浏览全部资源
扫码关注微信
收稿：2026-05-12，
修回：2026-05-24，
纸质出版：2026-07-20
移动端阅览
中厚板钛合金构件凭借优异的比强度、耐蚀性及高温性能，已成为航空航天、深海探测等高端装备领域的核心基础材料。其制造过程涉及熔焊与固相连接等多种工艺，但受其导热差、化学活性高等固有特性制约，传统焊接工艺易引发晶粒粗大、变形大及气孔等缺陷，严重限制大型复杂构件的制造质量与效率。本文系统综述了中厚板钛合金先进连接技术的研究进展。重点围绕熔焊、固相焊及智能化调控等前沿方向，深入阐述了真空电子束焊（VEBW）、负压激光焊（NPLW）、激光-电弧复合焊（含激光-TIG/MIG/CMT等）、窄间隙摆动激光焊（NGOLW）、等离子弧焊（PAW）以及搅拌摩擦焊（FSW/FSP）等技术的原理与工艺特征。研究表明，上述技术通过精确调控热源能量密度、降低热输入及优化熔池凝固行为，能有效抑制热影响区软化、减小焊接变形并提升接头致密性。目前，这些技术已在航空发动机机匣、深海潜水器载人舱等关键结构中实现工程化应用。最后，文章针对现存技术瓶颈，展望了该领域未来向智能化过程监控、多能场复合化及数字化精准调控的发展趋势，旨在为中厚板钛合金结构的高效、高品质制造提供理论参考与技术支撑。
Medium-thickness titanium alloy components have become core materials in high-end equipment sectors such as aerospace and deep-sea exploration
owing to their exceptional specific strength
corrosion resistance
and high-temperature performance. Although their manufacturing involves diverse processes including fusion welding and solid-state joining
the inherent characteristics of titanium alloys—such as poor thermal conductivity and high chemical reactivity—render traditional welding processes susceptible to defects like coarse grains
significant deformation
and porosity. These issues significantly compromise the quality and efficiency of manufacturing large
complex structures.This paper systematically reviews recent advances in advanced joining technologies for medium-thickness titanium alloys. Focusing on cutting-edge directions such as fusion welding
solid-state welding
and intelligent control
it elaborates on the principles and process characteristics of key techniques
including Vacuum Beam Welding (VEBW)
Negative Pressure Laser Welding (NPLW)
laser-arc hybrid welding (e.g.
laser-TIG
laser-MIG
and laser-CMT)
narrow-gap oscillating laser welding (NGOLW)
plasma arc welding (PAW)
and friction stir welding/processing (FSW/FSP). Research indicates that by precisely regulating heat source energy density
reducing heat input
and optimizing molten pool solidification behavior
these technologies effectively suppress heat-affected zone (HAZ) softening
minimize distortion
and enhance joint integrity. Currently
these technologies have achieved engineering applications in critical structures such as aero-engine casings and manned cabins for deep-sea submersibles. Finally
addressing existing technical bottlenecks
this review prospects future development trends toward intelligent process monitoring
multi-energy field hybridization
and digital precision control
aiming to provide theoretical reference and technical support for the high-efficiency
high-quality manufacturing of medium-thickness titanium alloy structures.
Liu Z ， Li X ， Pan L ， et al . Effects of weld penetration modes on laser welding characteristics of a novel ultra-high strength steel for aerospace application ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2023 ， 90 ： 111 - 124 .
李志杰 ， 袁亮文 ， 刘万存 ， 等 . 钛合金激光深熔焊接研究现状与展望 ［J］. 电焊机 ， 2025 ， 55 （ 7 ）： 43 - 56
LI Z J ， YUAN L W ， LIU W C ， et al . Current Research Status and Prospect of Laser Deep Penetration Welding of Titanium Alloys ［J］. Electric Welding Machine ， 2025 ， 55 （ 07 ）： 43 - 56 .
Li T ， Wan Y ， Bi Z ， et al . Weld formation and porosity in TC4 joint by oscillating laser beam welding with circle trajectory model ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2024 ， 30 ： 2680 - 2689 .
Dong B ， Li Z ， Chen B ， et al . Effect of oscillation parameters on weld surface morphology during laser beam oscillation welding of stainless steel ［J］. International Journal of Thermal Sciences ， 2025 ， 207 ： 109339 .
Kotlarski G ， Kaisheva D ， Ormanova M ， et al . Electron-Beam Welding of Titanium and Ti6Al4V Alloy ［J］. Metals ， 2023 ， 13 （ 6 ）： 1065 .
Dai H L ， Du R Z ， He Y ， et al . Microstructure Appearance of TC4 Titanium Alloy Welded Join by Pulsed Electron Beam ［J］. Materials Science Forum ， 2020 ， 982 ： 143 - 150 .
Wencel Z ， Wiewiórowska S ， Wieczorek P ， et al . Electron Beam Welding Process for Ti6Al-4V Titanium Alloy ［J］. Materials ， 2023 ， 16 （ 14 ）： 5174 .
Li F S ， Wu L H ， Li H J ， et al . Achieving high precipitation phase proportion and mechanical properties of vacuum electron beam oscillation welded joints of near β titanium alloy thick plates by the interlayer addition ［J］. Vacuum ， 2024 ， 230 ： 113725 .
Li F S ， Wu L H ， Zhao H B ， et al . Influencing mechanisms of weld root tip on microstructure and mechanical properties of electron beam welded joints of titanium alloy thick plates ［J］. Science and Technology of Welding and Joining ， 2023 ， 28 （ 9 ）： 1011 - 1020 .
LONG J ， ZHANG L ， ZHU L ， et al . Comparison of low-cycle fatigue properties of two kinds of high energy beam welded joints of TC4 alloy ［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China ， 2023 ， 33 （ 11 ）： 3376 - 3386 .
Long J ， Zhang L J ， Zhang L X ， et al . Comparison of fatigue performance of TC4 titanium alloy welded by electron beam welding and laser welding with filler wire ［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures ， 2022 ， 45 （ 4 ）： 991 - 1004 .
Long J ， Zhang L ， Ning J ， et al . Zoning study on the fatigue crack propagation behaviors of a double-sided electron beam welded joint of TC4 titanium alloy with the thickness of 140 mm ［J］. International Journal of Fatigue ， 2021 ， 146 ： 106145 .
Long J ， Zhang L ， Liu Y ， et al . Initiation and propagation mechanism of fatigue crack in ultra-thick titanium alloy vacuum electron beam welding joint ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2024 ， 163 ： 108534 .
Long J ， Jia J ， Zhang L ， et al . Fatigue inhomogeneity of 140 mm thick TC4 titanium alloy double-sided electron beam welded joints ［J］. International Journal of Fatigue ， 2022 ， 165 ： 107214 .
檀财旺 ， 李睿涵 ， 徐炳孝 ， 等 . 负压激光焊接技术的研究现状及展望 ［J/OL］. 中国激光 ， 1 - 32 ［ 2026-07-13 ］. https：//link.cnki.net/urlid/31.1339.TN.20260425.1433. 028 https://link.cnki.net/urlid/31.1339.TN.20260425.1433.028 .
TAN C W ， LI R H ， XU B X ， et al . Current research status and prospects of laser welding under subatmospheric ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 1 - 32 ［ 2026-07-13 ］. https：//link.cnki.net/urlid/31.1339.TN.20260425.1433.028 https://link.cnki.net/urlid/31.1339.TN.20260425.1433.028 .
Reisgen U ， Olschok S ， Jakobs S ， et al . Welding with the Laser Beam in Vacuum ［J］. Laser Technik Journal ， 2015 ， 12 （ 2 ）： 42 - 46 .
Li F S ， Wu L H ， Zhao H B ， et al . Realizing deep penetration and superior mechanical properties in a titanium alloy thick plate joint via vacuum laser beam welding ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2023 ， 26 ： 2254 - 2264 .
Li F S ， Wu L H ， Zhao H B ， et al . Achieving deep penetration welding of 100 mm level thick titanium alloy using vacuum laser beam welding ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2025 ， 236 ： 284 - 300 .
Gao M ， Kawahito Y ， Kajii S . Observation and understanding in laser welding of pure titanium at subatmospheric pressure ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 12 ）： 13539 .
Li H G . Analysis of porosity in welding of titanium alloy ［C］// 2020 3rd International Conference on Electron Device and Mechanical Engineering （ICEDME） . IEEE ， 2020 ： 486 - 489 .
Cheng Z ， Lang Q ， Zhang Z ， et al . Study on Microstructure and Stress Distribution of Laser-GTA Narrow Gap Welding Joint of Ti-6Al-4V Titanium Alloy in Medium Plate ［J］. Materials ， 2025 ， 18 （ 13 ）： 2937 .
Su R ， Li H ， Chen H ， et al . Stability analysis and porosity inhibition mechanism of oscillating laser-arc hybrid welding process for medium-thick plate TC4 titanium alloy ［J］. Optics&Laser Technology ， 2024 ， 174 ： 110569 .
Tao P ， Wang C ， Mi G ， et al . Effects of solidification on flow dynamics： A novel comprehension of defects formation in laser penetration welding ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2023 ， 27 ： 7562 - 7569 .
Shi J ， Zhou Y ， Liu L . Application of Pulsed Laser-TIG Hybrid Heat Source in Root Welding of Thick Plate Titanium Alloys ［J］. Applied Sciences ， 2017 ， 7 （ 5 ）： 527 .
Yamamoto N ， Liao J ， Murakami T ， et al . Fundamental Study on Fiber Laser-MIG Arc Hybrid Weldability of Ti-6Al-4V Titanium Alloy ［J］. Journal of the Japan Institute of Metals ， 2013 ， 77 （ 3 ）： 94 - 100 .
Su X ， Tao W ， Chen Y ， et al . Microstructure and Tensile Property of the Joint of Laser-MIG Hybrid Welded Thick-Section TC4 Alloy ［J］. Metals ， 2018 ， 8 （ 12 ）： 1002 .
Patel P ， Dutta A ， Ghosh A ， et al . Advances in welding of titanium and its alloys using CMT， MIG， and laser-MIG hybrid processes：A comprehensive review ［J］. Materials Today Communications ， 2026 ， 53 ： 115264 .
Su R ， Li H ， Chen H ， et al . Stability analysis and porosity inhibition mechanism of oscillating laser-arc hybrid welding process for medium-thick plate TC4 titanium alloy ［J］. Optics&Laser Technology ， 2024 ， 174 ： 110569 .
Liu M ， Shao C ， Zheng Z ， et al . The effect of laser oscillation welding on porosity suppression for medium-thick Al alloy with high Mg content ［J］. Optics & Laser Technology ， 2024 ， 175 ： 110795 .
Ruan G ， Shen C ， Zhang Y ， et al . Welding of thick Ti-6Al-4V plate via narrow gap oscillating laser tungsten inert gas （NG-OL-TIG） hybrid welding： microstructure and mechanical properties ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2025 ， 139 （ 1-2 ）： 741 - 764 .
Song G ， Xu Z ， Lang Q ， et al . A Laser-Induced TIG Arc Narrow-Gap Welding Technique for TC4 Titanium Alloy Thick Plates Based on the Spatial Position Control of Laser， Arc and Filler Wire ［J］. Metals ， 2024 ， 14 （ 5 ）： 510 .
Cheng Z ， Lang Q ， Zhang Z ， et al . Study on Microstructure and Stress Distribution of Laser-GTA Narrow Gap Welding Joint of Ti-6Al-4V Titanium Alloy in Medium Plate ［J］. Materials ， 2025 ， 18 （ 13 ）： 2937 .
Wang M ， Fang N ， Sun L ， et al . Study of the Microstructure and Properties of the Butt Joint of Laser-Welded Titanium Alloy with Flux-Cored Wire ［J］. Metals ， 2023 ， 13 （ 2 ）： 369 .
Wang M ， Wu P ， Xu K ， et al . Influence of High-Temperature Annealing on Microstructure and Properties of Welded Joints Using Narrow Gap Laser Welding of TC4 Titanium with Welding Wire ［J］. Journal of Materials Engineering and Performance ， 2024 ， 33 （ 18 ）： 9642 - 9653 .
Liang G ， Qin G ， Cao P ， et al . Numerical investigation of sidewall penetration in narrow gap oscillating laser welding process ［J］. Optics & Laser Technology ， 2024 ， 170 ： 110282 .
Liang G ， Qin G ， Cao P ， et al . Evolutions of temperature field and stress field in narrow gap oscillating laser welding process based on equivalent heat source ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2024 ， 28 ： 154 - 167 .
Yamazaki Y ， Abe Y ， Hioki Y ， et al . Development of gap sensing system for narrow gap laser welding ［J］. Welding International ， 2016 ， 30 （ 10 ）： 745 - 754 .
Liu X F ， Jia C B ， Wu C S ， et al . Measurement of the keyhole entrance and topside weld pool geometries in keyhole plasma arc welding with dual CCD cameras ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2017 ， 248 ： 39 - 48 .
郝宗斌 ， 李晓泉 ， 范晋楷 . 8 mm TA2纯钛厚板等离子弧单面焊双面成形试验研究 ［J］. 热加工工艺 ， 2017 ， 46 （ 11 ） 214 - 217 .
HAO Z B ， LI X Q ， FAN J K . Experimental Research on One-side Welding Both Sides Formation of Plasma Arc Welding for TA2 Plates with Thickness of 8 mm ［J］. Hot Working Technology ， 2017 ，46（ 11 ） 214 - 217 .
Perumal G ， Vasanthkumar P ， Dhinakarraj C K ， et al . Microstructure and mechanical characterization of weldments of titanium alloy plates joined using different welding techniques ［J］. Interactions ， 2024 ， 245 （ 1 ）： 259 .
Gao F ， Cui Y ， Shi H ， et al . Fracture Toughness of Ti-6Al-4V Titanium Alloy Welded by Keyhole Gas Tungsten Arc Welding Based on High Current ［J］. Journal of Materials Engineering and Performance ， 2023 ， 32 （ 23 ）： 10556 - 10566 .
Pragatheswaran T ， Rajakumar S ， Balasubramanian V . Influence of Plasma Gas Flow Rate on the Mechanical and Microstructural Aspects of Plasma Arc Welded Titanium Alloy Joints ［J］. Journal of Manufacturing Engineering ， 2022 ， 17 （ 3 ）： 80 - 86 .
Pragatheswaran T ， Rajakumar S ， Balasubramanian V . Optimization of the weld characteristics of plasma-arc welded titanium alloy joints： an experimental study ［J］. Materials and Manufacturing Processes ， 2022 ， 37 （ 8 ）： 896 - 907 .
Zhang L ， Wu Z ， Li Y ， et al . Mechanical properties and corrosion resistance of TC4 titanium alloy joints by plasma arc welding + gas tungsten arc welding combination welding ［J］. Journal of Materials Science ， 2024 ， 59 （ 28 ）： 13234 - 13250 .
Hong X ， Huang B ， Li T ， et al . Optimization of plasma arc welding process parameters of SAF 2507/316L dissimilar steel based on response surface method ［J］. Welding in the World ， 2023 ， 67 （ 11 ）： 2493 - 2509 .
Zhou F ， Liu X ， Jia C ， et al . Unified CNN-LSTM for keyhole status prediction in PAW based on spatial-temporal features ［J］. Expert Systems with Applications ， 2024 ， 237 ： 121425 .
Cong S ， Li N ， Zhu Z ， et al . A comparative study of conventional，dynamic rotation and heat-assisted friction stir welding of Ti-6Al-4V plates to reduce welding defects ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2024 ， 323 ： 118217 .
Edwards P D ， Ramulu M . Investigation of microstructure， surface and subsurface characteristics in titanium alloy friction stir welds of varied thicknesses ［J］. Science and Technology of Welding and Joining ， 2009 ， 14 （ 5 ）： 476 - 483 .
Edwards P D ， Ramulu M . Comparative study of fatigue and fracture in friction stir and electron beam welds of 24 mm thick titanium alloy Ti‐6Al‐4V ［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures ， 2016 ， 39 （ 10 ）： 1226 - 1240 .
Rao R N ， Rao S S ， Vijayan V . Achieving ultra-fine grains in Ti-6Al-4V alloy welds through pre-weld friction stir processing ［J］. Results in Engineering ， 2024 ， 24 ： 103019 .
Amirov A ， Chumaevskii A ， Savchenko N ， et al . Features of Permanent Joints of Titanium （α+β）-Alloys Obtained by Friction Stir Welding Using a Nickel Superalloy Tool ［J］. Metals ， 2023 ， 13 （ 2 ）： 222 .
Amirov A I ， Chumaevskii A V ， Vorontsov A V . Formation of （α+β） titanium welds by friction stir welding using heat-resistant alloy tool ［J］. AIP Conference Proceedings ， 2020 ， 2310 （ 1 ）： 6 .
Jia C L ， Wu L H ， Xue P ， et al . Effect of static annealing on superplastic behavior of a friction stir welded Ti-6Al-4V alloy joint and microstructural evolution during deformation ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2022 ， 130 ： 112 - 123 .
相关作者
相关机构
公网安备11010802024621
