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作者介绍
第一通讯作者
周鹏 博士
西安航空职业技术学院
工学博士、正高级工程师。2016 年至今于西安航空职业技术学院任教，陕西高校青年创新团队“航空用轻合金精密成形技术创新团队”团队带头人。曾获甘肃省科技进步一等奖、甘肃省冶金有色工业科技进步一等奖等奖项。主持陕西省重点研发计划项目 1 项、陕西高校服务地方专项项目 1 项；参与完成甘肃省科技厅科技重大专项计划项目 1 项。发表高水平论文 10 余篇，其中 SCI 检索 2 篇，EI 检索 1 篇，CSCD 检索 3 篇。多年来从事不锈钢新产品研发、航空轻合金制备与加工的基础研究、工程研究和工业应用等研究。
第二通讯作者
黄健康 教授
兰州理工大学
工学博士、博士生导师。兰州理工大学焊接技术与工程系教师。主要从事焊接过程检测及控制、焊接物理、增材制造、异种金属连接、激光焊接等领域的研究，并开展其相关领域的数值研究工作，特别关注焊接物理、材料界面行为的研究。主持国家自然基金面上项目、地区项目、青年项目共 3 项；军工保密项目 1 项。任《电焊机》编委、焊接杂志社 (焊接学报、焊接) 青年编委、中国焊接学会计算机辅助焊接工程专委会、机器人与自动化专委会、青年工作委员会委员。获得江苏省科技副总人才项目支持，江苏省泰州市“凤城英才计划”创新人才项目支持。现已发表论文 260 余篇；出版专著 1 部、教材 2 部；获专利授权 10 余项。
第一作者
樊浩 讲师
西安航空职业技术学院
2016 年进入西安航空职业技术学院工作。长期与兰州理工大学黄健康教授团队合作，主要从事特种连接技术、激光-电弧复合焊过程及应用研究。陕西省教育厅科技创新团队“航空用轻合金精密成形技术创新团队”成员；主持西航职院校级课题 1 项，参与省级课题 2 项以及中华职教社等多项科研课题，公开发表论文 SCI 收录论文 1 篇，EI 收录 1 篇，核心期刊 2 篇，授权专利 2 项。
Metals
研究介绍
激光-电弧复合焊作为一种高效率、高质量的焊接技术，已成为一种应用广泛的焊接技术。与单一热源相比，激光-电弧复合热源可以有效控制焊缝外观成形。然而，由于激光和电弧两种热源截然不同的特点，可将激光-电弧复合焊的焊缝分为电弧区和激光区。电弧区和激光区在宏观形貌和微观结构上极为不同。
目前对于激光-电弧复合焊导致的电弧区和激光区组织的不均匀研究较少，特别是电弧区和激光区相的组成和晶粒演化过程方面的研究。而 TC4 钛合金在激光-电弧复合焊过程中电弧区和激光区在相的组成、晶粒尺寸、微观形貌上存在较大差异，进而会影响焊接接头的力学性能。来自兰州理工大学的黄健康教授团队在 Metals 期刊上发表了一篇关于 TC4 钛合金激光-TIG 复合焊电弧区和激光区组织与力学性能的文章，对于研究电弧区和激光区相的组成和晶粒演化过程具有重要意义。
实验方法
……
作者以 TC4 钛合金为母材，通过激光-TIG 复合焊接制备出不同 TIG 焊接电流大小的焊缝。
图 1. 激光-TIG 复合焊接系统：(a) 实物图；(b) 激光、TIG 焊枪与焊丝的位置关系。焊接过程中采用 K 型镍铬-镍硅热电偶进行温度采集，采集点距离焊缝中心 10 mm。通过 CP-80 高速摄影仪对焊接过程的激光-电弧形态进行图像采集。
图 2. 温度和图像采集系统。
实验结果
……
图 3 显示了电流 50 A 时每间隔 1 ms 的激光-TIG 形态。从图可以发现，激光-TIG 在激光束附近的熔池出现凸起，并有飞溅产生。因此，在激光-电弧复合焊过程中，熔池发生剧烈的流动，在激光束附近出现周期性的起伏，起伏周期为 2 ms。这种周期性起伏不仅导致出现飞溅，也会在熔池凝固后在焊缝表面出现凹坑。
图 3. 电流为 50 A 时不同时间下的激光-TIG 形态：(a) I = 30 A；(b) I = 40 A；(c) I = 50 A; (d) I = 60 A。
图 4 为不同电流大小下激光-电弧复合焊接接头截面形貌。随着电流的增加，电弧区逐渐增大，而激光区基本不变，接头横截面焊缝的“钉子”形状也逐渐变为“杯子”形状。同时，随着电流的增加，电弧区的气孔逐渐减少。
图 4. 不同电流大小下激光-TIG 复合焊接接头截面形貌：(a) I = 30 A；(b) I = 40 A；(c) I = 50 A；(d) I = 60 A。
图 5 为不同电流大小下电弧区的显微组织。随着电流的增加，电弧区的晶粒先逐渐减小然后增大，并在 电流为 50 A 时达到最小。这是由于随着电流增加，熔池上部的电弧区流动更加剧烈，破碎的效果更加显著，因此使得晶粒更加细小。但是当电流为 60 A 时，较大的电流导致电弧区高温停留时间较长，晶粒经历较长时间的高温又逐渐长大。
图 5. 不同电流大小下电弧区的晶粒：(a) I = 30 A；(b) I = 40 A；(c) I = 50 A；(d) I = 60 A。
图 6 显示了电流 电流为 30 A 和 50 A 时焊缝垂直方向的显微硬度分布。可以看到，随着离焊缝表面距离的增加，焊缝的显微硬度值均先出现较大的波动，然后再趋于稳定。
图 6. 不同电流大小下焊缝的显微硬度分布：(a) I = 30 A；(b) I = 50 A。
从焊接接头表面形貌和激光-TIG 形态分析结果可以看出，激光束附近的熔池出现了周期性起伏运动。这说明在焊接过程中，激光-TIG 复合焊接特殊的电弧压力、熔池表面张力、激光束的小孔效应及熔滴过渡共同影响，导致电弧区的熔池产生了剧烈流动 (图 7)。电弧区激光束附近的熔池流动过程主要分为 3 个阶段：(a) 凸起；(b) 下降；(c) 凹陷。因此，在电弧区产生了周期性剧烈流动，从而最终导致该区的晶粒较激光区细小。
图 7. 激光束附近的熔池流动过程示意：(a) 凸起；(b) 下降；(c) 凹陷。
图 8 为 TC4 钛合金激光-TIG 复合焊电弧区熔池流动示意图。在焊接过程中，TIG 电弧一方面增加了单位面积输入热，使得电弧区熔池液态金属停留时间增加，焊缝的深宽比减小，这将有利于气泡的浮出，从而起到消除气孔的作用；另一方面电弧导致电弧区产生剧烈流动，加大了焊接熔池的对流与搅拌，对消除气孔起有利作用。
图 8. 电弧区熔池流动示意图。
图 9 为熔池冷却凝固过程中，TC4 钛合金激光-TIG 复合焊电弧区晶粒演化示意图。具体演化过程为：柱状晶以焊缝中心为对称轴，从两侧熔合线开始向焊缝顶部生长，形成粗大的柱状晶，如图 9(a) 所示；在电弧区的周期性剧烈流动作用下，粗大的柱状晶被破碎，如图 9(b) 所示。之后，随着熔池冷却凝固，破碎的晶粒继续生长，最终形成细小的晶粒。
图 9. 电弧区晶粒演化示意图：(a) 晶粒长大; (b) 晶粒破碎。
研究结论
……
电弧区的熔池会产生周期为 2 ms 的流动，并对电弧区产生晶粒细化和消除气孔的作用，且随着电流增加，流动更加剧烈。电弧区相较于激光区的晶粒尺寸更细小。随着电流增加，两个区域的平均硬度均呈现下降趋势，激光区的平均硬度值均高于电弧区，同时激光区硬度均匀性也明显优于电弧区。
相关特刊
黄健康教授在 Metals 期刊担任特刊“Microstructure and Mechanical Property Improvement of Welded Metal Joints (焊接接头的组织及力学性能改进)”的客座编辑，欢迎相关学者踊跃投稿！
投稿截止日期：2023 年 9 月 30 日
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原文出自 Metals 期刊
Fan, H.; Zhou, P.; Li, J.; Huang, J.; Ni, Y.; Hui, Y. Microstructure and Mechanical Properties of Arc Zone and Laser Zone of TC4 Titanium Alloy Laser–TIG Hybrid Welded Joint. Metals 2022, 12, 1854.
Metals 期刊介绍
主编：Hugo F. Lopez, University of Wisconsin-Milwaukee, USA
期刊发表涵盖金属材料和冶金工程领域研究以及科技发展研究领域在内的学术文章。
2021 Impact Factor | 2.695 | ||
2021 CiteScore | 3.8 | ||
Time to First Decision | 16 Days | ||
Time to Publication | 37 Days | ||
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*本文由原文作者黄健康负责编辑撰写。文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，于公众号后台留言咨询。
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