有关焊接技术的论文(钛及其合金异种材料激光焊接的研究与发展现状（1）)

Posted 2023-05-29

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有关焊接技术的论文(钛及其合金异种材料激光焊接的研究与发展现状（1）)

长三角G60激光联盟导读

本文介绍了钛（Ti）合金与相应异种材料（包括钢、铝、镁、镍、铌、铜等）的激光焊接的理解现状和详细回顾。本文为第一部分。

摘要

自成立以来，激光束焊接作为一种高质量的熔合连接工艺，已被确定为一种成熟且先进的技术，在广泛的行业中呈现出巨大的增长。本文介绍了钛（Ti）合金与相应异种材料（包括钢、铝、镁、镍、铌、铜等）的激光焊接的理解现状和详细回顾。特别强调了关键工艺参数对冶金特征、抗拉强度、硬度变化的影响，伸长率和残余应力。利用激光偏置、分束、焊接钎焊、混合焊接和通过引入单个或多个中间层、填料和预切槽进行材料修改等技术改进工艺，以提高异种激光焊接性。

对控制金属间相形成和分布的现象、材料流动机制、它们与激光参数的关系及其对焊缝微观结构、几何和力学方面的相应影响进行了详细和全面的研究。探讨了与缺陷演变相关的关键问题和采取的相应补救措施，并在专题表中总结了文献中报告的断裂特征特征。本综述的目的相当于强调钛合金激光焊接在学术界的优势和发展趋势，以更好地开发该工艺在工业中的应用，从而在更大程度上探索其应用。

1，介绍

钛（Ti）是一种有光泽的过渡元素，是地壳中含量第九高的元素，比重为5.54 g/cm3，密度为4.506 g/cm3。钛是仅次于铝（Al）、铁（Fe）和镁（Mg）的第四大可用结构材料，与常规使用的工程合金（如不锈钢（SS）、镍（Ni）、钴（Co）等）相比，钛相对较轻。此外，钛的强度与常用钢一样，但密度要小得多，其高熔点（1670°C）使其可用于高温应用，而不会蠕变到550°C。例如，β-钛合金的比强度为260 kN m/kg，几乎是304不锈钢的4倍，是AA7075-T6的2.2倍，是Inconel X-750的1.72倍。

特别是，除强度外，钛合金是唯一在所有基本机械性能（包括刚度、疲劳寿命、强度、抗冲击性、生物相容性和腐蚀）方面表现优异的合金。然而，由于钛金属本身的成本较高，特别是与困难的提取过程有关，因此它们的使用一直受到限制。随着萃取冶金的进步，世界市场上钛的成本已从2005年的21美元/千克下降到2017年的4.5美元/千克，并在2009年达到最低点（2.5美元/千克）。鉴于钛基材料的价格相当高，因此必须进一步探索这种金属合金的潜力。

VSMPO AVISMA工厂。

纯钛的微观结构为α相，具有六角密排结构（HCP），一旦加热到882°C以上，它会经历同素异形相变，转变为韧性BCC（体心立方）β相，由更多的滑移系统组成。这为钛提供了一个主要优势，因为钛的性能高度依赖于热处理，并随后受到激光焊接过程中施加的加热和冷却循环的影响。钛合金化可以提高二次性能、热机械加工、通过热处理和微观结构变化强化等。根据合金元素稳定初级α或β相的能力（取决于原子半径），可以对钛进行合金化。钛合金分为α或近α、α+β、β或近β合金。

钛结构的生产需要采用涉及焊接和连接方法的工艺，这些焊接和连接方法通常由基于焊接技术的熔合机制完成。常用的焊接技术有钨惰性气体、金属惰性气体、等离子焊接等。这些焊接技术会产生较大的变形、较宽的热影响区（HAZ）和脆性微观结构，并伴有显著的残余应力。这些影响限制了此类传统焊接方法的使用。激光焊接具有潜在优势，包括具有快速启动和停止能力的更高加工速度、高能量密度、室温和常压焊接性、易于工件搬运、更高的精度、最小化污染、能效、工艺灵活性和随后具有较低变形的窄热影响区。这些特点使激光焊接成为迄今为止研究和应用最多的加工技术。

搅拌摩擦焊视点集。

最近，有关钛合金激光焊接和连接的出版物数量迅速增加。在科学引文索引扩展（SCIE）数据库上对“钛”或“钛”和“激光焊接”进行关键词搜索，发现494份文件，包括400篇期刊文章、114篇论文集和2个图书章节，明显呈现出上升趋势。在可用的494份文件中，近几年（1999-2019年）发布了455份文件，如图1所示。激光焊接的范围不仅限于材料科学领域，因此，钛基激光焊接的范围可以根据科学网数据库中定义的类别进行分类。图2确定了前15个主要类别的树状图，表明除材料科学和工程外，钛基激光焊接在生物医学工程和牙科领域也很成熟，表明其广泛适用性。

图1 近年来，出版的文献数量不断增加。

图2 基于科学类别网络的出版物树形图。

随着期刊文章发表量的增加，有必要进行详细的文献综述，以研究激光在钛合金与异种工程合金焊接中的作用，以及相应的特征，如微观结构、相演变和机械性能的变化。综述包括相关问题和困难、采取的补救措施以及未来科学家进行研究所需预见的差距。本文还旨在探索和强调激光焊接在更广泛的工业应用中的当前和潜在应用，并提供科学证据。

2，钛合金激光焊接技术综述

钛及其合金的激光焊接在相似和不同的材料组合中进行。然而，为了缩小本综述的范围，考虑了钛合金类似焊接的有限主题。总的来说，研究人员一直在努力研究和优化工艺参数对不同类型钛合金的影响。对检查小孔形成机制、气孔发展、热流和焊缝几何特征至关重要的基础研究，伴随着实验和模拟公式。同样，基于用于提高接头强度和抑制金属间化合物（IMC）形成的不同技术，对异种焊接研究进行了剖析。因此，研究人员专注于激光加工方法的替代性修改，如激光偏移、焊接钎焊和混合焊接技术，并通过使用填充材料或添加单个或多个夹层来改变材料系统。一些研究还集中于研究接头类型、槽形状和槽角度对接头效率的影响。本文还详细回顾了钛的异种焊接及其异种对应物。

2.1. 特征化技术

研究人员采用了不同的技术来表征钛基焊接接头的材料和机械方面。通过光学显微镜进行初步检查以揭示微观结构，并使用特殊的着色滤光片获得基于颜色的晶粒图。通过连接能量色散X射线光谱仪的扫描电子显微镜评估焊缝几何和微观结构特征，以给出一些原始结果，从而提供化学、元素和相组成的分析。然而，为了详细观察微观结构，包括所有特征，并指定相和研究晶体取向，首选高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）。HRTEM同样要求将样品切割成非常薄的部分，然后进行电抛光。X射线衍射（XRD）专门用于检测熔合区（FZ）和焊接表面和断裂表面界面中存在的初级和IMC相。通过相对可靠且很少使用的电子探针X射线微分析仪（EPMA）方法，熔体池对流期间的扩散和准确元素分布以及杂质（如C、O和N）的夹杂更容易识别。

胀形过程中双重退火后焊接接头的层状球状化（胀形率为66.4%，黑色代表β相，黑线代表HAGB，蓝线代表LAGB）。

电子背散射衍射（EBSD）是一种相对较新的应用技术，通过反极图、晶界图和独特的晶粒颜色图显示晶粒尺寸、大角度晶界、错取向角以及相对于热流方向的晶粒生长方向。然而，EBSD的样品制备需要严格的抛光措施。为了检索化学键形成数据并了解钛聚合物基接头的键机理，近年来广泛利用了X射线光电子能谱（XPS）。尚未通过原子力显微镜对焊缝或断裂表面进行微观和纳米级表面形貌测量。使用粗糙度测试仪测量表面粗糙度以及接缝和表面的轮廓。物理特性和焊缝完整性（包括裂纹和缺陷）通过着色渗透检验和泄漏试验进行测量。焊接接头的机械特性极为重要，需要仔细检查硬度、弹性模量、疲劳、拉伸、弯曲、扭转和断裂强度以及残余应力等性能。

2.2. 表面处理

由于钛在高温下具有敏感性和反应性，因此在开始焊接工艺之前需要格外小心。焊接过程开始时的表面处理可能是相应焊道几何形状、夹杂物和激光束吸收以生成小孔的决定因素。通常，采用喷砂、化学清洗和研磨等处理方法，而黑漆和石墨涂层已被确定对强度有恶化影响。为了去除毛刺，在后铸造或冷加工后，可以使用奥氏体不锈钢钢丝刷。在开始焊接操作之前进行激光清洗可以改善表面特性并增强可焊性。化学清洗能够去除污染物和氧化物，并最终增强激光束的吸收。

（a）用激光清洗部件制成的管子和管件之间的PGTAW焊缝的射线照片和（b）焊缝横截面的显微照片。

2.3. 标准和规范

进行的焊接和机械测试应符合许多公认的行业标准。然而，焊接标准并不是专门为激光焊接制定的，但其设计涵盖了广泛的熔焊技术。例如，美国焊接学会（AWS）标准AWS D17.1:2001已用于Ti–6Al–4V的激光束焊接，尽管该标准旨在用于通用熔焊。同样，欧洲标准BS EN 4678:2011中包含的飞机应用金属材料激光束焊接的具体标准符合钛基焊接接头的焊接标准。该研究工作已针对需要极其严格的焊接检验标准和质量标准的航空航天应用而指定。

2.4. 钛基激光焊接的典型应用

与钛合金激光焊接相关的突出应用（图3）包括生物医学设备、骨科和修复植入物、运动设备、航空航天结构和发动机模块以及关键石化结构的制造等等。图3（a）显示了牙齿骨架典型截面的命名，图3（b）显示了通过激光焊接进行的骨架修复。在另一个示例（图3（c））中，钛棒与钛植入物的激光焊接作为猪颌骨中的离体裂口进行，并捕获热摄像机图像以确定温度分布。同样，激光焊接技术也被用于修复和制造正畸微型种植体。铣削头部以纠正C型种植体的角度（图3（d）），并使用脱蜡技术制作定制基牙的舌部（图3（e））。随后，如图3（f）所示，将C型种植体的这些现成头部零件与桥台的定制舌部进行激光焊接。

同样，激光焊接可摘局部义齿上的卡环如图3（g）所示，激光焊接的牙科支架如图3（h）所示。如图3（i）所示，在制造功能性电池供电微刺激器（FEBPM）钎焊壳体组件的孔眼到套圈时，也需要激光焊接。除了生物医学应用外，钛和钛合金制成的无缝管状产品（图3（j））的激光焊接在航空航天、海洋、化学工业、能源和运输技术领域正受到关注。图3（k）显示了乘客座椅轨道的激光束焊接异种接头概念设计（AIRBUS）。

图3 激光焊接在（a，b））牙架，（c）钛植入物，（d，e和f）正畸微型植入物，（g）可摘局部义齿，（h）牙架，（i）微刺激器，（j）无缝管状产品，（k）乘客座椅轨道。

由于具有较高的比强度、抗疲劳和蠕变性能、较低的弹性模量、良好的生物相容性和优异的耐腐蚀性，这些应用已被认为是可行的。激光焊接涉及由含铂的钛合金制成的厚壁管的制造，以增强涉及热交换器管的应用的耐腐蚀性。本发明涉及使用填充材料在熔池中获得预定成分，从而提高异种Ti-Fe金属的可焊性。类似地，为了保持Ti-Ti合金的焊接强度，Kakimi等人提出了一种Ti（0-3 wt%al）填充材料。同样，William等人开发了基于金属陶瓷的复合接头。

钛合金的激光束异种焊接在涉及航空发动机的结构应用（燃气轮机叶片、机舱中心梁框架和大型舱壁）中至关重要。飞机的气动系统使用钛焊缝从发动机排出热空气。在飞机机身制造中，由钛合金制成的机翼随后可以与铝机身连接，从而表明异种焊接的应用。Ti-3Al-2.5V焊接管因其优异的冷成形性而广泛应用于燃油传输和液压管路。

激光在制造和生物材料加工中的增长趋势可以通过已申请或接受的专利来实现，这些专利用于制造各种设备和材料，如微机电组件、支架、假肢关节、树脂膜精密生物医学设备、植入物、生物传感器、电池和其他医疗器械。电池和心脏起搏器需要将薄铝箔焊接到钛上。可以使用激光对可植入设备（如套圈）进行密封，而不会损坏电子封装组件。类似地，由托槽体和垫组成的钛基正畸物品通常是焊接的。

包含步骤的髋部植入物需要通过焊缝连接多孔网格表面。随着近年来光子材料加工技术的进步，其未来在生物医学领域的应用前景也是不容忽视的。例如，激光焊接可用于将远端和近端支柱的自由端连接到称为支架的镍钛内修复装置的轴环。早在1982年就报道了将透明含硅材料（康宁玻璃TM）与钛基材料焊接的焊接布置系统。还制造了运动设备，如高尔夫球杆，其要求金属件位于官方构件的外表面。

（a）具有小孔的多孔铜膜表面的三维模型。（b）示意图显示了用小孔制造的表面的润湿。（c）在60秒沉积时间下测量的接触角。（d）具有大孔的多孔铜膜表面的三维模型。（e）示意图显示了用大孔制造的表面的润湿。（f）在10秒的沉积时间下测量的接触角。

3，钛及其合金的激光焊接

3.1. 流程概述

激光焊接允许使用范围广泛的参数，以便精确控制以前无法实现的热输入。例如，与其他传统熔焊技术相比，激光束焊接允许更高的焊接速度。激光焊接的快速性以及卓越的生产率和工艺的可重复性使其适用于需要自动化的行业。焊缝的形成和质量受到工艺参数的强烈影响，在脉冲激光参数的情况下更是如此。例如，在材料的异种焊接中，由于热性能的差异，FZ中的熔池尺寸是不对称的。对于热导率相对较低的材料，熔体池往往较大。除了热物理特性外，材料在入射激光束波长下的吸收特性还会影响加工效率、小孔稳定性、穿透深度，并可能导致缺陷形成。图4展示了各种金属材料在室温下的能量吸收率的比较，描绘了Ti表现出相当好的吸收特性。需要考虑的一些重要参数可以进行相应分类；

1激光相关：活性介质、脉冲或连续光束、脉冲持续时间、脉冲频率、扫描速度、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材料相关：热物理性能、合金成分、热处理、几何尺寸、微观结构和接头配置。

3保护气体：气体流速、成分、配置和入射角。

4填充材料：成分、几何尺寸和热物理性能。

图4 当受到Nd:YAG激光（1064 nm）相互作用时，各种金属在室温下的吸收率。

不同材料的导电性差异直接影响焊缝的对称性、成分和不对称热传输。之前的一项研究扫描了垂直于接收到的钛板轧制方向的激光束。待连接材料之间的间隙和接头配置以及端部形状是可以推导熔池几何形状的参数。激光焊接操作完全是一个复杂的参数云团，因此导出了演变焊接区域的熔池的形状和特性。

来源：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

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

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