaviour of laser beam welded titanium alloys[C]//Mordike, B L.European Conference on Laser treatment of Materials.Frankfurt: Werkstoff Informations Gesellschaft,1998：339-344．

[10] 王煥琴. 鈦及鈦合金焊接接頭的組織、性能和斷裂特性[J]. 焊接, 2001(11):27-29.

[11] 閔國(guó)慶. 變厚度TC4/BT22 異種鈦合金光纖激光焊接工藝研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué),2012.

[12] 董智軍, 胡明華, 羅志強(qiáng). Ti-22Al-27Nb/TC4異種合金激光焊接組織性能研究[J].航空制造技術(shù), 2015(3):71-81.

[13] 雷正龍, 劉鳴, 張可召, 等.光束偏移對(duì)Ti2AlNb/TC4 異種鈦合金激光焊接特性的影響[J]. 中國(guó)激光, 2015(12):116-122.

[14] Liu P S, Baeslack III W A, Hurley J. Dissimilar alloy laser beam welding of titanium:Ti-6Al-4V to beta-C[J].Welding Journal,1994, 73(7):175-181.

[15] Li Z, Gobbi S L.Laser welding for lightweight structures[J]. Journal of Materials Processing Technology,1997,70(1):137-144.

[16] 何小東, 張建勛, 裴怡, 等. 航空用鈦合金激光焊和TIG 焊殘余應(yīng)力測(cè)試[J]. 焊接, 2003(10):26-29.

[17] Li Z, Gobbi S L. Laser welding for lightweight structures[J]. Journal of Materials Processing Technology，1997，70(1)：137-144.

[18] Will J D,Kistner M G,Cotton J D.Characterization of laser-welded Ti-62222s/Ti-64 superplastically-formed panels[J]. Superplasticity and Superplastic Forming, 1998(2):321-330.

[19] 單磊.TC4鈦合金-鋼復(fù)合激光焊接工藝研究[D]. 杭州：浙江大學(xué),2006.

[20] Hiraga H, Fukatsu K, Ogawa K,et al. Nd:YAG laser welding of pure titanium to stainless steel[J]. Quarterly Journal of the Japan Welding Society, 2001, 19(11):717-726.

[21] Chen S H, Zhang M X, Huang J.H,et al.Microstructures and mechanical property of laser butt welding of titanium alloy to stainless steel[J]. Materials & Design,2014,53:504-511.

[22] Majumdar B, Galun R, Mordike B L.Formation of a crack-free joint between Ti alloy and Al alloy by using a high-power CO2laser[J]. Journal of Materials Science, 1997,32(12):6191-6200.

[23] Kreimeyer M,Wagner F, Vollertsen F.Laser processing of aluminum titanium tailored blanks[J].Optics and Lasers in Engineering，2005,43(9):1021-1035.

[24] 尼軍杰.異種輕質(zhì)合金激光焊接工藝研究[M]. 武漢：華中科技大學(xué), 2007.

[25] Wagner F, Zerner I, Kreimeyer M，et al.Characterization and properties of dissimilar metal combinations of Fe/Al and Ti/Al-sheet materials[C]//Conference 20th ICALEO.Orlando:Laser Institute of America,2001:365-374.

[26] 蘭天. 鋁/鈦異種金屬激光焊接研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué),2009.

[27] 陳樹(shù)海. Ti/Al異種合金激光熔釬焊工藝與連接機(jī)理[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[28] 孟建芳. TC4鈦合金與Si3N4陶瓷釬焊連接和激光連接的研究[D]. 天津：天津大學(xué), 2013.

[29] 陳玉嬌. 醫(yī)用純Ti與生物高分子材料PET激光微連接實(shí)驗(yàn)與仿真研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué), 2013.

[30] Georgiev G L,Sultana T,Baird R J，et al. XPS study of laser fabricated titanium/KaptonFN interfaces[J]. Applied Surface Science, 2008(5):7173-7177.

[31] Sultana T, Georgiev G L, Auner G，et al.XPS analysis of laser transmission micro-joint between poly(vinylidene fluoride)and titanium[J]. Applied Surface Science,2008(8):2569-2573．

[32] Katayama S. Laser joining of metal and plastic[J]. Industrial Laser Solutions, 2010, 25 (6):15-17.

[33] Katayama S, Kawahito Y. Laser direct joining of metal and plastic[J]. Scripta Materialia, 2008(7):1247-1250.

The Research Progress of Laser Welding Titanium with Dissimilar Materials

Wang Pei，Ye Yuansheng，Huang Chunliang

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

This paper discusses the technical characteristics of laser welding titanium alloy, and introduces the research status of laser welding in the different types of titanium alloy, titanium alloy and steel，titanium alloy and aluminum, titanium alloy and non-metallic materials. The effects of laser, laser welding process parameter and welding method on the microstructure and mechanical properties of joint are also discussed. And it is concluded that there are still some gaps compared with the laser welding of titanium and dissimilar materials of foreign countries. Finally, the future development of titanium alloy laser welding technology is pointed out:①to develop basic research, and to realize real-time monitoring and closed-loop control of laser process;②to seek a breakthrough and development of high-power laser welding technology;③to develop TIG-such as the laser composite brazing technology, promoting the industrialization of laser welding technology.

titanium alloy; laser welding; metal; non-metal

2016-07-16

王培(1984—)，女，高級(jí)工程師。

TG456.7

A

1009-9964(2016)06-0005-06