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双光束激光焊接技术研究现状及应用阐述了双光束激光焊接技术特点及研究现状，对钛合金双光束激光焊接工艺进行研究，采用双光束激光焊能增强激光焊接的工艺适应性，减少焊接缺陷，焊接过程更加稳定。试验研究表明，钛合金双光束激光焊焊缝成形良好，钛合金双光束激光焊接头强度与母材相当。采用双光束激光焊接某钛合金薄壁结构件，满足设计要求的焊缝质量标准要求。
因激光焊的激光束光斑直径小，可精确控制焊接热输入，焊接线能量小，因此激光焊接变形和残余应力均很小，同时焊接热影响区窄、焊缝金属晶粒粗化倾向小。

对于钣金成形的薄壁结构件来说，由于成形精度难以控制，焊接装配间隙较大，且存在一定的错边，同时钛合金、铝合金激光焊的气孔倾向较大，给激光焊接技术在薄壁结构件的应用带来了困难。

为解决常规单光束激光焊存在的局限性，将单光束激光分离成两束激光，通过改变两束激光能量配比、光束间距、排布方式，对激光焊接温度场、流动场进行方便、灵活调节，改变匙孔的存在模式与熔池的流动方式，提高单激光焊的工艺适应性，为激光焊接工艺提供更加广阔的选择空间。双光束激光焊接不仅拥有激光焊残余应力变形小、接头质量好等优点，且能较好解决常规激光焊接间隙适应性差、气孔倾向大、合金元素烧损严重等问题 [1]。

TIG 焊、激光焊、双光束激光焊 3种焊接工艺在焊接残余应力和变形、焊缝和热影响区宽度、间隙和错边适应性、气孔倾向、合金元素烧损和挥发等方面的比较如表 1 所示。可看出双光束激光焊既保留了一般激光焊的优点，又克服了其固有缺陷。由此可见，双光束激光焊技术是实现薄壁结构件优质化、高适应性焊接的重要技术途径。

双光束激光焊接技术发展现状

1 双光束激光焊接机理研究

双光束激光基础研究的重点集中在单光束与双光束对比下的温度场、流动场分布特征以及等离子体、匙孔稳定性等方面。

宾夕法尼亚大学 J.Hu 对双光束激光焊接匙孔形貌进行了三维数值仿真计算，研究发现随着两束光光斑间距增加，由一个匙孔逐渐变为两个，熔池尺寸增大 [2]。曼彻斯特大学Blackburn 等采用高速摄像研究了钛合金双光束激光焊接等离子体特征，发现与单光束激光焊接相比，光致等离子体更加稳定，分析得出双光束激光焊匙孔一直处于开放状态，从而使得等离子体从匙孔中不断逸出，匙孔内等离子体的压力值始终保持在较低水平，因此不会出现剧烈的等离子体从匙孔内爆发而出的现象，焊接过程中飞溅较少 [3]。

2 双光束激光焊接应用研究

在航天领域，南非科学与工业研究中心国家激光中心（CSIR: National Laser Center）开展了用于导弹发动机壳体的马氏体时效钢激光焊接技术研究，分别采用单激光焊、双光束激光焊以及脉冲激光焊 3 种工艺，结果表明双光束激光焊的焊缝成形最好，拉伸试验断裂在母材，且具有良好的工艺重复性 [4]。

双光束激光用于填丝钎焊、异种材料的焊接，能增强激光钎焊、填丝焊工艺的焊丝、钎料的熔化能力及过程稳定性，可实现异种材料优质焊接。采用双光束焊接不等厚板，在汽车拼焊板加工领域已有一定的工业化应用 [1]。

钛合金双焦点激光焊接技术研究

1 钛合金双光束激光焊接焊缝成形

1.5mm 厚钛合金双光束激光焊和 TIG 焊焊缝表面成形对比如图 1所示，可看出传统 TIG 焊工艺无论是焊缝正面还是背面的宽度均远大于双光束激光焊。因此，双光束激光焊接焊缝及热影响区宽度均远小于TIG 焊。

图1 双光束激光焊与TIG焊缝表面成形对比

2 钛合金双光束激光焊接变形

为定性描述双光束激光焊接对焊接变形的控制，对比测量平板 TIG焊和双光束激光焊在纵向挠曲变形和横向角变形的大小，如图 2 所示。TIG 焊纵向最大挠曲变形高达14.3mm，双光束激光焊只有 2.7mm ；TIG 焊横向最大角变形 8.6°，双光束激光焊只有 2.4°。

图2 平板TIG焊和激光焊焊接变形对比

3 钛合金双光束激光焊接力学性能

钛合金焊接接头的室温平均抗拉强度为 1040.2MPa，与母材的抗拉强度相当。焊接接头的断裂位置均在母材区域，说明焊缝的抗拉强度稍高于母材，与文献 [5] 采用单光束激光焊接钛合金的力学性能大致相当。

4 钛合金薄壁结构件双光束激光焊接

针对某钛合金薄壁结构件纵缝双光束焊接，采用琴键式工装夹紧，焊缝正面、背面同时有氩气保护，为避免焊接过程中热变形导致间隙及错边变形，在纵缝焊接前先进行两端定位焊，最大间隙、错边量可达0.2mm。 对产品进行X射线检测，未发现超标缺陷，满足设计要求的QJ1666A-2011 Ⅱ级焊缝质量标准要求，采用三坐标测量仪对焊后直线度、圆度进行测量，达到设计指标，无需焊后矫形。

图 3 为钛合金薄壁结构件双光束激光焊接实物。

图3 钛合金薄壁结构件双光束激光焊接实物

结论

（1）双光束激光焊随着两光斑间距的增加，由单个匙孔变为两个匙孔；双光束激光焊光致等离子体较单激光焊更加稳定。
（2）双光束激光焊接在国外航天及其他工业领域已有一定程度的应用。
（3）双光束激光焊接焊缝以及热影响区宽度均远小于 TIG 焊，纵向挠曲变形和横向角变形均小于 TIG焊。
（4）钛合金双光束激光焊接头强度与母材相当。
（5）采用双光束激光焊接钛合金薄壁结构件，达到设计指标，且无需焊后矫形。