發(fā)布日期：2026-1-9 17:14:51
序言
隨著21世紀國內(nèi)對深海、深空資源的開發(fā)，不斷對極端環(huán)境條件下服役材料提出新的需求.鈦合金因良好的耐腐蝕性、高強質(zhì)比以及耐疲勞等特性而備受關注.其中，TC4屬于α+β雙相鈦合金，兼具雙相優(yōu)點，具有較高的強度以及較好的韌性[1-2]，近年來在航空航天設備輕量化設計、海洋資源勘探與開采等諸多行業(yè)已有廣泛應用[3-5].
在焊接領域，激光焊相較傳統(tǒng)鈦合金手工焊效率高、熱輸入小，節(jié)省了高昂的人工成本[6-7].在此基礎上發(fā)展的激光填絲焊通過額外添加焊絲，提高了激光對裝配間隙的容忍度，同時便于調(diào)控焊縫的合金成分與顯微組織，有利于提高焊接質(zhì)量，因此受到了國內(nèi)外的廣泛關注[8].
余陽春[9]發(fā)現(xiàn)在激光填絲焊中液橋過渡條件下焊接過程穩(wěn)定性最高，可獲得良好的焊縫成形，然而激光作用面積過小，該過渡模式對送絲位置要求非常高;李俐群等人 研究發(fā)現(xiàn),激光填絲焊中焊絲的引入會使熔池產(chǎn)生紊流，破壞匙孔穩(wěn)定性，影響焊縫成形與焊接質(zhì)量;司昌健[11]對比了不同送絲速度下動激光與常規(guī)激光填絲焊，結(jié)果表明，擺動激光焊可在較大送絲速度范圍內(nèi)獲得良好的焊縫成形;許偉等人[12]研究了激光擺動頻率對焊縫成形的影響，當擺動頻率過低或過高時均會導致焊縫邊緣隆起，成形惡化;李軍兆13-14]的研究認為擺動激光可以間隙熔化焊絲保持焊接過程穩(wěn)定性，但當擺動幅度過大時，較低的能量密度難以充分熔化焊絲與母材;李治等人[15]研究了擺動幅度對焊絲位置穩(wěn)定性的影響，當激光擺動幅度較小時焊絲兩側(cè)受熱不均勻，致使焊絲容易偏離平衡送絲位置;張軍[16]通過高速攝像分析發(fā)現(xiàn)，窄間隙條件下適當增大激光擺動頻率可以增強熔池對側(cè)壁的潤濕性;蔣振國[17]研究了窄間隙坡口內(nèi)部熔滴過渡行為，認為增大激光擺動頻率與擺動幅度可促使熔滴液橋過渡，改善焊縫成形.
綜上所述，當前擺動激光填絲焊中對焊縫成形的研究多聚焦于工藝參數(shù)優(yōu)化，基于熔滴過渡與熔池流動的分析則局限于窄間隙焊接范圍內(nèi)，針對鈦合金平面堆焊的研究尤為不足，特別是擺動激光條件下熔滴過渡與熔池流動對焊縫成形的協(xié)同作用機制尚不明晰.文中以5mm厚TC4鈦合金為研究對象，采用同質(zhì)焊絲開展平面堆焊試驗，系統(tǒng)探究激光擺動幅度、擺動頻率以及送絲速度對焊縫成形的影響規(guī)律,結(jié)合高速攝像同步觀測熔滴-熔池動態(tài)行為,揭示不同工藝參數(shù)下焊縫形貌演變的內(nèi)在機理,以期為鈦合金擺動激光填絲焊接工藝開發(fā)與工程化應用提供重要理論依據(jù).
1、試驗方法
試驗采用200mmx100mmx5mm的TC4板材為母材，直徑為1.2mm的同質(zhì)TC4焊絲為焊接材料.焊縫正面通過拖罩向熔池周圍施加99.99%Ar以避免氧化,保護氣流量為30L/min,焊前對板材進行打磨與酒精清洗，去除表面氧化膜及油污.
試驗選擇HFB-6000光纖激光器，定制型擺動激光頭，激光波長1080nm，焦點處直徑0.6mm，焊接過程光束向焊接方向傾斜5°以保護光學設備,激光垂直于焊接方向直線擺動.采用高速攝像垂直于焊接方向?qū)附舆^程進行拍攝，觀測試驗采用聯(lián)排保護氣管對焊縫進行保護，試驗平臺如圖1所示.
試驗保持激光離焦量為+15mm,焊接速度為40cm/min,激光功率為3000W,分別改變送絲速度vf、擺動幅度A和擺動頻率f,工藝參數(shù)及編號見表1.
試驗使用數(shù)碼相機拍攝焊縫宏觀形貌與橫截面.焊后采用線切割加工金相，經(jīng)打磨拋光后使用5%HF+30%HNO3的水溶液腐蝕焊縫橫截面，以平行于橫截面的毫米刻度尺為參考尺寸，通過ImageJ圖像處理軟件測量橫截面的熔寬W與熔深H,焊縫橫截面特征參量示意圖,如圖2所示.
表1焊接工藝參數(shù)
| 試驗編號 | 送絲速度 vf/(m·min^{-1}) | 擺動幅度 A/mm | 擺動頻率 f/Hz |
| a | 1.75 | 1 | 80 |
| b | 2 | 1 | 80 |
| c | 2.25 | 1 | 80 |
| d | 2.5 | 80 | |
| e | 2.75 | 1 | 80 |
| f | 2.25 | 0 | 0 |
| g | 2.25 | 0.5 | 80 |
| h | 2.25 | 1.5 | 80 |
| i | 2.25 | 2 | 80 |
| j | 2.25 | 1 | 40 |
| k | 2.25 | 1 | 120 |
| 1 | 2.25 | 1 | 160 |
2、試驗結(jié)果與分析
2.1焊接工藝對焊縫成形的影響
2.1.1送絲速度
如圖3所示，當送絲速度在1.75~2.75m/min范圍內(nèi),焊絲均可穩(wěn)定熔化.結(jié)果表明,隨著送絲速率增大，激光能量更多作用于焊絲，致使焊縫熱影響區(qū)寬度呈顯著下降趨勢.
送絲速度對焊縫橫截面形貌的影響規(guī)律，如圖4所示.當送絲速度較小時,過熱的熔敷金屬在重力及表面張力的共同作用下由焊縫中心向側(cè)面鋪展并熔化兩側(cè)母材,熔寬隨著送絲速度的增大快速增大.
當送絲速度較大時，熔池冷卻速率較快，熔覆金屬快速凝固，送絲速度對熔寬的影響逐漸減小，熔寬變化趨于平穩(wěn).因此,隨著送絲速度的增大焊縫熔寬先增加后趨于平穩(wěn),熔深則因激光作用于母材的能量減少而整體呈現(xiàn)下降趨勢.
2.1.2擺動幅度
激光擺動幅度對焊縫成形的影響，如圖5所示.當擺動幅度為0mm時，即常規(guī)激光填絲焊，母材劇烈蒸發(fā)，焊絲受到高溫金屬蒸汽的軟化與沖擊進而容易偏離平衡送絲位置，焊縫成形出現(xiàn)輕微駝峰和周期性不均勻.
在擺動激光下，熱源面積增大，能量密度降低，母材的蒸發(fā)被抑制，焊絲所受到金屬蒸汽的沖擊與熱作用減弱，激光對送絲位置的適應性提高，因此擺動條件下焊縫成形更加均勻.此外，激光對熔池的攪拌作用促進熔敷金屬鋪展，加速焊縫頂部的液態(tài)金屬向兩側(cè)流動，焊縫余高下降.當擺動幅度過大時，激光能量分散，焊縫出現(xiàn)鋸齒形邊緣.另一方面，因擺動激光焊接在焊縫兩側(cè)停留時間較中心位置長，熱輸入在垂直于焊接方向上分布不均勻，焊縫根部不平整，出現(xiàn)兩個熔深見圖5(e)，在此前研究中亦有相關報道[13].
在非擺動條件下，焊縫熔深達到最大，隨著擺動幅度的增大，熔深快速減小，焊縫熔寬因激光加熱面積增大整體上呈現(xiàn)增大的趨勢，如圖6所示.
2.1.3擺動頻率
如圖7所示，當激光擺動頻率在40~160Hz范圍內(nèi),可獲得良好的焊縫成形,且隨著擺動頻率的增大，焊縫表面波紋愈發(fā)均勻密集.
如圖8所示，當擺動頻率較小時，隨著擺動頻率的增大，激光的攪動作用增強，熔池側(cè)向流動的速度增大，過熱的液態(tài)金屬熔化母材使得熔池增大，焊縫熔寬增加.當擺動頻率較大時，單個周期內(nèi)熱輸入過小，焊絲熔化量減少的同時熔池溫度下降,對母材的熔化作用減弱.因此,熔寬呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，熔深因能量分散略有下降.
2.2焊接工藝對熔滴過渡行為的影響
常規(guī)激光填絲焊中,焊絲與激光部分交疊可實現(xiàn)熔滴的液橋過渡，如圖9所示.隨著焊絲端部液態(tài)金屬的持續(xù)蒸發(fā)，液橋變得細長，如t0+6ms時刻.當焊接過程或送絲位置出現(xiàn)微小的波動便會導致液橋斷裂，如to+12ms時刻，熔滴蒸發(fā)所產(chǎn)生的金屬蒸汽推動熔池向后部隆起,焊絲繼續(xù)送進,熔滴持續(xù)長大，直至在重力的作用下與熔池接觸實現(xiàn)過渡.大尺寸熔滴沖擊熔池，匙孔被完全覆蓋，同時引起熔池強烈的流動.隨后，熔滴會以這種亞穩(wěn)態(tài)的形式周期性過渡，而難以回到穩(wěn)定的液橋過渡狀態(tài).
在擺動激光填絲焊中，擺動幅度1mm，頻率80Hz條件下，當激光位于焊絲位置時，熔化的液態(tài)金屬從匙孔兩側(cè)向熔池中過渡，如圖10中t0時刻.當激光擺動至背離觀測方向時，另一側(cè)熔池上升與焊絲端部接觸形成單側(cè)液橋，當激光擺動至觀測方向一側(cè)時，背離激光一側(cè)可更為清晰的觀測到這種單側(cè)液橋過渡的現(xiàn)象，如t0+3ms與t0+8ms時.此外，在激光擺動至偏離焊絲位置時，焊絲繼續(xù)送進，由于此時未能有足夠的能量使得焊絲快速熔化，固體焊絲與熔池底部凝固金屬直接接觸而上升，當激光擺動至焊絲位置時，激光對焊絲的加熱面積大幅增加，焊絲端部快速熔化，焊絲恢復至平衡位置.在此過程中，熔滴過渡形式始終為液橋過渡.
當擺動頻率增大為160Hz,擺動幅度為1mm的高速攝像，如圖11所示.盡管隨著擺動頻率增大，單個擺動周期內(nèi)焊絲熔化量顯著減小，但擺動頻率的增大有效加強了對熔池的攪拌作用，熔池更容易與焊絲接觸形成液橋，促進熔滴過渡.另一方面，擺動的匙孔掃過液橋，促使熔滴在較短時間內(nèi)過渡至熔池，在焊絲端部形成幾乎全為固態(tài)的尖端.焊絲尖端與熔池底部接觸后，焊絲向上傾斜，在激光與熔池的熱作用下快速熔解，焊絲回落至平衡位置.
當擺動頻率為80Hz,擺動幅度增大至2mm時，如圖12所示.激光在單個擺動周期T內(nèi)僅能熔化焊絲表面較小區(qū)域，焊絲持續(xù)向上傾斜并在抵達熔池后半段時加速向上傾斜，如to+7T時.此后，激光在中心位置幾乎完全照射在焊絲上，焊絲于多個擺動周期后發(fā)生折斷，熔滴以固-液混合顆粒過渡至熔池中，在熔池邊緣沉積形成鋸齒形邊界的焊縫，如圖12中t0+17T時所示.
2.3熔滴過渡行為對焊縫成形的影響機理
常規(guī)激光填絲焊大滴過渡機理.如圖13所示.理想的送絲位置可使熔滴保持穩(wěn)定的液橋過渡見圖13(a).然而，在連續(xù)激光作用下熔滴持續(xù)蒸發(fā)，金屬蒸汽吹動熔池向后流動，熔池前部高度下降，焊絲端部與熔池距離拉長，當焊絲發(fā)生輕微波動時液橋斷裂，持續(xù)送進的焊絲在端部形成液態(tài)熔滴.激光作用在熔滴上使其快速蒸發(fā)，強烈的金屬蒸汽進一步促使熔池前部液態(tài)金屬向熔池后部流動，熔池前部凹陷，熔池后部隆起，熔滴持續(xù)長大，最終在重力的作用下與熔池接觸實現(xiàn)過渡見圖13(b).大滴過渡會遮擋激光匙孔，造成匙孔坍塌形成氣孔，當熔滴過渡后，熔滴蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸汽快速消失，后部隆起的熔池得以向熔池前部流動回落，而熔池前部的剛剛過渡的大量熔敷金屬向后流動，熔池劇烈波動見圖13(c)，導致焊縫表面成形出現(xiàn)波動.
擺動激光填絲焊液橋過渡機理.如圖14所示，當激光偏離焊絲位置時，焊絲持續(xù)向前送出，由于焊絲所吸收熱量不足而直接與熔池底部接觸，并向上的傾斜，如圖14(b)所示.隨后，當激光擺動到送絲位置時對焊絲熱輸入增大，在熔池的協(xié)同作用下，前段焊絲快速熔化，如圖14(c)所示，焊絲回落至平衡位置,如圖14(d)所示.盡管這一過程可能因焊接參數(shù)不同而并非發(fā)生在一個擺動周期內(nèi),但顯然擺動激光具備較高的送絲位置和送絲速度的適應性,焊縫成形良好.
擺動激光填絲焊固-液混合顆粒過渡機理.如圖15所示,當擺動幅度過大時,激光對焊絲的熱輸入迅速減少，在數(shù)個擺動周期內(nèi)焊絲仍無法完全熔化,與熔池底部接觸而持續(xù)上升,如圖15(b)所示.當焊絲抵達熔池后端時，由于熔池底部坡度變化，焊絲快速向上傾斜.
此時，焊絲送進的力F與熔池底部固態(tài)金屬對焊絲的力Fb夾角迅速增大，焊絲所承受力矩增大，同時在熔池、金屬蒸汽與激光的熱作用下焊絲軟化，最終發(fā)生斷裂，如圖15(c)所示.熔滴以固液混合的顆粒狀過渡至熔池，如圖15(d)所示.由于熔池邊緣溫度較低，表面張力大于焊縫中心，在馬蘭格尼流力[18]的作用下熔池推動固體金屬顆粒向溫度較低的焊縫邊緣運動，固相顆粒熔化使得周圍熔池溫度快速下降，熔敷金屬在焊縫邊緣無法充分鋪展，焊縫表面形成鋸齒形邊緣.
3、結(jié)論
(1)在TC4鈦合金激光填絲焊接中，擺動激光較常規(guī)激光對焊縫成形有明顯的改善作用，當激光擺動幅度為1mm時，在送絲速度為1.5~2.75m/min、激光擺動頻率為40~160Hz的工藝范圍內(nèi)均能夠獲得良好的焊縫成形.
(2)隨著送絲速度與擺動幅度的增大，焊縫呈現(xiàn)熔寬增大，熔深減小的趨勢;隨著擺動頻率的增大，焊縫熔深減小，熔寬先增大后減小.
(3)當擺動頻率為80Hz時，擺動幅度從0 mm增大至2mm,熔滴的過渡形式從大滴過渡轉(zhuǎn)變?yōu)橐簶蜻^渡，再轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液混合顆粒過渡;當擺動幅度為1mm時，擺動頻率從80Hz變化為160Hz,熔滴過渡形式均為液橋過渡.
(4)不同的熔滴過渡與熔池流動行為引起焊縫成形的顯著變化.大滴過渡條件下，熔池波動劇烈，焊縫成形不均勻;液橋過渡條件下，熔池穩(wěn)定，焊縫成形良好;固-液混合顆粒過渡條件下,局部熔池無法完全鋪展，形成焊縫鋸齒形邊緣.
參考文獻
[1] SU R, LIU Q, LI H, et al. Effect of three-stage heat treatment on the composite waveform and variable amplitude fatigue proper-ties of TC4 titanium alloy pulsed laser-arc hybrid welded joints[J].International Journal of Fatigue, 2025, 191(2): 108673.1-108673.19.
[2]張文井.TC4和TB5鈦合金的劇烈塑性變形及超塑性的研究[D].沈陽:東北大學,2020.
ZHANG Wenjing. Study on the severe plastic deformation and super plasticity of the TC4 and TB5 alloys[D]. Shenyang: North-eastern University,2020.
[3]唐曉軍，孫琪，劉一搏，等.非對稱電弧擺動對鈦合金窄間隙橫向焊接焊縫成形的影響[J/OL].焊接學報,2025:1-9.
TANG Xiaojun, SUN Qi, LIU Yibo, et al. Effects of asymmetric arc oscillation on weld formation in transverse welding of titani-um alloy with narrow gap[J/OL]. Transactions of the China weld-ing institution, 2025:1-9.
[4]范慶辰.深潛器耐壓球殼焊接殘余應力消除數(shù)值模擬研究[D].大連:大連理工大學,2021.
FAN Qingchen. Numerical simulation of welding residual stress relief for pressure spherical shell of deep submergence vehicle[D].Dalian: Dalian University of Technology,2021.
[5]李悅,王建峰,馬龍飛,等.保溫時間對鈦合金板翅式換熱器真空釬焊過程溫度場及殘余應力的影響[J].焊接學報,2024,45(2):33-40.
LI Yue, WANG Jianfeng, MA Longfei, et al. Effect of holding time on temperature field and residual stress in the vacuum braz-ing process of titanium alloy plate-fin heat exchangers, 2024,45(2):33-40.
[6]王志敏.TC31高溫鈦合金激光焊接工藝與接頭性能研究[D].武漢:華中科技大學,2021.
WANG Zhimin, Study on the process and Joint performance of laser welding TC31 titanium alloy[D]. Wuhan: Huazhong Uni-versity of Science and Technology,2021.
[7]劉自剛,代鋒先,陸剛,等.鈦合金激光焊研究現(xiàn)狀與展望[J].材料導報,2023,37(S1):354-359.
LIU Zigang,DAI Fengxian,LU Gang,et al.Research status and prospect of laser welding of titanium alloy[J]. Materials Reports,2023,37(S1):354-359.
[8]李剛.核電異種金屬激光填絲焊接頭組織與性能及熱裂紋形成機理[D].上海:上海交通大學,2015.
LI Gang. A Dissertation submitted to shanghai jiao tong uni-versity for the degree of philosophy doctor[D]. Shanghai: Shang-hai Jiao Tong University,2015.
[9]余陽春.激光填絲焊的焊絲熔入行為及工藝研究[D].武漢:華中科技大學,2010.
YU Chunyang. Study on the technology and filler wire melting dynamics during the laser welding with filler wire[D]. Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2010.
[10]李俐群,孟圣昊,彭進.鋁合金激光焊接熔池中氣泡運動與氣孔相關性分析[J].焊接學報,2018,39(6):1-6.
LI Liqun, MENG Shenghao, PENG Jin. Correlation analysis between bubble movement and blowhole in molten pool of alu-minum alloy laser welding[J]. Transactions of the China Welding Institution,2018,39(6):1-6.
[11]司昌健.TC4鈦合金厚板擺動激光填絲多層焊技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2021.
SI Changjian. Oscillating laser multilayer welding with filler wire for thick TC4 plate[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2021.
[12]許偉,張旭志,陶武,等.鋁硅涂層鋼擺動激光填絲焊接接頭組織和性能[J].中國激光,2023,50(16):57-66.
XU Wei, ZHANG Xuzhi, TAO Wu, et al. Microstructure and properties of oscillating laser wire-filled welded joints of Al-Si coated steel[J]. Chinese Journal of Lasers,2023,50(16):57-66.
[13]李軍兆.316L不銹鋼窄間隙激光焊接熔池動態(tài)行為及電磁調(diào)控特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2021.
LI Junzhao. Study on dynamic molten pool behavior and electro-magnetic manipulation characteristics in narrow gap laser weld-ing of 316L stainless steel[D]. Harbin: Harbin Institute of Techno-logy,2021.
[14]李軍兆，孫清潔，張清華，等.空間多位置擺動激光填絲焊接熔池動態(tài)行為及焊縫成形[J].焊接學報,2021,42(10):35-39.
LI Junzhao, SUN Qingjie, ZHANG Qinghua, et al. Research on molten pool dynamic behavior and weld formation of transverse oscillating laser welding process for various positions in space[J].Transactions of the China Welding Institution, 2021, 42(10): 35-39.
[15]李治,吳艷明,陳宇.掃描激光-熱絲焊接過程焊絲熔入行為分析[J].材料開發(fā)與應用,2017,32(3):11-15.
LI Zhi, WU Yanming, CHEN Yu. Study on the welding wire transition behavior in scanning laser hot wire welding[J]. Devel-opment and application of materials,2017,32(3):11-15.
[16]張軍.窄間隙擺動激光填絲焊接焊縫成型、組織與性能研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2022.
ZHANG Jun. Research on weld forming, microstructure and prop-erties of narrow gap wobbling laser wire filling welding[D]. Xu-zhou: China University of Mining and Technology,2022.
[17]蔣振國.基于能量分布調(diào)控的中厚板激光焊接質(zhì)量優(yōu)化研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2020.
JIANG Zhenguo. Research on quality optimization of medium thick plate laser welding based on energy distribution regu-lation[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2020.
[18] ABDERRAZAK K, BANNOUR S, MHIRI H, et al. Numerical and experimental study of molten pool formation during continu-ous laser welding of AZ91 magnesium alloy[J]. Computational Materials Science,2009,44(3):858-866.
作者簡介:孫清潔，博士生導師，教授;主要從事高效焊接方法、設備及機理方面的研究;Email:qjsun@hit.edu.cn.劉一搏(通信作者)，博士生導師，教授;Email:ybliu0701@hit.edu.cn.
（注，原文標題：TC4鈦合金擺動激光填絲焊接工藝對焊縫成形的影響及機理分析）