序言

钛合金具有耐侵蚀性强、密度低、比强度高等特点[1]，，，，，在航空航天、船舶制造、化工机械、生物医疗、能 源工业等领域中获得了普遍的应用。。。。。。由于钛合金中厚板焊接时熔池较大，，，，，而熔融的钛合金具有活性强、外貌 张力小、导热性差、热量集中等特点。。。。。。因此，，，，，热输入的控制对钛合金中厚板焊接讨论的性能具有十分主要的 影响。。。。。。

现在，，，，，钛合金中厚板常用焊接要领主要有钨极惰性气体；；；；；；；さ缁『(tungsteninertgasarcwelding，，，，，TIG焊) 、激光焊(laserbeamwelding，，，，，LBW)、激光-电弧复合焊等。。。。。。TIG焊具有间隙容忍度高、热输入大等特点，，，，，导 致焊接效率低、能量消耗严重，，，，，钛合金受热面积增大，，，，，焊缝及热影响区变宽，，，，，使得焊接讨论的整体毗连强度 较低[2]。。。。。。牟刚等人[3]使用手工TIG多层多道填丝焊要领，，，，，对厚度为8mm的Ti6Al4V(TC4)钛合金举行对接焊试 验。。。。。。效果批注，，，，，在焊接速率为150mm/min时，，，，，可获得了优异的焊缝成形。。。。。。激光焊具有热输入小、能量密度高 、焊接速率快、可达性好等特点[4-5]，，，，，且焊接历程中不需要真空，，，，，易实现自动化生产[6]。。。。。。由于激光器的光 -电转化效率低，，，，，导致焊接能耗较高，，，，，且激光焊对工件的 装备精度要求较高。。。。。。Tian等人[7]使用12kW大功率一连激光器对厚度为8mm的TC4钛合金举行对接焊试验，，，，，结 果批注，，，，，随着焊接速率由1.2m/min降低到0。。。。。。8m/min，，，，，焊缝中气孔的孔径有增大的趋势。。。。。。激光-电弧复合焊结 合了激光的高能量密度和电弧的高间隙容忍度等优势，，，，，填补了两者的弱点，，，，，与激光焊相比，，，，，激光-电弧复合 焊具有优异的电弧桥 接能力和间隙容忍度；；；；；；；与电弧焊相比，，，，，激光-电弧复合焊具有熔深大、变形小等特点[8-9]，，，，，可大幅度提高焊 接效率，，，，，降低焊接能耗[10]，，，，，消除咬边、驼峰等缺陷，，，，，是应用普遍的先进毗连手艺。。。。。。Turichin等人[11]使用 5kW大功率一连激光与TIG电弧形成复合热源，，，，，对5mm厚TC4钛合金举行填丝焊，，，，，研究了电极高度、焊接速率对 板材熔透稳固性的影响。。。。。。

为节约能源、提高焊接效率，，，，，提出低功率脉冲激光-双电弧复合焊手艺。。。。。。通过在古板的激光-电弧复合焊要领 中引入一个新的电弧，，，，，增强了激光对电弧等离子体的诱导效果，，，，，提升了对中厚板的焊接能力。。。。。。比照研究单钨 极惰性气体；；；；；；；ず(singletungsteninertgaswelding，，，，，STIG焊)、双钨极惰性气体；；；；；；；ず (doubletungsteninertgaswelding，，，，，DTIG焊)、激光-STIG电弧(L-STIG)复合焊和激光-DTIG电弧(L-DTIG)复 合焊4种方法对6mm厚TA2钛合金举行无坡口、不填丝对接焊试验。。。。。。通太过析电弧等离子体和电弧压力的转变 纪律，，，，，研究了焊接历程中低功率脉冲激光对电弧等离子体的影响，，，，，突出低功率脉冲激光-双电弧复合焊接技 术低热输入、高焊接效率的实质特征，，，，，对中厚板的焊接具有主要意义。。。。。。

1、试验要领

试验质料为TA2钛合金，，，，，尺寸为200mm×100mm×6mm。。。。。。母材化学因素如表1所示。。。。。。焊前使用砂纸去除母材外貌 的氧化膜，，，，，并用丙酮扫除板材外貌的油污和灰尘，，，，，包管焊前母材的清洁。。。。。。

划分使用4种焊接方法举行对接焊试验，，，，，试验装置如图1所示。。。。。。复合热源接纳激光在前电弧在后的旁轴复合的方法，，，，，由低功率脉冲式 TruPulse556激光器和松下YC300WX焊机组成。。。。。。激光平均功率可通过激光器的峰值功率、脉冲频率、脉冲宽度 举行调理，，，，，电弧功率可通过氩弧焊机的焊接电流举行调理。。。。。。焊接历程中，，，，，复合热源位置牢靠不动，，，，，板材举行移动。。。。。。

试验接纳自制气体；；；；；；；ふ肿爸迷赥IG焊枪尾部和焊缝背部，，，，，紧贴焊缝。。。。。。在焊接历程中，，，，，向；；；；；；；ふ帜诔 入氩气，，，，，避免焊缝外貌氧化。。。。。。；；；；；；；て趾秃盖故褂玫谋；；；；；；；て寰99.99%的高纯氩气，，，，，焊接工艺参数如表2 所示。。。。。。

为了获得电弧等离子体的侧面和正面的轮廓，，，，，使用拍摄频率为2000帧/s的高速摄像机划分沿笔直、平行于焊 接偏向安排。。。。。。在高速摄像机前端装置一其中心波长为809.5nm、半波长为9.2nm的窄带滤光片，，，，，收罗Ar电弧等 离子体实时信息，，，，，电弧等离子体图像及电弧压力收罗位置如图2所示。。。。。。

焊接完成后，，，，，沿笔直焊缝偏向截取试样，，，，，获得焊缝的横截面，，，，，并举行打磨、抛光，，，，，使用自配的侵蚀溶液 (3%HF+6%HNO₃+91%H2O)侵蚀后，，，，，在MEF-3型金相显微镜下视察焊接讨论横截面形貌及其微观组织；；；；；；；沿笔直于 焊缝偏向截取硬度和静拉伸标准试样。。。。。。使用硬度仪在4.9N压头载荷下，，，，，以0.2mm的步长对焊缝举行硬度测试 。。。。。。凭证标准GB/T228—2002《金属质料室温拉伸试验要领》制备拉伸试样，，，，，并使用DNS300型万能试验机在室 温下以1mm/min的拉伸速率举行拉伸试验。。。。。。每个参数重复举行3次，，，，，通过盘算获得试样抗拉强度和断后伸长率 ，，，，，并求平均值。。。。。。金相收罗位置划分为母材与热影响区界面处(A区域)、焊缝区上部(B区域)和焊缝区下部(C区 域)。。。。。。A，，，，，B，，，，，C区域及硬度打点位置如图3所示。。。。。。

2、效果与讨论

2.1焊缝截面形貌与热输入比照剖析

使用4种焊接方法以表2的工艺参数对厚度为6mm的TA2钛合金举行对接焊试验，，，，，获得的焊缝截面形貌如图4所示。。。。。。

通过盘算，，，，，比照差别焊接方法对热源能量的使用效果。。。。。。

思量电弧与激光的热传导、热对流、反射、辐射等能量消耗等因素。。。。。。能量使用效率可以反应出焊接热源能量 的综合使用效果。。。。。。

式中：η为能量使用效率；；；；；；；PF为焊缝的熔化功率；；；；；；；PH为输出的总功率。。。。。。

焊接历程中输出的总功率为

式中：PT为TIG焊机输出功率；；；；；；；PL为激光器输出功率；；；；；；；UT，，，，，IT划分为TIG焊机输出的电压和电流。。。。。。焊缝的熔化功率为焊缝熔化所需的热力学功率[12]，，，，，其盘算要领为

式中：PF为焊缝熔化所需的热力学功率；；；；；；；ρ为质料的密度；；；；；；；CA为比热容；；；；；；；TM和T0划分为熔化温度和初始温度 ；；；；；；；HF为熔化潜热；；；；；；；Vm为单位时间焊缝熔化的体积；；；；；；；KM为盘算所得常数。。。。。。

由式(3)可知，，，，，PF与KM，，，，，单位时间焊缝熔化的体积Vm成正比。。。。。。由表3中TA2的物理性子参数可以算出，，，，，KM为5。。。。。。 81J/mm³；；；；；；；单位时间焊缝熔化的体积为

式中：Vm为单位时间焊缝熔化的体积；；；；；；；SA为单位时间焊缝区面积；；；；；；；v为焊接速率。。。。。。

能量使用效率η和焊缝的熔化功率PF可以直观地反应热源的能量使用效果。。。。。。由图5可知，，，，，加入激光后，，，，，L- STIG复合焊与STIG焊相比，，，，，η值稍有提升；；；；；；；但L-DTIG复合焊与DTIG焊相比，，，，，η值由13.07%升至21.86%，，，，，提升 显著。。。。。。且L-DTIG复合焊的能量使用效率划分是DTIG焊和L-STIG复合焊的1.67和1.71倍。。。。。。

使用表2的工艺参数对4种焊接方法的热输入举行了盘算，，，，，即

式中：E为焊接热输入；；；；；；；ηT和ηL划分为TIG电弧 和激光的热效率系数；；；；；；；ET和EL划分为TIG焊机和激光器的输出功率；；；；；；；U和I划分为TIG焊的电弧电压和焊接电流 ；；；；；；；v为焊接速率。。。。。。其中TIG热效率系数ηT约为0.8，，，，，激光作用于熔化的金属时，，，，，液态金属对激光的吸收率约为 50%，，，，，以是激光的热效率系数ηL取值为0.5[13]。。。。。。将试验参数代入式(5)盘算可得4种焊接方法热输入如图6所示。。。。。。

由表2和图6可知，，，，，加入激光后，，，，，焊接速率显着提高，，，，，热输入显著降低。。。。。。L-STIG复合焊的焊接速率为STIG焊的 1.76倍，，，，，热输入为STIG焊的60.7%；；；；；；；L-DTIG复合焊的焊接速率为DTIG焊的3.24倍，，，，，为L-STIG复合焊的2.27倍 。。。。。。L-DTIG复合焊的热输入仅为605.5J/mm，，，，，是DTIG焊的35.5%，，，，，是L-STIG复合焊的59.0%。。。。。。

2.2组织与性能剖析

由于4种焊接方法的热输入差别，，，，，以是讨论的组织性能也有较大的差别。。。。。。对焊接讨论差别区域的金相组织进 行收罗，，，，，如图3中的A，，，，，B，，，，，C区域所示。。。。。。其中A区域为母材与热影响区界面处，，，，，B和C区域划分为焊缝的上部和 下部，，，，，4种焊接方法讨论的微观组织如图7~图10所示。。。。。。由图7~图10可知，，，，，母材由匀称的等轴α晶粒组成，，，，，热 影响区与母材界面 显着，，，，，热影响区主要结构为不规则的锯齿状α晶粒(D)。。。。。。STIG和DTIG焊讨论中焊缝主要由粗大不规则的锯齿 状α晶粒(D)、柱状α晶粒(E)以及少量的针状α晶粒(F)组成。。。。。。L-STIG和L-DTIG复合焊讨论的焊缝区除了存 在锯齿状α晶粒、柱状α晶粒，，，，，针状α晶粒外还保存部分α孪晶(G)。。。。。。整体而言，，，，，STIG和DTIG焊讨论中的晶 粒尺寸均大于L-STIG和L-DTIG复合焊讨论中的晶粒尺寸。。。。。。比照焊缝上部和下部的微观组织可以看出，，，，，下部的 晶粒尺寸较上部稍有减小，，，，，且L-STIG，，，，，L-DTIG复合焊讨论焊缝组织中细小的α孪晶主要保存于上部区域。。。。。。

对4种焊接试样举行了硬度测试，，，，，硬度漫衍云如图11所示。。。。。。从图11可以看出，，，，，从焊缝中心到母材，，，，，硬度呈下 降趋势。。。。。。STIG，，，，，DTIG焊讨论的焊缝区和热影响区硬度漫衍匀称，，，，，焊缝区的平均硬度为202.3，，，，，203.1HV，，，，，热影 响区的平均硬度为180.2，，，，，181.7HV。。。。。。加入激光后，，，，，L-STIG，，，，，L-DTIG复合焊讨论的硬度稍有提升，，，，，焊缝区的平 均硬度为207.1，，，，，208.3HV，，，，，热影响区平均硬度为186.5，，，，，186.8HV。。。。。。漫衍于焊缝上部区域细小的针状α晶粒和 α孪晶导致该区域硬度显着增添，，，，，其最大硬度划分为224.3，，，，，229.5HV。。。。。。

图12为4种焊接讨论的拉伸性能。。。。。。从图12可以看出，，，，，母材的抗拉强度和断后伸长率划分为436MPa和32.5%。。。。。。 STIG，，，，，DTIG焊讨论试样均断裂于焊缝区，，，，，抗拉强度划分为381，，，，，396MPa，，，，，约为母材的87.4%和90.8%；；；；；；；其断后 伸长率划分为19.0%，，，，，20.5%，，，，，约为母材的58.5%和63.1%。。。。。。L-STIG，，，，，L-DTIG复合焊讨论试样均在母材处断裂，，，，， 断裂处泛起显着的颈缩，，，，，其抗拉强度和断后伸长率与母材相当。。。。。。由此可见，，，，，使用L-DTIG复合焊要领可获得力 学性能优良的TA2钛合金焊接讨论。。。。。。

2.3电弧等离子体形貌及电弧压力剖析

使用高速摄像机对xOz和yOz平面的电弧等离子体信息举行收罗。。。。。。使用压力传感器对电弧等离子体底部中心位 置的电弧压力举行丈量。。。。。。对收罗数据举行剖析，，，，，研究激光-电弧复合热源低热输入、高焊接效率的实质特征 。。。。。。

图13为4种焊接方法的Ar电弧等离子体的形貌。。。。。。由图13可知，，，，，当有激光作用时，，，，，电弧等离子体爆发显着的收 缩，，，，，中心导电通道面积减小。。。。。。这是由于Ti原子的电离能(6.81eV)显着小于Ar原子(15.76eV)[14]，，，，，在焊接过 程中，，，，，Ti原子被优先电离，，，，，形成的Ti等离子体取代导电通道中部分Ar等离子体举行导电。。。。。。界说电弧等离子体 中的要害参数，，，，，定量的剖析激光对电弧等离子体的诱导、压缩作用。。。。。。电弧根部在板材外貌的形状类似于椭圆 形，，，，，电弧根部面积可以用式(6)体现。。。。。。

式中：S为电弧根部面积；；；；；；；dt和dw划分为xOz和yOz平面电弧根部长度，，，，，如图14所示。。。。。。

激光作用时，，，，，电弧中心导电区的缩短比和根部面积的缩短比例可以反应激光对电弧的诱导效果，，，，，可以体现为

式中：CT为电弧中心导电区的缩短比；；；；；；；T为电弧中心导电区的面积；；；；；；；CR为根部面积的缩短比例；；；；；；；S为电弧根部 面积；；；；；；；dt为xOz平面电弧根部长度；；；；；；；dw为yOz平面电弧根部长度；；；；；；；下角标括号中的STIG/DTIG为STIG焊或DTIG 焊要领；；；；；；；下角标括号中的L-STIG/L-DTIG为L-STIG复合焊或L-DTIG复合焊要领。。。。。。

从表4可以看出，，，，，在xOz和yOz平面，，，，，L-STIG和L-DTIG复合焊电弧中心导电区均有缩短，，，，，且L-DTIG复合焊电弧 缩短更为显着。。。。。。L-DTIG复合焊电弧在xOz和yOz平面的缩短比划分是L-STIG复合焊电弧的1.51和1.52倍。。。。。。表4 中的电弧根部面积的缩短比例(CR)值越大，，，，，代表激光对电弧的诱导能力越强。。。。。。L-DTIG复合焊电弧根部作用面 积缩短比例是L-STIG复合焊电弧的1.38倍。。。。。。效果批注，，，，，激光对双电弧等离子体的诱导能力更强，，，，，电弧能量更 为集中，，，，，使焊接效率提高，，，，，热输入降低。。。。。。

对4种焊接方法电弧根部中心位置的电弧压力举行丈量，，，，，其效果如图15所示。。。。。。

加入激光后，，，，，电弧压力显著提 高。。。。。。L-DTIG复合焊电弧压力为3465Pa，，，，，是DTIG焊的4.17倍，，，，，是L-STIG复合焊的2.25倍。。。。。。电弧压力是高速运动 的等离子体射流撞击阳极板材所爆发的力。。。。。。假设电弧等离子体射流撞击阳极板材后，，，，，运动速率变为0，，，，，凭证 动能守恒定律，，，，，电弧根部中心处的电弧压力为[15]

式中：Parc为电弧压力；；；；；；；ρ为电弧等离子体密度；；；；；；；v为等离子运动速率。。。。。。

由式(9)可知，，，，，电弧压力与电弧等离子体密度和等离子体流速成正相关。。。。。。假设等离子体在无粘流、不可压缩 的条件下举行运动，，，，，等离子体的运动速率可体现为[14]

式中：v为等离子运动速率；；；；；；；μ0为自由空间磁导率；；；；；；；I和J划分为电弧中心的电流强度和电流密度；；；；；；；ρ为电弧 等离子体密度。。。。。。

电弧等离子体的电流密度为[16]

式中：H为电弧等离子体电场强度；；；；；；；e为电子电荷；；；；；；；ne，，，，，λe划分为电子密度和电子平均自由程；；；；；；；k为玻尔兹曼 常数；；；；；；；me为电子质量；；；；；；；Te为电子温度。。。。。。将式(10)~式(11)代入式(9)中，，，，，获得电弧压力的详细盘算式，，，，，即

由式(12)可知，，，，，Parc与Te成弱相关，，，，，与I，，，，，H，，，，，ne的相关性较强。。。。。。

当激光作用时，，，，，电弧等离子体显着缩短，，，，，导电通道直径减小，，，，，凭证最小电压原理，，，，，电弧电压增添。。。。。。由于钨极 高度坚持一致，，，，，电弧电压增添导致电场强度(E)增强。。。。。。电弧等离子体受到电场和洛伦兹力配合影响，，，，，使电子 获得大宗能量，，，，，加剧了高能电子与Ar粒子的碰撞，，，，，增进了粒子的电离，，，，，电弧等离子体中电子密度(ne)显着增 加。。。。。。以是L-STIG，，，，，L-DTIG复合焊电弧压力显着高于STIG和DTIG焊，，，，，且L-DTIG复合焊高于L-STIG复合焊，，，，，盘算 效果与试验测得数据一致。。。。。。这是由于与L-STIG复合焊相比，，，，，L-DTIG复合焊单个电极焊接电流(260A)较小，，，，，由 于电弧挺度与电极电流成正相关。。。。。。在激光作用时，，，，，激光更容易战胜电弧挺度，，，，，L-DTIG复合焊电弧等离子体的 缩短水平大于L-STIG复合焊，，，，，电场强度更大；；；；；；；且L-DTIG复合焊的总焊接电流(520A)大于L-STIG复合焊(400A) ，，，，，导致L-DTIG复合焊的电流强度更大；；；；；；；在两者配相助用下，，，，，使得L-DTIG复合焊电弧压力显着高于L-STIG复合 焊。。。。。。电弧等离子体作用于板材，，，，，电弧压力的增大，，，，，更有利于在板材外貌形成更大的熔深。。。。。。即在获得相同熔深 的条件下，，，，，增大电弧压力，，，，，可提升焊接效率、降低焊接的热输入。。。。。。

综上所述，，，，，由于STIG焊和DTIG焊的电弧放电面积大，，，，，电弧压力较小，，，，，能量密度较低，，，，，熔透6mm钛合金时需要 更大的热输入，，，，，使熔池冷却速率慢，，，，，高温停留时间长，，，，，导致焊缝及热影响区晶粒粗大，，，，，硬度相对较低，，，，，焊缝 的团结强度相对较弱。。。。。。

激光作用时，，，，，L-DTIG复合焊的转变最为显著。。。。。。在L-DTIG焊历程中，，，，，脉冲激光作用于熔池增进了熔池内液态金 属的相互扰动，，，，，破碎枝晶，，，，，同时激光的诱导放电效应使双电弧等离子体大幅缩短，，，，，电弧压力增大，，，，，能量密度 升高，，，，，焊接效率提高。。。。。。较低的热输入使熔池冷却加速，，，，，晶粒来缺乏长大，，，，，形成细小的α晶粒，，，，，提高了焊接接 头的力学性能。。。。。。

3、结论

(1)在6mm厚TA2钛合金焊接中，，，，，L-DTIG复合焊具有焊接速率快、热输入小、能量使用效率高等优势。。。。。。L-DTIG 热输入仅为605.5J/mm，，，，，为DTIG焊的35.5%，，，，，为L-STIG复合焊的59.0%；；；；；；；能量使用效率划分是DTIG焊和L-STIG 复合焊的1.67倍和1.71倍。。。。。。

(2)加入激光后，，，，，L-DTIG复合焊热输入显著降低，，，，，且脉冲激光搅拌熔池，，，，，细化了焊缝及热影响区的晶粒。。。。。。从 焊缝区到母材硬度呈下降趋势，，，，，焊缝区硬度最高为229.5HV。。。。。。拉伸试样断裂位置为母材，，，，，抗拉强度与母材相 当。。。。。。

(3)激光作用时，，，，，电弧能量越发集中。。。。。。L-DTIG复合焊电弧等离子体的中心导电区在xOz和yOz平面电弧划分收 缩51.0%和45.5%，，，，，电弧根部作用面积缩短75.0%。。。。。。L-DTIG复合焊热源在工件上的电弧压力为3465Pa，，，，，划分是 DTIG焊和L-STIG复合焊的4.17和2.25倍。。。。。。较高的电弧缩短比和电弧压力可显著提高焊接效率，，，，，降低焊接热输 入。。。。。。

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Ando K, Hasegawa M. Welding arc phenomenon[M]. Shi Yuxi-ang, trans. Beijing: China Mechine Press, 1985.

第一作者：杨环宇，，，，，博士研究生；；；；；；；主要从事激光-多电弧复合热源物理机制及工艺研究；；；；；；；Email: yanghuanyuyhy@163.com.

通讯作者：刘黎明，，，，，博士，，，，，教授，，，，，博士研究生导师；；；；；；；Email:liulm@dlut.edu.cn.

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