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Received：26 April 2025，
Revised：2025-05-30，
Published：20 July 2025
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钛合金因其优异的比强度、耐腐蚀性、生物相容性等特点，广泛应用于航空航天、生物医疗及海洋工程等高端制造领域。激光深熔焊接作为钛合金高效精密连接的重要手段，具有焊接速度快、热影响区小、焊缝成形质量高等优点。然而，在焊接过程中仍存在如光致等离子体、金属蒸气羽流、飞溅、匙孔不稳定及气孔等关键问题，影响焊接质量与接头性能。系统综述了钛合金激光深熔焊接的原理与技术特点，深入分析了上述缺陷的形成机制，并总结了当前主流的抑制策略与优化方法。研究表明，通过光束调控、工艺参数优化、辅助气体控制及真空环境等手段，可有效提升焊接稳定性与成形质量。最后展望了钛合金激光深熔焊接技术的发展趋势，指出智能化控制、多物理场耦合建模、绿色制造等方向将成为未来研究的重点，以推动该技术在高端装备制造领域的应用与推广。
Titanium alloys are widely used in high-end manufacturing fields such as aerospace
biomedical engineering
and marine technology due to their excellent specific strength
corrosion resistance
and biocompatibility. As a key technology for high-efficiency and precision joining of titanium alloys
laser deep penetration welding offers advantages including high welding speed
narrow heat-affected zone
and superior weld bead quality. However
several critical issues
such as plasma generation
metal vapor plume
spatter formation
keyhole instability
and porosity
still affect welding quality and joint performance. This paper systematically reviews the fundamental principles and technical characteristics of laser deep penetration welding of titanium alloys
analyzes the formation mechanisms of these welding defects
and summarizes the current mainstream suppression strategies and optimization methods. Research indicates that welding stability and weld formation quality can be significantly improved through beam shaping
process parameter optimization
auxiliary gas control
and vacuum environment techniques. Finally
the future development trends of laser deep penetration welding for titanium alloys are discussed
with an emphasis on intelligent control
multi-physics field coupling modeling
and green manufacturing as key research directions to further promote the application of this technology in advanced manufacturing.
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 .
Mei L ， Chen G ， Jin X ， et al . Research on laser welding of high-strength galvanized automobile steel sheets ［J］. Optics and lasers in engineering ， 2009 ， 47 （ 11 ）： 1117 - 1124 .
符成学 ， 雷小伟 ， 贾晓飞 ， 等 . 钛合金激光增材制造技术研究与应用进展 ［J］. 焊管 ， 2023 ， 46 （ 8 ）： 11 - 18+24 .
FU C X ， LEI X W ， JIA X F ， et al . Research and Application Progress of Titanium Alloy Laser Additive Manufacturing Technology ［J］. Welded Pipe and Tube ， 2023 ， 46 （ 8 ）： 11 - 18+24 .
刘自刚 ， 代锋先 ， 陆刚 ， 等 . 钛合金激光焊研究现状与展望 ［J］. 材料导报 ， 2023 ， 37 （ z1 ）： 346 - 351 .
LIU Z G ， DAI F X ， LU G ， et al . Research Status and Prospect of Laser Welding of Titanium Alloy ［J］. Materials Reports ， 2023 ， 37 （ z1 ）： 346 - 351 .
王建忠 ， 敖庆波 ， 荆鹏 ， 等 . 多孔钛的制备及应用 ［J］. 稀有金属材料与工程 ， 2022 ， 51 （ 5 ）： 1907 - 1918 .
WANG J Z ， AO Q B ， JING P ， et al . Preparation and Application of Porous Titanium ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2022 ， 51 （ 5 ）： 1907 - 1918 .
樊永霞 ， 林彦 ， 敖庆波 ， 等 . 增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展 ［J］. 稀有金属材料与工程 ， 2023 ， 52 （ 10 ）： 3630 - 3639 .
FAN Y X ， LIN Y ， AO Q B ， et al . Research Progress on Additive Manufactured Ti-6Al-4V Lattice Materials ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2023 ， 52 （ 10 ）： 3630 - 3639 .
Dong Z ， Tian Y ， Zhang L ， et al . Research status of high efficiency deep penetration welding of medium-thick plate titanium alloy：A review ［J］. Defence Technology ， 2025 ， 45 ： 178 - 202 .
陈武柱 . 激光焊接与切割质量控制 ［M］. 北京 ： 机械工业出版社 ， 2010 .
蒋宝 ， 黄瑞生 ， 李琳琳 ， 等 . 万瓦级光纤激光焊接工艺研究 ［J］. 电焊机 ， 2021 ， 51 （ 10 ）： 8 - 14 .
JIANG B ， HUANG R S ， LI L L ， et al . Study on 10 kW fiber laser welding process ［J］. Electric Welding Machine ， 2021 ， 51 （ 10 ）： 8 - 14 .
张高磊 ， 孔华 ， 邹江林 ， 等 . 高功率光纤激光深熔焊接飞溅特性以及离焦量对飞溅的影响 ［J］. 中国激光 ， 2021 ， 48 （ 22 ）： 73 - 80 .
ZHANG G L ， KONG H ， ZOU J L ， et al . Spatter Characteristics of High-Power Fibre Laser Deep Penetration Welding and Effect of Defocus on Spatter ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2021 ， 48 （ 22 ）： 73 - 80 .
田德勇 . 中厚板TC4钛合金激光焊接微观组织与缺陷研究 ［D］. 江苏 ： 南京航空航天大学 ， 2020 .
TIAN D Y . Study on the microstructure and defect in thelaser welded ioint of medium thickness TC4 alloy ［D］. Jiangsu ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2020 .
Auwal S T ， Ramesh S ， Yusof F ， et al . A review on laser beam welding of titanium alloys ［J］. International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2018 ， 97 （ 1-4 ）： 1071 - 1098 .
赵乐 ， 韩雪 ， 邹江林 ， 等 . 光纤激光深熔焊接小孔形成过程的研究 ［J］. 激光与光电子学进展 ， 2020 ， 57 （ 7 ）： 219 - 225 .
ZHAO L ， HAN X ， ZOU J L ， et al . Research on Formation Process of Keyhole DuringFiber Laser DeepPenetration Welding ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2020 ， 57 （ 7 ）： 219 - 225 .
Schmidt L ， Schricker K ， Bergmann J P ， et al . Effect of Local Gas Flow in Full Penetration Laser Beam Welding with High Welding Speeds ［J］. Applied Sciences ， 2020 ， 10 （ 5 ）： 1867 .
Li S ， Chen G ， Zhang M ， et al . Dynamic keyhole profile during high-power deep-penetration laser welding ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2014 ， 214 （ 3 ）： 565 - 570 .
Zhu B ， Yang W ， Zou J ， et al . A predictive model of weld bead cross-section morphology during laser deep penetration welding considering energy coupling law in keyhole ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2025 ， 133 ： 1342 - 1351 .
Lu R ， Lou M ， Xia Y ， et al . Machine learning-based in-process monitoring for laser deep penetration welding： A survey ［J］. Engineering Applications of Artificial Intelligence ， 2024 ， 137 ： 109059 .
应业勇 . TC4钛合金激光焊接变形与光致等离子体的行为研究 ［D］. 湖南 ： 湖南大学 ， 2016 .
YING Y Y . Study on Deformation and Plasma Behavior of TC4 Titanium Alloy during Laser Welding ［D］. Hunan ： Hunan University ， 2020 .
李亚江 . 激光焊接切割熔覆技术 ［M］. 北京 ： 化学工业出版社 ， 2019 .
刘桐 . 激光深熔焊小孔/等离子体行为及检测的研究 ［D］. 天津 ： 天津大学 ， 2018 .
LIU T . Keyhole/Plasma Behavior and Detectionduring Keyhole Mode Laser Welding ［D］. Tianjin ： Tianjin University ， 2018 .
Cai W ， Shu L ， Geng S ， et al . Real-time tracking method for motion spatter in high-power laser welding of stainless steel plate based on a lightweight deep learning model ［J］. Expert Systems with Applications ， 2024 ， 254 ： 124386 .
韩雪 ， 赵宇 ， 邹江林 ， 等 . 基于可视化观察的光纤激光深熔焊接羽辉形成原因分析 ［J］. 中国激光 ， 2020 ， 47 （ 6 ）： 131 - 137 .
HAN X ， ZHAO Y ， ZOU J L ， et al . Analysis of Plume Formation Reasons in Laser Deep Penetration Welding Based on Visual Observation ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2020 ， 47 （ 6 ）： 131 - 137 .
邹江林 ， 李飞 ， 牛建强 ， 等 . 高功率光纤激光焊接羽辉对焊接过程的影响 ［J］. 中国激光 ， 2014 ， 41 （ 06 ）： 80 - 84 .
ZOU J L ， LI F ， NIU J Q ， et al . Effect of Laser-Induced Plume on Welding Process During High Power Fiber Laser Welding ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2014 ， 41 （ 06 ）： 80 - 84 .
Brinkmeier D ， Wagner J ， Sawannia M ， et al . Influence of the laser-plume interaction on the beam profile during deep-penetration welding with coherent beam shaping ［J］. Optics express ， 2025 ， 33 （ 2 ）： 2702 .
Schneider A ， Gumenyuk A ， Lammers M ， et al . Laser Beam Welding of Thick Titanium Sheets in the Field of Marine Technology ［J］. Physics procedia ， 2014 ， 56 ： 582 - 590 .
孔华 ， 杨武雄 ， 邹江林 ， 等 . 高速保护气流向对光纤激光深熔焊接羽辉的影响 ［J］. 焊接学报 ， 2023 ， 44 （ 8 ）： 14 - 20 .
KONG H ， YANG W X ， ZOU J L ， et al . Influence of flow direction of high-speed shielding gas on plume in fiber laser deep penetration welding ［J］. Transactions of The China Welding Institution ， 2023 ， 44 （ 8 ）： 14 - 20 .
孔华 ， 赵振家 ， 邹江林 ， 等 . 匙孔内光纤激光致喷发蒸汽对焊接过程的影响 ［J］. 焊接学报 ， 2023 ， 44 （ 5 ）： 20 - 26 .
KONG H ， ZHAO Z J ， ZOU J L ， et al . The influence of laser-induced plume in the keyhole on the welding process ［J］. Transactions of The China Welding Institution ， 2023 ， 44 （ 5 ）： 20 - 26 .
Tenner F ， Brock C ， Klämpfl F ， et al . Analysis of the correlation between plasma plume and keyhole behavior in laser metal welding for the modeling of the keyhole geometry ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2015 ， 64 ： 32 - 41 .
Arita T ， Sato Y ， Kurita Y ， et al . In situ observation of dynamics of keyhole and molten pool in laser welding for development of spatter suppression ［J］. Journal of laser applications ， 2022 ， 34 （ 3 ）.
贾晨鹏 ， 黄一鸣 ， 赵圣斌 ， 等 . TC4钛合金激光深熔焊等离子体羽流热力学行为研究 ［J］. 中国激光 ， 2023 ， 50 （ 20 ）： 59 - 65 .
JIA C P ， HUANG Y M ， ZHAO S B ， et al . Plasma Plume Thermodynamic Behavior During Laser Deep-Penetration Welding of TC4 Titanium Alloy ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2023 ， 50 （ 20 ）： 59 - 65 .
杨立军 ， 谢燕 ， 贾晨鹏 ， 等 . TC4钛合金激光深熔焊等离子体羽流喷发过程研究 ［J］. 天津大学学报（自然科学与工程技术版） ， 2024 ， 57 （ 09 ）： 967 - 973 .
YANG L J ， XIE Y ， JIA C P ， et al . Plasma Plume Eruption During Laser Deep-Penetration Welding of TC4 Titanium Alloy ［J］. Journal of Tianjin University：Science and Technology ， 2024 ， 57 （ 09 ）： 967 - 973 .
Jia C ， Huang Y ， Zhao S ， et al . Statistical analysis of plasma thermodynamic behavior based on laser deep penetration welding of TC4 titanium alloy ［J］. Measurement：Journal of the International Measurement Confederation ， 2024 ， 225 ： 114004 .
董金枋 ， 杨方毅 ， 吴頔 ， 等 . 可调环模激光焊接飞溅抑制机理及工艺优化研究 ［J］. 中国激光 ， 2024 ， 51 （ 12 ）： 32 - 40 .
DONG J F ， YANG G Y ， WU D ， et al . Spatter Suppression Mechanism and Process Optimization of Adjustable Ring-Mode Laser Welding ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2024 ， 51 （ 12 ）： 32 - 40 .
刘童童 . 高功率光纤激光焊接中羽辉气体和飞溅动力学行为研究 ［D］. 湖北 ： 华中科技大学 ， 2020 .
LIU T T . Study on the dynamic behavior of vapor plume and spatterduring high-power fiber laser welding ［D］. Hubei ： Huazhong University of Science & Technology ， 2020 .
Nakamura H ， Kawahito Y ， Nishimoto K ， et al . Elucidation of melt flows and spatter formation mechanisms during high power laser welding of pure titanium ［J］. Journal of laser applications ， 2015 ， 27 （ 3 ）： 4922383 .
Wang Z ， Jiang M ， Chen X ， et al . Mitigating spatters in keyhole-mode laser welding by superimposing additional ring-shaped beam ［J］. Optics and laser technology ， 2024 ， 168 ： 109869 .
Wang L ， Gao X ， Kong F . Keyhole dynamic status and spatter behavior during welding of stainless steel with adjustable-ring mode laser beam ［J］. Journal of manufacturing processes ， 2022 ， 74 ： 201 - 219 .
Shen J ， Li B ， Hu S ， et al . Comparison of single-beam and dual-beam laser welding of Ti-22Al-25Nb/TA15 dissimilar titanium alloys ［J］. Optics and laser technology ， 2017 ， 93 ： 118 - 126 .
彭进 ， 许红巧 ， 王星星 ， 等 . 激光深熔焊匙孔及焊接飞溅行为的数值模拟 ［J］. 材料导报 ， 2025 ， 39 （ 03 ）： 231 - 235 .
PENG J ， XU H Q ， WANG X X ， et al . Numerical Simulation of Keyhole and Welding Spatter Behavior in Laser Deep Penetration Welding ［J］. Materials Reports ， 2025 ， 39 （ 03 ）： 231 - 235 .
Zhang Y ， Chen J ， Zhang W ， et al . Study of spatter net forming mechanism and penetration mode under flexible ring mode laser welding ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2023 ， 24 ： 2213 - 2225 .
Hu Y ， Zhang X ， Liu Z ， et al . Investigation on the formation mechanism of collapse defects microstructural evolution and mechanical properties in full penetration laser welding of thick-sectio ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2024 ， 118 ： 341 - 356 .
Zhu B ， Yang W ， Zou J ， et al . Theoretical calculation of keyhole aperture morphology in laser deep penetration welding ［J］. Optics and Laser Technology ， 2025 ， 182 ： 112219 .
Huang L ， Liu P ， Zhu S ， et al . Experimental research on formation mechanism of porosity in magnetic field assisted laser welding of steel ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2020 ， 50 ： 596 - 602 .
Cheng H ， Zhou L ， Li Q ， et al . Effect of welding parameters on spatter formation in full-penetration laser welding of titanium alloys ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2021 ， 15 ： 5516 - 5525 .
Powell J ， Ilar T ， Frostevarg J ， et al . Weld root instabilities in fiber laser welding ［J］. Journal of Laser Applications ， 2015 ， 27 （ S2 ）： 9008 .
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 and Laser Technology ， 2024 ， 174 ： 110569 .
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 .
武震东 ， 黄瑞生 ， 曹浩 ， 等 . 光束摆动对窄间隙激光横焊焊缝成形及气孔的影响 ［J］. 焊接 ， 2025 （ 01 ）： 8 - 16 .
WU Z D ， HUANG R S ， CAO H ， et al . Effect of beam oscillating on formation and porosity of weld by narrow gap laser horizontal welding ［J］. Welding & Joining ， 2025 （ 01 ）： 8 - 16 .
徐楷昕 ， 雷振 ， 黄瑞生 ， 等 . 摆动工艺对钛合金窄间隙激光填丝焊缝成形及气孔率的影响 ［J］. 中国激光 ， 2021 ， 48 （ 6 ）： 137 - 145 .
XU K X ， LEI Z ， HUANG R S ， et al . Effects of Oscillation Parameters on Weld Formation and Porosity of Titanium Alloy Narrow-Gap Laser Wire Filling Welding ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2021 ， 48 （ 6 ）： 137 - 145 .
方乃文 ， 黄瑞生 ， 武鹏博 ， 等 . 钛合金窄间隙激光填丝焊接工艺及接头组织性能分析 ［J］. 材料导报 ， 2023 ， 37 （ 10 ）： 186 - 193 .
FANG N W ， HUANG R S ， WU P B ， et al . Study on Welding Process and Microstructure and Properties of Titanium Alloy Narrow Gap Laser Filler Wire ［J］. Materials Reports ， 2023 ， 37 （ 10 ）： 186 - 193 .
李坤 ， 王威 ， 单际国 ， 等 . TC4钛合金光纤激光摆动焊抑制小孔型气孔的原因分析 ［J］. 焊接学报 ， 2016 ， 37 （ 11 ）： 43 - 46 .
LI K ， WANG W ， SHAN J G ， et al . Analysis of keyhole-type pore suppressing in fiber laser welded TC4 titanium alloy with beam weaving ［J］. Transactions of The China Welding Institution ， 2016 ， 37 （ 11 ）： 43 - 46 .
Shi L ， Li X ， Jiang L ， et al . Numerical study of keyhole-induced porosity suppression mechanism in laser welding with beam oscillation ［J］. Science and technology of welding and joining ， 2021 ， 26 （ 5 ）： 349 - 355 .
孟圣昊 ， 司昌健 ， 任逸群 ， 等 . 中厚板TC4钛合金真空环境激光焊接特性 ［J］. 焊接学报 ， 2021 ， 42 （ 08 ）： 40 - 47 .
MENG S H ， SI C J ， REN Y Q ， et al . Study on laser welding characteristics of thick wall TC4 titanium alloy in vacuum environment ［J］. Transactions of The China Welding Institution ， 2021 ， 42 （ 08 ）： 40 - 47 .
邹吉鹏 ， 黄瑞生 ， 武鹏博 ， 等 . TC4钛合金低真空20kW激光焊接特性研究 ［J］. 电焊机 ， 2023 ， 53 （ 08 ）： 28 - 35 .
ZOU J P ， HUANG R S ， WU P B ， et al . Study on Low Vacuum 20 kW Laser Welding Characteristics of TC4 Titanium Alloy ［J］. Electric Welding Machine ， 2023 ， 53 （ 08 ）： 28 - 35 .
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