摘要：环芯可调激光焊（ring-core Adjustable Laser Welding）因其具备跨越间隙、调控组织以及提升焊缝力学性能的能力，正受到越来越广泛的关注。然而，在窄间隙结构中，熔池形貌的形成机理及其对组织和力学性能沿厚度方向非均匀性的影响机制，仍缺乏

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导读

环芯可调激光焊（ring-core Adjustable Laser Welding）因其具备跨越间隙、调控组织以及提升焊缝力学性能的能力，正受到越来越广泛的关注。然而，在窄间隙结构中，熔池形貌的形成机理及其对组织和力学性能沿厚度方向非均匀性的影响机制，仍缺乏深入理解。

为此，本文开展了结合实验与数值模拟的研究，系统探讨了坡口间隙与环芯比对窄间隙环芯可调激光焊（NGR-CALW）中熔池形貌的影响。通过流场数值模拟，深入分析了不同坡口间隙和环芯比条件下的熔池流动行为及温度梯度分布，揭示了焊缝形貌与显微组织演化的基本机制。

研究结果表明：

本研究为理解窄间隙钛合金激光焊接中的熔池行为提供了新的视角，并为NGR-CALW工艺的优化设计奠定了理论基础。

主要图表

图1.TC4钛合金母材显微组织：(a)光学显微组织中的晶粒尺寸测量；(b)α相和β相的分布。

图2.窄间隙结构槽示意图：(a)-(b)8mm厚试样的整体外观和槽尺寸；(c)-(d)22mm厚试样的整体外观和槽尺寸。

图3.TC4钛合金的NGR-CALW设备及示意图：(a)设备示意图；(b)环芯可调式激光热源的能量分布；(c)NGR-CALW工艺示意图；(d)保护空气喷嘴设置。

图4.TC4钛合金在NGR-CALW过程中通过高速成像系统监测熔池形态。

图5.机械性能试验样品的选取位置和试样数量：(a)试样取样位置；(b)显微硬度试验路径示意图；(c)拉伸试样尺寸。

图6.模拟用有限元模型示意图：(a)整体网格模型，(b)非均匀六面体网格和壁面边界；(c)计算域网格划分；(d)实验结果与模拟结果的焊缝轮廓对比。

图7.不同焊缝间隙下NGR-CALW焊接工艺的熔池形态与焊缝宏观外观：(a)-(d)3mm焊缝间隙时的熔池形态及表面特征；(e)-(h)4mm焊缝间隙时的熔池形态及表面特征；(i)-(l)5mm焊缝间隙时的熔池形态及表面特征；(m)焊缝尺寸差异，误差条表示标准差。

图8.不同环芯比下NGR-CALW焊接缝熔池形态与宏观外观对比：(a)-(d)环芯比0.45时的熔池形态及表面特征；(e)-(h)环芯比0.6时的熔池形态及表面特征；(i)-(l)环芯比0.78时的熔池形态及表面特征；(m)-(p)环芯比1时的熔池形态及表面特征；(q)焊缝尺寸差异，误差条表示标准差。

图9.熔池流动形态，包括不同沟槽间隙的纵向剖面和表面：(a)和(b)沟槽间隙为3 mm；(c)和(d)沟槽间隙为4.5 mm；(e)和(f)沟槽间隙为5 mm。

图10.熔池流动形态，包括不同环芯比下的纵向剖面和表面：(a)和(b)环芯比为0.45；(c)和(d)环芯比为0.6；(e)和(f)环芯比为0.78；(g)和(h)环芯比为1。

图11.NGR-CALW接头不同部位的显微组织分布：(a)横截面形貌；(b)-(d)上HAZ和焊缝金属区；(e)-(g)中HAZ和焊缝金属区；(h)-(j)下HAZ和焊缝金属区。

图12.单次熔池形态对NGR-CALW接头柱状晶粒生长的影响：(a)-(c)“凹形”熔池；(d)-(f)“平形”熔池；(g)-(i)“凸形”熔池；(j)柱状晶粒宽度统计平均值；(k)晶界角统计生长角度。

图13.不同熔池形态下单次NGR-CALW接头尖状α相分布特征：(a)、(d)、(g)和(j)为“凹形”熔池；(b)、(e)、(h)和(k)为“平形”熔池；(c)、(f)、(i)和(l)为“凸形”熔池。

图14.不同焊接形态下的温度分布和温度梯度：(a)和(d)“凹”熔池；(b)和(e)“平”熔池；(c)和(f)“凸”熔池。

图15.不同熔池形态下TC4钛合金窄间隙焊缝的显微硬度分布。

图16.22mm厚TC4钛合金NGR-CALW接头的显微组织分布：(a)焊缝截面整体形貌；(b)和(c)接头顶部区域；(d)和(e)接头中部区域；(f)和(g)接头底部区域。

图17.不同路径下22 mm厚TC4钛合金NGR-CALW接头的显微硬度分布：(a)路径1、路径2和路径3的显微硬度；(b)路径4的显微硬度。

图18.22mm厚TC4钛合金NGR-CALW接头不同层的拉伸性能：(a)-(c)底、中、上层的断裂位置；(d)- (f)底、中、上层的断裂形态；(g)应力-应变曲线；(h)抗拉强度和断裂后延伸率，误差条为STDEV。

主要结论

本研究探讨了熔池形貌对 TC4 钛合金窄间隙环芯可调激光焊（NGR-CALW）成形质量的影响。系统分析了不同坡口间隙与环芯比条件下，熔池形貌对单道焊缝宏观形貌与微观组织特征的影响，最终成功实现了22 mm 厚 TC4 钛合金的优化焊接接头。主要结论如下：

(1) 随着坡口间隙的增大，熔池流动受限程度降低，液态金属更易向侧壁横向流动，同时其向深部的渗透受抑。这导致焊缝截面形貌从“窄而深”逐渐过渡为“宽而浅”。更高的环芯比显著增强了液态金属向坡口侧壁的流动能力，延长了其在侧壁区域的驻留时间，改善了侧壁的润湿与熔合效果，使得有效侧壁熔合宽度显著增加，上部焊缝形貌更圆润饱满。

(2) 由坡口间隙与环芯比共同决定的熔池形貌，进一步影响热量散失条件与冷却速率，从而主导了组织多样性。在“凹形”熔池形貌下，窄间隙焊缝表现出更小的柱状晶尺寸、更小的生长角度、更细小的针状 α' 相以及柱状晶与 α' 相分布的更高均匀性，表明凹形熔池具有更优的冶金质量。

(3) 随着坡口间隙和环芯比的升高，熔池流动状态由受侧壁约束的循环模式向剧烈的 Marangoni 对流转变，流速显著提升，熔池内熔体分布更均匀。该增强的流体运动促进了熔池上部区域的热量聚集，重新定向了温度梯度，从而驱动焊缝形貌由“凹”向“平”，最终演变为“凸”。这一热-流体演化过程显著影响了凝固行为，导致 β 柱状晶粗化与定向生长，形成更宽阔、更垂直排列、更具方向性的显微组织。

(4) 通过优化坡口间隙与环芯比匹配，成功制备出适用于 22 mm 厚 TC4 钛合金窄间隙结构的高质量焊接接头。受多道热循环影响，焊缝各区域存在微观组织非均匀性，自下而上的显微硬度呈逐渐下降趋势，其中局部区域的硬度峰值归因于 α' 相的团聚。拉伸强度整体稳定在 950.5–967.1 MPa 区间内，表现出良好的力学性能。

主要信息

Enhanced microstructure and mechanical properties in narrow gap ring-core adjustable laser welding of titanium alloys: Insights from molten pool morphology

来源：江苏激光联盟