钛合金激光焊接质量在线监控系统设计与机理研究：基于等离子体光谱的动态保护调控与熔池稳定性分析

针对钛合金激光焊接中氧化缺陷与等离子体屏蔽效应导致的质量不稳定问题，研究人员开发了基于动态可控保护罩系统与等离子体光谱实时监测的方法。通过优化预充氩时间（0–3 s），实现了双面银白色焊缝成形，揭示了保护气体状态通过调控熔池流体行为与热稳定性影响焊接质量的机理，为高性能钛合金焊接提供了理论与技术支撑。

　　

钛合金（Titanium alloys, Ti）因其优异的比强度和耐腐蚀性，已成为航空航天、船舶制造等高端领域的关键材料。据统计，钛合金在现代航空发动机中的占比已达25%–30%，而特种压力容器中对钛合金焊接接头的需求也显著增长。与传统焊接方法相比，激光焊接具有热输入低的优势，能有效抑制脆性金属间化合物的形成，显著提升钛合金接头的力学性能。研究表明，激光焊接的钛合金焊缝及热影响区强度甚至可超过母材，从而整体提升接头性能，这对延长飞机结构的疲劳寿命至关重要，也使激光焊接成为近年来极具前景的工业连接技术。

然而，钛合金激光焊接面临两大挑战：一是光致等离子体屏蔽效应，材料蒸发导致雪崩电离，形成光致等离子体并吸收激光能量，造成熔深波动和焊缝扩展；二是氧化缺陷，钛在温度超过673 K时强烈吸氧，熔池表面氧化反应放热并诱发湍流，增加气孔率并使焊缝背面产生色差。吹气辅助是目前广泛采用的等离子体屏蔽方法，但在满足钛合金高质量焊接（尤其是实现双面银白色焊缝）方面存在明显局限。低侧吹流量下，等离子体抑制在焊接初期有效，但随着后期等离子体密度增加，金属蒸气压力超过侧吹压力，辅助气流失效；高侧吹流量则对熔池产生较大扰动，影响焊道成形。此外，现有基于等离子体光谱的监测技术尚未同步考虑气体保护 aspect。

为此，宋倩倩（Qianqian Song）等研究人员在《Materials 》上发表论文，设计了一种动态可控的保护罩系统，引入“预充氩时间”作为关键变量，通过预置换保护罩内气体 atmosphere 降低残余氧含量，并集成高速光谱仪实时监测等离子体光谱特性，建立光谱特性与焊接质量的映射模型，结合实验表征（焊缝形貌、微观结构）与热力学模拟，阐明了保护气体流态对熔池稳定性的调控机制，最终实现了钛合金高质量激光焊接。

研究主要采用以下技术方法：以TA21钛合金为样本（尺寸3 cm × 5 cm × 2 mm），采用光纤激光器（波长1080 nm）进行焊接，功率2900 W，焊接速度30 cm/s，氩气流量20 L/min。通过高速光谱仪采集等离子体光谱，利用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）对焊缝表面和截面进行形貌与元素分析，结合多光谱线斜率法和斯塔克展宽计算电子温度与电子密度，并基于COMSOL Multiphysics?开展热力学模拟，量化熔池稳定性与能量损耗。

焊缝表面形貌分析

在不同保护条件下（无保护气、预充氩0 s、1 s、2 s、3 s），焊缝正面和背面形貌呈现显著差异。无保护气时，焊缝呈灰白色，成形差，飞溅严重，背面未成形；预充氩0 s时，焊缝正面黄泛蓝，背面蓝白色，存在咬边和凹坑缺陷；预充氩1 s时，焊缝呈蓝紫色，形态不均，边缘咬边和凹坑仍存；预充氩2 s时，焊缝黄色，轻微不均，背面有凹坑；预充氩3 s时，双面形成均匀银白色焊缝，保护完全。随着保护水平提高，焊缝颜色从灰色向银色转变，凹坑和飞溅减少。

焊缝表面微观形貌

基材表面为常温自然氧化膜，呈颗粒状凸起。无保护气时，焊缝区呈结节结构，氧原子比升至65.11%，TiO₂颗粒聚集，导热性差（4.8 W/(m·K) vs. 基钛21.9 W/(m·K)），导致局部热阻增加，横向热扩散，熔池底部热量穿透不足，局部熔化不完全，形成凝固收缩凹坑。预充氩0 s时，初现棒状TiO₂晶体，颗粒状氧化物仍主；预充氩1 s时，棒状结构明显，颗粒氧化物减少；预充氩2 s时，完成颗粒向棒状转变，表面形成连续致密膜；预充氩3 s时，棒状结构细化，膜密度增加，有效阻氧。随着通风时间增加，表面钛含量从34.89%升至78.55%，氧含量从65.11%降至21.45%，钛氧比（Ti/O）从0.54改善至3.66，与基材相当。

焊缝截面分析

保护措施增强（从无保护到预充氩3 s），β相含量和尺寸增加，针状α相和马氏体α′相减少。无保护气时，吸氢、氮、氧的吸热反应导致冷却速率过快，形成针状α和马氏体α′，非平衡相变改变焊缝区微观结构特征，降低材料力学性能，削弱接头韧性和强度。元素分析显示，随着保护水平提高，钛氧比略有增加，表明激光焊接过程中不仅焊缝表面发生氧化形成不同颜色的氧化膜，氧还污染焊缝内部。

等离子体光谱反演机理

光致等离子体改变激光能量与工件的耦合效应，影响到达工件表面的激光能量密度和状态，对焊缝成形至关重要。等离子体参数中，电子温度和电子密度是与钛合金焊接缺陷发生密切相关的关键因素。等离子体光谱与焊接状态存在映射关系，通过实时光谱监测可反演焊接过程，实现调控。研究通过多光谱线斜率法计算电子温度（3929.10 K–8194.96 K），斯塔克展宽法计算电子密度（1.2394 × 10¹⁸ cm^?3–1.4244 × 10¹⁸ cm^?3），并基于局部热平衡假设，计算等离子体吸收系数（0.278–0.052），表明保护水平提升显著降低等离子体对激光能量的吸收。

氧化反应对熔池的扰动效应

钛合金焊接接头质量易受气体等杂质污染，氧化以多种方式影响钛合金，不仅影响接头强度和韧性，还影响晶粒结构。523 K时实验材料开始吸氢，673 K开始吸氧，973 K氮渗入熔池显著。这些气态元素的存在导致焊接结构脆化和缺陷形成。研究通过数学建模重建焊缝区体积（375.2 mm³–438.1 mm³），结合EDS原子含量数据，估算焊缝内氧化物量，计算氧化反应能耗（1.354 J–73.615 J），表明保护水平提高，焊缝总体积逐渐增加，氧化消耗能量逐渐减少。

热力学模拟

模拟引入损耗干扰系数（基于实验测量氧化速率）和等离子体吸收率（α）量化激光-材料相互作用前的能量损失。模拟功率数据分别为1654.540 W、2029.276 W、2330.479 W、2525.993 W、2748.600 W。COMSOL Multiphysics?温度模拟显示，气体保护水平提升，熔池稳定性逐步改善，无保护气时熔池稳定性最低，固液界面显著不均，波动剧烈；预充氩3 s时熔池完全稳定，形态均匀规则。定义“熔池稳定性偏差（D）”量化缺陷水平，无保护气时偏差最大，预充氩3 s时偏差最小。钛升华模块（红色箭头指示）显示，钛达到升华阈值后经历汽化-再凝固过程，与氧反应加速氧化相变，最终以TiO₂形式沉积，升华强度随保护水平提高而减弱，空间不均导致沉积层分布变化，未覆盖区域发生浅表氧化。保护水平不同，焊接区氧浓度梯度各异，无保护时氧浓度最高，氧化反应剧烈，形成厚灰色氧化层；保护减弱时，氧分压降低，钛升华减弱，TiO₂沉积减少而表面氧化增加，焊缝颜色呈灰、紫蓝、黄梯度变化；最优保护下，焊缝呈银白色。

研究结论表明，基于等离子体光谱分析的焊接过程实时监测方法，集成于焊接保护罩内，同步实现气体保护与光谱检测，可有效抑制氧侵入，消除飞溅、气孔等缺陷，促进β相扩散生长。改进保护水平使激光吸收率从0.278降至0.052，显著减弱氧特征峰强度，熔池稳定性偏差降低30%，极大提升钛合金焊接质量。该研究将焊接质量控制从被动气体保护推进至主动闭环框架，涵盖气体控制、等离子体诊断、熔池调控和焊接质量评估，通过光谱反馈直接影响微观结构演变，最终决定焊接质量，为活性金属智能焊接提供技术基础。未来研究将把该方法扩展至其他活性金属，如锆。