Optics and Laser Technology 126 (2020) 106090
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Optics and Laser Technology
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Review
Current research and development status of dissimilar materials laser welding of titanium and its alloys
M.M. Quazia,⁎, M. Ishaka, M.A. Fazalb, A. Arslanc, Saeed Rubaieeb,d, Abdullah Qabane,
a Faculty of Mechanical and Automotive Engineering Technology, Universiti Malaysia Pahang, 26600 Pekan, Pahang, Malaysia
b Department of Mechanical and Materials Engineering, University of Jeddah, Saudi Arabia
c Department of Mechanical Engineering, COMSATS University Islamabad, Sahiwal Campus, Sahiwal 57000, Pakistan
d Department of Industrial and Systems Engineering, University of Jeddah, Saudi Arabia
e Department of Mechanical Engineering and Aeronautics, City, University of London, London, UK
f Department of Restorative Dentistry, Faculty of Dentistry, University of Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia
g Optical Fibre Sensors Research Centre, Department of Electronic and Computer Engineering, University of Limerick, Limerick, Ireland
h Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Bayero University, Kano, 3011 Kano, Nigeria
H I G H L I G H T S
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- An up to date examination of the research status on dissimilar welding of titanium.
- Possible combinations with steel, aluminium, magnesium, nickel, etc. are discussed.
- Process modification techniques to improve joint strength are highlighted.
- Microstructure, mechanical properties and fracture characteristics are reviewed.
- Provide current progress on the issues and challenges of dissimilar welding.
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A R T I C L E I N F O
Keywords: Laser welding Titanium
Dissimilar welds Mechanical properties Defects
Mechanisms
A B S T R A C T
Since its inception, laser beam welding as a high-quality fusion joining process has ascertained itself as an established and state of art technology exhibiting tremendous growth in a broad range of industries. This article provides a current state of understanding and detailed review of laser welding of titanium (Ti) alloys with corresponding dissimilar counterparts including steel, aluminium, magnesium, nickel, niobium, copper, etc. Particular emphasis is placed on the influence of critical processing parameters on the metallurgical features, tensile strength, hardness variation, percentage elongation and residual stress. Process modifications to improve dissimilar laser weldability by virtue of techniques such as laser offsetting, split beam, welding-brazing, hybrid welding and materials modifications by means of the introduction of single or multiple interlayers, fillers and pre-cut grooves are exploited. Detailed and comprehensive investigations on the phenomena governing the formation and distribution of the intermetallic phase, material flow mechanisms, their relations with laser parameters and their corresponding impact on the microstructural, geometrical and mechanical aspects of the welds are thoroughly examined. The critical issues related to the evolution of defects and the corresponding remedial measures applied are explored and the characteristics of fracture features reported in the literature are summarised in thematic tables. The purpose of this review is tantamount to emphasise the benefits and the growing trend of laser welding of Ti alloys in the academic sector to better exploit the process in the industry so that the applications are explored to a greater extent.
- Introduction
Titanium (Ti: atomic number 22) is a lustrous transition element
and is the 9th most abundant element on earthrsquo;s crust having a specific gravity of 5.54 g/cm3 and a density of 4.506 g/cm3 [1]. Ti is the 4th most widely available structural material after aluminium (Al), iron
⁎ Corresponding author.
E-mail address: moinuddin@ump.edu.my (M.M. Quazi).
https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106090
Received 19 August 2019; Received in revised form 1 January 2020; Accepted 20 January 2020
Available online 14 February 2020
0030-3992/ copy; 2020 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Fig. 1. Number of published documents rising throughout recent years.
(Fe) and magnesium (Mg) and is relatively light when compared with conventionally employed engineering alloys such as stainless steel (SS), nickel (Ni), cobalt (Co), etc. Moreover, Ti is as strong as commonly employed steels but is much less dense and its high melting point (1670 °C) renders it usable in high-temperature applications without creeping up to 550 °C [2]. F
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Current research and development status of dissimilar materials laser welding of titanium and its alloys
钛及其合金激光焊接异种材料的研究与发展
摘要
激光焊接作为一种高质量的熔合工艺，自诞生以来，已成为一门成熟的技术，在众多行业中都有巨大的发展。摘要介绍了激光焊接钛(Ti)合金与相应的钢、铝、镁、镍、铌、铜等异种合金的认识现状和详细评述。重点研究了关键工艺参数对冶金性能、拉伸强度、硬度变化、伸长率和残余应力的影响。利用激光补偿、劈束、焊接钎焊、混合焊接等工艺改进，通过引入单层或多层夹层、填充剂和预切槽等材料改进，提高异种激光焊接性能。对金属间相的形成和分布、材料流动机制、它们与激光参数的关系以及它们对焊缝的微观结构、几何和机械方面的影响等现象进行了详细和全面的研究。探讨了与缺陷演变相关的关键问题及相应的补救措施，并将文献中报道的骨折特征以专题表的形式总结。这篇综述的目的是为了强调钛合金激光焊接在学术领域的益处和发展趋势，以便更好地开发工业中的这一过程，从而更大程度地探索其应用。
1. 介绍
钛(Ti:原子序数22)是一种有光泽的过渡元素是地壳中含量第9丰富的元素，比重为5.54 g/cm3，密度为4.506 g/cm3。钛是第四大最广泛使用的结构材料，仅次于铝、铁(Fe)和镁(Mg)，与传统的工程合金如不锈钢(SS)、(Ni)、钴(Co)等相比相对较轻。此外，钛的强度与常用钢材相当，但密度要低多，而且它的高熔点(1670°C)使它可以用于高温应用，而不会爬升到550°C的。例如,beta;-Ti合金的比强度是260 kN /公斤,几乎4倍不锈304,AA7075-T6 2.2倍和1.72倍铬镍铁合金x - 750。除强度外，特别是钛合金，是唯一在所有基本的机械性能(包括刚度、疲劳寿命、强度、抗冲击能力、生物相容性和腐蚀)方面表现卓越的合金。然而，它们的使用一直受到限制，因为成本较高的钛金属本身，特别是与困难的提取过程。随着提取冶金技术的进步，世界市场的Ti成本已从2005年的21美元/公斤降至2017年的4.5美元/公斤，并在2009年达到最低水平(2.5美元/公斤)。鉴于钛基材料的可用性和相当高的价格，对这种金属合金的潜力作进一步的探讨这是非常必要的。
纯钛是alpha;相的微结构HCP(六角拥挤不堪的),一旦加热超过882°C,它经历了同素异形相变到韧性BCC(体心立方)beta;相组成一个更大的数量的滑动系统。这给了钛一个主要的优势，因为钛的性能高度依赖于热处理，随后受到激光焊接过程中加热和冷却循环的影响。钛的合金化可以提高合金的二次性能、热机械加工、热处理强化和微观结构改变等。可以根据合金元素的能力来确定钛的含量，以稳定合金的性能。玛丽alpha;或beta;阶段取决于原子半径。例如，Al的溶质元素的原子半径在0.85-1.15 A的范围内被扩散取代，取代的是晶格中的一个原子。
图1所示。近年来发表的文献数量不断上升。
而半径小于0.59的原子占据较大的溶剂原子之间的间隙位置。稳定元素被添加到防止后续阶段的变化,增加或减少beta;-transus通过加热温度范围,提高力学性能。alpha;阶段稳定等各种元素,O, N, Ga,等等,而beta;阶段可以被莫稳定,V, W和助教。因此,钛合金被归类为alpha;或接近alpha;,alpha; beta;,beta;或接近beta;合金。
Ti结构的生产需要采用焊接工艺和连接方法，这些方法通常是基于焊接技术的熔合机制完成的。一般的电磁焊接技术有钨惰性气体、金属惰性气体、等离子焊等。这些焊接技术产生更大的位移，更宽的热影响区(HAZ)和脆性组织，与显著的残余应力共存。这些影响限制了这种传统焊接方法的使用。另外，一种更令人满意的、经过充分验证的、高效的焊接技术可以促进高质量焊接的生产，并具有卓越的使用性能，这种技术源于激光焊接这种基于光子的制造技术。激光焊接提供了潜在的优势，包括更高的加工速度和快速的启动和停止能力，高能量密度，室温和常压可焊性，易于工件的可操作性，更高的精度，最小的污染，能源效率，工艺灵活性和狭窄的热影响区(HAZ)，随后较低的失真。这些特点使激光焊接成为目前研究最多、应用最广泛的加工技术。
近年来，与钛基合金激光焊接和连接相关的出版物越来越多。在SCIE数据库中搜索“titanium”或“Ti”和“laser welding”的关键字，可以发现494篇文献，包括400篇期刊论文、114篇会议论文集和2篇图书章节，这些文献都显示出明显的上升趋势。在现有的494份文件中，有455份是在最近几年(1999-2019年)发表的，如图1所示。激光焊接的范围不局限于材料科学领域，因此，可以根据科学数据库web中定义的类别对钛基激光焊接的范围进行分类。下图2给出了前15个主要类别的树形图，表明除了材料科学和工程，钛基激光焊接在生物医学工程和牙科领域也得到了广泛的应用。
在较早的文献综述中，有几篇综述文章讨论了激光焊接监控、激光混合焊接或真空下的激光焊接，也有几篇仅关注于汽车应用的前景。其他的工作致力于特定材料的选择，如镍钛诺和大块金属玻璃，铜和轻金属合金的镁，铝和锂。就作者所知，关于具有重要商业价值的钛及其合金激光焊接的具体综述尚未涉及。趋势的期刊文章的出版,就强制进行一个详细的文献综述中,激光焊接钛的合金的作用,结合不同的en -工程合金结合相应的特性,比如微观结构的变化,阶段进化和机械的性能。审查包括相关的问题和困难、所采取的补救措施以及为未来科学家进行研究而必须预见的差距。本论文还打算探索和强调目前和潜在的应用与科学证据支持使用激光焊接更广泛的工业应用。
图2所示。基于科学分类的出版物树状图。
2. 钛合金激光焊接技术综述
钛及其合金的激光焊接已在类似和不同的材料组合中进行。然而，为了减少这篇综述的范围，类似的Ti合金焊接的有限的主题已经被考虑。总的来说，研究人员已经在努力研究和优化工艺参数对不同类型钛合金的影响。通过实验和模拟计算，研究了小孔形成机理、气孔发育、热流和焊缝几何特征。同样，不同的焊接研究也被剖析，基于不同的技术来提高接头强度和抑制金属间化合物(IMC)的形成。因此，研究人员已经把重点放在了激光加工方法的替代修改上，如激光调偏、焊接钎焊和混合焊接技术，并通过使用填充材料或添加单一或多个中间层来改变材料系统。也有一些研究集中在研究接头类型、坡口形状和坡口角度对接头效率的影响。在下面的章节中，系统地总结了钛基激光焊接中用于评估机械性能的不同表征技术和标准，以及钛基激光焊接的一般应用。与此同时，还对钛与钛的不同部位的焊接进行了详细的审查。
2.1. 描述技术
研究人员采用了不同的技术来表征钛基焊接接头的材料和力学特性。评估焊接接头不同方面的技术和方法的总结归纳在表1中。完成实验工作后，样品被准备用于微观结构测试或进一步的机械测试。通过光学显微镜进行初步的微观结构检查，并使用特殊的滤色器获得基于颜色的颗粒图。焊缝的几何和微观组织特征通过扫描电子显微镜结合能量衰减x射线光谱学对其进行评价，得到一些原始的结果，这些结果提供了化学、元素和相组成的分析。然而，为了更详细地观察微观结构，包括所有特征，并确定相和研究结晶方向，高再溶透射电子显微镜(HRTEM)是首选的。HRTEM同样要求样品被切割成非常薄的部分，然后进行电抛光。x射线衍射(XRD)已被专门用于检测存在于熔合区(FZ)和界面的初级和IMC阶段的焊接和断裂表面。另外，利用XRD分析了焊接接头的残余应力分布，利用现场高能XRD分析了焊接接头的点阵参数，根据热循环可以得到焊接接头的叠加衍射图形。熔体池对流过程中的扩散和准确的元素分布，以及杂质(如C、O和N)的包含，通过一种相对可靠且很少使用的电子探针x射线显微分析仪(EPMA)方法更容易识别。
电子背散射衍射(EBSD)是一种相对较新的应用技术显示了晶粒尺寸,高角度晶界、错位角和晶粒生长的方向相对于热流的方向通过逆极地图,晶界地图和独特的谷物彩色地图。然而，EBSD样品的预分离需要对进行严格的抛光处理。为了检索化学键形成的数据，了解钛基聚合物的键合机理，近年来x射线光电子能谱(XPS)得到了广泛的应用。微观和纳米水平的表面形貌测量通过原子力显微镜尚未进行的焊缝或断裂面。焊接过程中的现场温度测量是使用红外热像仪和热电偶进行的，因为这些信息对于评估一段时间内的峰值温度和冷却速率至关重要。表面粗糙度的测量以及煤层和表面的轮廓已经用粗糙度测试仪进行了。用染料渗透剂检测和泄漏试验，测定了焊缝的物理特性和焊缝完整性，包括裂纹和缺陷。焊接接头的机械特性极其重要，需要仔细检查其硬度、弹性模量、疲劳、拉伸、弯曲、扭转和断裂强度以及残余应力等性能。为了获得与粒度有关的信息，使用了ImageJ等图像处理程序，通过线性截距方法估计平均粒度分布。
2.2.表面处理
由于钛在高温下是敏感和反应性的，所以在开始焊接前需要非常小心。焊接过程开始时表面的预分离是决定相应焊缝几何形状、夹杂物和激光束产生锁孔的吸收的一个因素。一般采用喷砂、化学清洗、研磨等方法处理，而黑漆和石墨涂料对bb0强度有劣化作用。为了去除毛刺，在铸后或冷加工后，可以使用奥氏体不锈钢钢丝刷。焊接前的激光清洗可以改善表面特性，提高的可焊性。化学清洗能够去除污染物和氧化物，并最终增强激光束的吸收。一些作者报道了在(HF:HNO3:H2O = 1:4:5)溶液中进行酸洗，用37%磷酸和丙酮清洗，然后在焊接前用超声波清洗去除表面氧化物。在烤箱中干燥以去除任何水分也可能会影响这个过程。为了揭示微观组织，根据所调查材料的种类进行了金相处理。通过失重和电位-动态极谱分析，可以获得各种腐蚀环境下焊缝抗腐蚀性的有用知识。表2列出了一些常用的用于相似和不同金属组合和腐蚀介质的化学腐蚀公式。
2.3. 标准和规范
进行的焊接和机械测试应符合许多公认的行业标准。然而，焊接标准并不是专门为激光焊接而制定的。但它们是设计来涵盖广泛的熔焊技术。例如，美国焊接学会(AWS) stan- dard, AWS D17.1:2001已被用于Ti-6Al-4V的激光焊接，尽管该标准原本是用于一般用途的熔焊。同样，欧洲标准BS EN4678:2011中飞机用金属材料激光焊接的具体标准也符合ti基焊接接头的焊接规范。该研究工作已被指定为航空航天应用，需要极其严格的焊接检验标准和质量标准。作者在解释材料、填料、车间操作、设备、工艺、缺陷修复等的使用时，需要参考专门针对钛合金的指南，这些指南已在AWS G2.4/G2.4 M:2007中详细描述过。同样，AWS也为Ti提供了结构焊接规范(D1.9/D1.9 M:2015和A5.16/A5.16 M:2013)，这些规范可用于以下研究实践。
研磨和抛光的焊接样品和后续的图像分析细节和规格可在此参考文献。在评估焊接特种件的疲劳试验增长率方面，作者遵循了ASTM E647标准。使用洛氏硬度计进行硬度评估需要特殊用途的ASTM-E18指南，并且有色合金材料提供的金属硬度值超过20HRC。根据ASTM- e8m04和ASTM E3-13a规范，从焊接部分制备拉伸试样，并在室温下进行测试。常用的标准有:ASTM e3-11(金相试样制备)、ASTM E384- 11e1(显微硬度测量)、ASTM G1(腐蚀速率)、ISO 10271(电化学试验)、ISO 17642-3:2005 (E)
(破坏性焊接试验)，HRN EN ISO 14 175: 2008(保护气体)，B4.0(焊接机械试验)，EN 10002-1(拉伸试验)，ASTM E23 (V-notch Charpy冲击试验)和ASTM E647(疲劳裂纹扩展率)。
表2
化学溶液用于评估样品表面的微观结构、腐蚀特性和清洁。
TechniquesAnalysis
EtchingRevealing组织
CP-TiWeck试剂(5 g NH4F HF, 0.5 mL HCl conc) 在100毫升)，水溶液)和Kroll的试剂(1-3毫升HF conc。， 2 - 6ml HNO3 conc。在100ml水溶液中)，Kroll溶液[50]
NiTi[51]酸性混合液(17 mL HF 33 mL HNO3 50 mL H2O) Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn / Ti-6Al-4V[25]乳酸10 mL，氢氟酸5 mL, 30 mL硝酸TA0[52]酸性溶液(HF HNO3 H2O)持续2 s
Ti- 6al - 7nb合金和CP Ti [53]32 mL H2O, 15 mL 60% HNO3和3 mL 46% HF
Ti-6Al-4V, CP-Ti [36,54]Kroll试剂3% HF, 6% HNO3, 91%蒸馏水30 s AISI SS304[55]试剂HCl: HNO3 (3:1) 25-30 s
Ti-6Al-4V:SS316L(5 g) FeCl3， (5 mL) HCl， (100 mL)乙醇
Ti-6Al-4V:AZ31B::SS304L [56]2 g苦味酸，10ml乙酸，10ml水，100ml乙醇
Ti6Al-4V:AZ31B4.2 g苦味酸，10ml乙酸，10ml水，100ml乙醇，持续20秒
5A06Al:Ti6Al4V [57]1.5% HCl, 2.5% HNO3, 95% H2O
CP-Ti/Q235B10 mL HF, 5 mL HNO3, 85 mL H2O (CP-Ti侧)/4 mL HNO3, 96 mL醇(Q235B侧)
清洁溶液去除氧化层
酸性溶液[58]4毫升氢氟酸，10毫升硝酸，86毫升蒸馏水
清洁液丙酮和乙醇
氯溶液0.9% Na
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