全文摘要：
自問世以來，激光束焊接作為(wei) 一種高質量的熔接工藝，已成為(wei) 一項成熟的、最先進的技術，在眾(zhong) 多行業(ye) 中呈現出巨大的增長。本文對鈦合金與(yu) 相應的鋼、鋁、鎂、鎳、铌、銅等異種材料的激光焊接技術的研究現狀進行了綜述。特別強調了關(guan) 鍵工藝參數對冶金特征、抗拉強度、硬度變化、伸長率和殘餘(yu) 應力的影響。利用激光偏置、分束、焊接-釺焊、混合焊接等技術，通過引入單層或多個(ge) 夾層、填料和預切槽等改進工藝，提高了異種激光的可焊性。對金屬間相的形成和分布現象、材料流動機製、它們(men) 與(yu) 激光參數的關(guan) 係以及它們(men) 對焊縫的微觀結構、幾何和力學方麵的影響進行了詳細和全麵的研究。探討了與(yu) 缺陷演變相關(guan) 的關(guan) 鍵問題和相應的補救措施，並在主題表中總結了文獻中報告的斷裂特征的特征。
本文的目的在於(yu) 強調學術界激光焊接鈦合金的優(you) 點和發展趨勢，以更好地在工業(ye) 中開發該工藝，從(cong) 而更大程度地探索其應用。
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是僅次於鋁(Al)、鐵(Fe)和鎂(Mg)的第四大最廣泛使用的結構材料，與傳統使用的工程合金如不鏽鋼(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，幾乎是不鏽鋼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、抗衝擊性、生物相容性和腐蝕性等方麵均表現出色的合金。然而，由於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製。隨著提取冶金技術的進步，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，並在2009年達到最低點(2.5美元/公斤)。鑒於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的微觀結構為密排六方(HCP)的α相，一旦加熱到882°C以上，它就會發生同素異形相轉變為由大量滑移係統組成的延展性BCC(體心立方)β相。這為Ti提供了一個主要優勢，因為Ti的性能高度依賴於熱處理，隨後會受到激光焊接過程中加熱和冷卻循環的影響。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構變化等。Ti的合金化是基於合金元素穩定初生α相或β相的能力，而初生α相和β相的穩定性取決於原子半徑。例如，原子半徑在0.85-1.15範圍內的Al的溶質元素通過替換晶格中的一個體原子而擴散。而半徑小於0.59的原子占據較大的溶劑原子之間的間隙位置。添加穩定元素以防止隨後的相變，增加或減少β轉移溫度範圍，並通過熱處理提高機械性能。α相被各種元素如Al、O、N、Ga等穩定，而β相可以被Mo、V、W和Ta穩定。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結構的生產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於焊接技術的熔合機製來完成。常用的焊接技術有鎢惰性氣體、金屬惰性氣體、等離子焊接等。這些焊接技術會產生更大的變形、更寬的熱影響區(HAZ)和與顯著殘餘應力共存的脆性微觀結構。這些影響限製了這種傳統焊接方法的使用。另外一種更理想、經過充分驗證且高效的焊接技術可促進具有卓越服務特性的高質量焊縫的生產，這種焊接技術源自基於光子的製造技術，即激光焊接技術。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、工件易於操作、精度更高、汙染最小、能源效率高、工藝靈活性好、熱影響區窄且隨後畸變更小等潛在優點。這些特點使激光焊接成為迄今為止研究最多和目前應用最廣泛的加工技術。
最近，與激光焊接和鈦基合金連接相關的出版物數量迅速增加。在科學引文索引擴展(SCIE)數據庫中以“titanium”“Ti”和“激光焊接”為關鍵詞搜索，可以發現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，這些文獻都呈現出明顯的上升趨勢。在現有的494篇文獻中，自1999年後的20年裏共455篇文獻被發表，如圖1所示。激光焊接的範圍不僅限於材料科學領域，因此可以根據科學數據庫中定義的類別對Ti基激光焊接的範圍進行分類。圖2列出了前15個主要類別的樹狀圖，表明除了材料科學和工程外，鈦基激光焊接在生物醫學工程和牙科領域也很成熟，表明它們具有廣泛的適用性。
在較早的文獻綜述中，有一些文章討論了激光焊接監測、激光混合焊接或真空下的激光焊接，而有些則隻關注汽車應用的前景。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。隨著期刊文章發表的不斷增加，結合激光焊接鈦合金的顯微組織、相變和力學性能等特點，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。審查內容包括相關的問題和困難，采取的補救措施以及未來科學家進行研究需要預見的差距。該論文還打算通過科學證據探索和突出當前和潛在的應用，以支持激光焊接用於更廣泛的工業應用。
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範圍，對鈦合金類似焊接的有限課題進行了研究。總的來說，研究人員已經努力研究和優化工藝參數對不同類型Ti合金的影響。對檢查焊縫的小孔形成機製、孔隙發展、熱流和幾何特征至關重要的基礎研究已經伴隨著實驗和模擬公式。同樣，為了提高接頭強度和抑製金屬間化合物(IMC)的形成，采用了不同的焊接技術，對不同的焊接研究進行了剖析。因此，研究人員專注於激光偏移、焊接釺焊和混合焊接技術等激光加工方法的替代改進，並通過使用填充材料或添加單個或多個夾層對材料係統進行了改變。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。
以下各節係統地總結了用於評估機械性能的不同表征技術和標準以及鈦基激光焊接的一般應用。同時，還對鈦及其異種對應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來表征鈦基焊接接頭的材料和力學方麵。在完成實驗工作後，樣品被準備用於微觀結構檢查或進一步的機械測試。通過光學顯微鏡進行初步檢查以揭示微觀結構，並使用特殊的色調過濾器來獲得基於顏色的顆粒圖。焊縫的幾何形狀和微觀結構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果，這些結果提供了化學成分、元素和相組成的分析。
然而，為了詳細地觀察樣品的微觀結構，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，然後進行電拋光。X射線衍射(XRD)已被專門用於檢測熔合區(FZ)中存在的初級相和IMC相，以及焊接和斷裂表麵的界麵。此外，XRD還可以獲取焊接接頭的殘餘應力分布，而原位高能XRD研究還可以顯示焊接接頭的晶格參數，並且根據熱循環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等雜質的存在。
電子背散射衍射(EBSD)是一種相對較新的應用技術，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、錯位方向和相對於熱流方向的生長方向。然而，EBSD的樣品製備需要嚴格的措施來拋光。為了檢索化學鍵形成數據和了解Ti基聚合物的接頭的鍵合機製，近年來X射線光電子能譜(XPS)已被廣泛利用。對於焊縫或斷裂表麵，還沒有進行過原子力顯微鏡下的微納米級表麵形貌測量。焊接過程中的現場溫度測量是使用紅外熱像儀和熱電偶進行的，因為這些信息對於評估一段時間內的峰值溫度和冷卻速率至關重要。表麵粗糙度以及接縫和表麵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、扭轉和斷裂強度以及殘餘應力等特性。為了獲得與晶粒尺寸有關的信息，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。
由於Ti在高溫下是敏感的和反應性的，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麵處理可能是相應焊縫幾何形狀、夾雜物和激光束吸收以產生小孔的決定性因素。通常，采用噴砂、化學清潔和研磨等處理方法，而已確定黑色油漆和石墨塗層會對強度產生影響。為了去除毛刺，在鑄造或冷加工後，可以使用奧氏體不鏽鋼鋼絲刷。開始焊接操作前的激光清潔可以隨後改善表麵特性並提高可焊性。化學清洗能夠去除汙染物和氧化物，並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%的磷酸和丙酮衝洗，然後用超聲波清洗去除焊接前的表麵氧化物。在烤箱中幹燥以去除水分，這也可能會影響加工過程。
為了揭示微觀結構，根據所調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焊縫在各種腐蝕環境中的耐腐蝕性能的有用知識。
所進行的焊接和機械測試應符合眾多既定和公認的行業標準。然而，焊接標準並不是專門為激光焊接而製定的，而是旨在涵蓋廣泛的熔焊技術。例如，美國焊接協會(AWS)標準AWSD17.1:2001已被用於Ti-6Al-4V的激光束焊接，盡管該標準適用於通用熔焊。同樣，歐洲標準BSEN4678:2011中包含的用於飛機應用的金屬材料的激光束焊接特定標準符合Ti基焊接接頭的焊接標準。該研究工作已被指定用於需要極其嚴格的焊縫檢測標準和質量標準的航空航天應用。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、設備、工藝、缺陷修複等的使用，這些在AWS G24/G2.4 M:2007中有詳細描述。同樣，AWS還提供了Ti的結構焊接規範(D1.9/D1.9 M:2015和A5.16/A5.16 M:2013)，可用於以下研究實踐。
打磨和拋光焊接樣品以及隨後的圖像分析細節和規範可在本參考文獻中找到。關於評估焊接試樣的疲勞試驗增長率，作者遵循了ASTM E647標準。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，用於特殊用途和有色合金材料。根據ASTM-E8M04和ASTM E3-13a規範，從焊接部分製備拉伸樣品並在室溫下進行測試。一些常用的標準是ASTM e3-11(金相試樣製備)、ASTM E384-11e1(顯微硬度測量)、ASTM G1(腐蝕速率)、ISO 10271(電化學測試)、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型缺口衝擊實驗)和ASTM E647(疲勞裂紋擴展速率)。
與鈦合金激光焊接相關的主要應用(圖3)包括生物醫學設備製造、整形外科和假肢植入、運動器材、航空航天結構和發動機模塊以及關鍵的石油化工結構等的製造。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複。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，並拍攝熱像儀圖像以確定溫度分布。同樣，激光焊接技術也用於修複和製造正畸微型種植體。頭部經過銑削以校正C型種植體的角度，如圖3(d)，用失蠟技術製作舌部的基台(圖3(e))。此後，這些現成的C型種植體頭部零件隨後與基台的定製舌側部分進行激光焊接，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，功能性電池驅動微刺激器(FEBPM)的釺焊外殼組件的孔眼到套圈的製造也需要激光焊接。除了生物醫學應用外，由鈦和鈦合金製成的無縫管狀產品(圖3(j))的激光焊接在航空航天、海洋、化工、能源和運輸技術領域也越來越受到關注。圖3(k)顯示了作為激光束焊接不同聯合概念設計(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)無縫管狀產品(k)乘客座椅軌道中的應用。
由於更高的特異性強度、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，這些應用已被人們意識到。激光焊接用於製造由含鉑的Ti合金製成的厚壁管，以增強涉及熱交換器管道的應用的耐腐蝕性。如Peter等人所提出的，發明涉及使用填充材料在熔池中獲得預先確定的成分，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等人開發了基於金屬陶瓷的複合接頭。
鈦合金的激光束不同焊接在飛機發動機(燃氣輪機葉片、機艙中心梁框架和大艙壁)的結構應用中非常重要。飛機氣動係統使用焊接鈦接縫從發動機中排出熱空氣。在飛機機身製造中，由鈦合金製成的機翼隨後可以與鋁機身連接，從而表明不同焊接的應用。Ti-3Al-2.5V焊接管由於其出色的冷成型性而廣泛用於燃料傳輸和液壓管線。
激光在製造業和生物材料領域的發展趨勢可以通過已經申請或接受的專利來實現，這些專利用於製造各種設備和材料，例如微機電元件、支架、假肢關節、樹脂薄膜精密生物醫學設備、植入物、生物傳感器、電池和其他醫療器械等。用於電池和心髒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製品通常是焊接的。髖關節植入物需要通過焊接連接多孔的網狀表麵。隨著近年來基於光子材料加工技術的進步，它的未來也被設想用於更多生物醫學應用，這一點是十分重要的。例如，激光焊接可用於鎳鈦腔內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矽材料(Corning GlassTm)的焊接布置係統。還製造了需要金屬件位於冠部構件的外表麵上的運動設備，例如高爾夫球杆。
激光焊接允許使用範圍廣泛的參數來精確控製熱輸入，這是以前無法實現的。例如，與其他傳統熔融焊接技術相比，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力和過程的可重複性使其適用於需要自動化的行業。焊縫的形成和質量受工藝參數的影響很大，脈衝激光參數的影響更大。例如，在不同材料的焊接中，由於熱性質的差異，FZ中的熔池尺寸是不對稱的。對於熱導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、小孔穩定性、穿透深度，並可能導致缺陷的形成。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於材料的熱物理特性。一些需要考慮的重要參數可以進行相應的分類：
1-激光相關(guan) ：有源介質、脈衝(chong) 或連續光束、脈衝(chong) 持續時間、脈衝(chong) 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(guan) ：熱物理特性、合金成分、熱處理、幾何尺寸、微觀結構和接頭結構。
3-保護氣體(ti) ：氣體(ti) 流量、成分、結構和入射角。
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出焊接熔池幾何形狀的參數。激光焊接操作完全是一個複雜的參數雲，因此可以推導出熔池的形狀和特性，從而演化出焊接區域。
激光焊接可以在連續波(CW)模式或脈衝波(PW)模式下進行。PW模式提供了更好的控製、更平滑的接縫特性，同時產生更深的滲透。這是因為在CW模式下，可以控製的掃描速度、激光功率和間隔距離等參數數量較少。然而在PW模式下，除了掃描速度和焦距之外，還可以控製更多的參數，如脈衝功率、脈衝持續時間、脈衝形狀、脈衝重複率。通過控製更多的參數，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點。
熔池特性、產生的相成分、焊縫的機械性能和失效模式都受到工藝中采用的脈衝分布的強烈影響。脈衝輸入已經能夠有效地減少IMC的形成並提高不鏽鋼(SS)/Ti基焊縫的均勻性。與矩形脈衝剖麵相比，斜坡下降剖麵傳輸的能量較少，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衝寬度和峰值功率的函數，如在Ti-6Al-4V的焊縫中所示。
與PW接頭相比，Ti-2Al-1.5Mn的CW接頭在焊縫凹麵邊緣的應力集中係數更高。較低的脈衝能量會在Ti-6Al-4V中產生一個淺而窄的熔池，這個熔池相對於高脈衝能量焊縫更加平滑。脈衝重疊也是影響擊中點區域的脈衝組的一個因素。如脈衝能量、脈衝持續時間、脈衝重複率和行進速度等工藝參數的組合決定了重疊係數值。通過增加重疊、重新熔化和重新凝固，下一個脈衝的預熱區域會擴大。
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