突破厚板窄间隙焊接瓶颈！环芯可调激光熔池调控提升钛合金强韧性

摘要：近期，南京航空航天大学激光焊接与再制造技术研究所王建峰副教授（第一作者）、硕士生刘战、占小红教授（通讯作者）等人在材料加工工程领域Top期刊《Journal of Materials Processing Technology》上发表了题为“Enhanced

近期，南京航空航天大学激光焊接与再制造技术研究所王建峰副教授（第一作者）、硕士生刘战、占小红教授（通讯作者）等人在材料加工工程领域Top期刊《Journal of Materials Processing Technology》上发表了题为“Enhanced microstructure and mechanical properties in narrow gap ring-core adjustable laser welding of titanium alloys: Insights from molten pool morphology”的研究论文。

作者

王建峰*，刘战，许珍木，段宇航，刘星，占小红*

通讯作者邮箱

xiaohongzhan_nuaa@126.com

wangjianfeng@nuaa.edu.cn

论文链接

01研究背景与意义

航空航天制造轻量化、集成化与复杂化的发展趋势，对钛合金厚壁构件精密高质量制造提出更高要求。然而，钛合金导热性差、化学活性高的特性，导致其窄间隙激光焊接易出现侧壁未熔合、残余应力大及熔池失稳等问题。环芯可调激光技术（由中心光束与同心环形光束构成）通过独立调控中心与环形功率，实现对熔池动力学和空间功率分布的精确控制，这为改善熔池形态、有效抑制侧壁未熔合缺陷提供新途径，有望显著优化焊缝成形并提升接头质量。

02内容简介

本文基于环芯可调窄间隙激光焊接（NGR-CALW）工艺，系统研究了坡口间隙与环芯比对熔池形态演化及焊缝组织-性能的影响机理。该研究通过数值模拟与实验表征相结合，揭示了不同参数下熔池流动行为与温度梯度分布的演变规律。结果表明，坡口间隙的增大会使焊缝截面由“窄深型”逐渐向“宽浅型”过渡，而环芯比的提高则显著拓宽有效侧壁熔合区，使焊缝上部轮廓更加饱满。不同熔池形态所带来的热传导路径与冷却梯度差异，使显微组织在空间分布上呈现出明显差异。进一步分析表明，合理匹配坡口间隙与环芯比能够促进快速凝固与组织细化，从而显著提升22 mm厚TC4钛合金窄间隙焊接接头的强度与韧性。该研究深入揭示NGR-CALW过程中的“能量输入–熔池行为–组织演化–性能响应”耦合机制，为钛合金厚板高质量窄间隙焊接工艺优化设计提供重要理论依据与技术支撑。

图1 环芯可调激光对窄间隙熔池形态的调控作用原理（a）环芯可调激光原理图；（b）熔池形态原理图;（c） 22 mm厚钛合金窄间隙环芯可调激光焊接接头

03研究发现

微观组织

随着环芯比与坡口宽度的变化，TC4钛合金NGR-CALW接头的熔池形态由凹形逐步演变为平形与凸形，其显微组织呈现规律性演化特征。在凹形熔池中，散热方向以横向为主，β柱状晶尺寸细小且多呈横向生长，“生长拐角”角度仅约35°，组织均匀致密；当熔池过渡为平形时，热量分布趋于均衡，β柱状晶尺寸适中，生长方向逐渐转为纵向，拐角角度增至62°，并形成较规则的针状α′与魏氏组织；在凸形熔池中，由于上部热量集中和冷却速率减缓，β柱状晶显著粗化，平均宽度达167.3 μm，“生长拐角”进一步扩大至79°，伴随针状α′相分布更加复杂，组织异质性增强。

图2 不同熔池形态下的焊缝微观组织

熔池流动

随着环芯比的提高，激光能量分布由中心集中逐步向环形区域扩展，导致匙孔深度和熔池内部的流动速度逐渐降低。当环芯比为0.45时，激光能量高度集中于焊缝中心，形成陡峭的温度梯度，从而驱动强烈的单向Marangoni对流，伴随高强度的金属蒸汽反冲压力。随着环芯比的进一步增加，能量分布趋于均匀，核心区与环形区之间的温度梯度相互抵消，熔池内由强单向流动转变为对称的双涡流结构，显著削弱了熔池的流动驱动力和反冲压力，导致表面流速下降，熔池形貌趋于稳定，成形过程更加可控。

图3 不同环芯比下的熔池流动状态

力学性能

基于坡口间隙与环芯比匹配关系，采用窄间隙结构环芯可调激光焊接工艺成功连接了22 mm厚TC4钛合金，并获得了高质量的焊接接头。受多重焊接热循环的影响，接头各区域微观组织和力学性能呈现出明显的不均匀性。从接头底层到顶层，焊缝中心显微硬度整体上呈现降低的趋势，在部分区域内出现小范围的增加现象，但其硬度值基本保持在350-410 HV，各拉伸试样的抗拉强度基本保持在950.5-967.1 MPa。