面向大型輕量化航空航天構件模塊化整體制造的鈦合金鎳合金鋁合金等增材成形金屬材料焊接關鍵技術、質量控制難點與未來智能化發展趨勢綜述

近年來，增材制造技術的迅速發展及其獨特的制造模式推動著航空航天、醫療器械等工業領域的產業變革,并在實現復雜結構件的輕量化、整體化和高性能化制造等方面顯示出巨大的潛在優勢。受增材制造裝備成形空間、工藝技術水平、制造成本及工藝風險等多重因素制約，增材制造在大尺寸結構件直接一次性成形方面存在明顯局限性。例如設備的成形腔體和掃描行程限制了零件的外形尺寸與最大包絡體;粉末材料與專用耗材成本、設備購置與運行成本,以及長時間成形的工藝不確定性,顯著提高了大型構件直接成形的制造成本與商業風險;復雜構件的成形常需大量原料支持、后加工與昂貴的在線檢測手段以保證成形質量，且長時間連續構建會增加工藝波動與失效概率。此外,針對關鍵航空航天構件的認證與質量保證流程對成形可重復性與可追溯性有嚴格要求,這進一步限制了大型構件的直接增材成形。因此，實際工程中往往采用模塊化分割與分批制造,再通過焊接技術實現結構整體化制造(如航天器艙段連接),以兼顧增材制造在復雜形狀成形上的優勢與工程化實施的可控性與經濟性。

增材制造過程中，層積熱歷史對金屬材料的微觀特征產生重要影響，包括固溶態相組分、晶粒尺度與形貌、織構取向及析出相分布等。這些微觀特征會直接影響材料在后續焊接過程中的冶金行為和接頭性能。尤其是在粉末床熔融(PBF-LB)制備的合金中，由于其快速凝固和高度非平衡的特征，更容易形成強織構和非均勻組織，從而對后續焊接工藝的穩定性和接頭性能提出更高要求[1]。因此，如何通過合理的工藝設計來調控微觀組織，已成為提升增材制造合金焊接性能的關鍵問題。這一過程不僅取決于材料本身的化學組成，也顯著受到成形工藝參數和熱管理手段的影響，例如可以通過優化成形參數與掃描方式來調節熔池形貌與冷卻速率，也可以通過基板預熱、改變環境溫度等措施調控溫度梯度等。這些手段可實現晶粒細化、織構優化與相分布均勻，從而提高材料對焊接熱循環的適應性，為焊接接頭的高性能化提供組織基礎。此外，選擇合適的焊接方法與工藝參數同樣至關重要。不同焊接方法在熱源特性、能量輸入、接頭成形與組織控制方面存在顯著差異，例如以弧焊、激光焊等為代表的熔焊方法雖然具有工藝成熟、適應性強等特點，但易產生氣孔及裂紋等焊接缺陷，而摩擦焊作為典型固相連接方式則會有效地避免熔焊缺陷，但其靈活性較低，不適用于復雜構件的大規模生產制造[2]。因此，系統比較與評估這些焊接方法在不同增材制造金屬材料連接中的適用性，是提升接頭性能、拓展其工程化應用的關鍵環節。

目前，國內外學者針對增材制造合金及其構件的研究已取得豐碩成果，相關綜述聚焦于如何控制增材制造的成形過程[3-6],以提升構件的增材效率與打印質量。與之不同的是，焊接作為一種再制造與連接技術，其應用場景在于構件增材成形后的裝配、修復或尺寸延拓。然而，增材制造構件固有的冶金缺陷及非平衡組織(如亞穩態相、各向異性等)特征會與焊接熱過程發生復雜交互作用，導致焊縫缺陷萌生、組織演變，以及接頭性能變化規律呈現出顯著的特殊性與挑戰，而這一再制造階段的系統性綜述卻鮮有報道。

圍繞航空航天金屬增材制造構件焊接技術研究進展展開系統歸納和闡述，明晰其材料組織特征對焊接性能的影響機制，可為金屬增材制造構件的高質連接提供有益借鑒。

1、增材制造金屬材料的特性及其焊接性

1.1 增材制造技術的原理與特點

增材制造技術是一種新興的自下而上的制造技術，與傳統的減材/等材制造截然不同，其核心原理主要在于“分層制造，逐層疊加”。在航空航天領域，常見的增材制造技術主要包括激光增材(LAM)、電子束增材(EBAM)和電弧熔絲增材(WAAM)3種類型,如圖1所示[7],其中每種類型又包含不同的專業技術。此外還有學者概括了一些金屬增材制造的新興技術，如材料擠出、粘合劑噴射、粉末床熔融和定向能量沉積等[8]。這些增材制造技術將復雜的三維制造問題分解為簡單的二維層面問題的疊加，從而實現“自由制造”，也在航空航天、醫療、模具等領域展現了一定的應用前景。

針對金屬構件的增材制造，常以電弧或激光作為熱源，熔化絲材或粉末材料進行制造。其中，激光粉末增材制造又分為送粉和鋪粉兩種，分別為粉末床熔融(PBF-LB)和直接能量沉積(DED-LB)技術。PBF-LB技術更適合追求高精度、復雜結構,而DED-LB技術在制造大尺寸零件、修復或涂層現有部件等方面更有優勢。與傳統制造方法相比，激光增材制造技術具有縮短生產周期、提高材料利用率、實現輕量化設計等優勢。

1.2 面向航空航天增材制造金屬材料的應用及發展趨勢

在航空航天領域，增材制造金屬材料憑借個性化成形、減重降耗的優勢，成為構件制造革新的核心支撐。圖2展示了該領域增材制造金屬材料的類型、常見缺陷及敏感程度。鋁合金以低密度和良好成形性，重點用于機身蒙皮[9]、衛星支架[10]、無人機機身框架[11]等輕質構件，未來將聚焦突破2系、7系硬鋁熱裂紋難題，開發含Sc、Zr等元素的高強鋁合金，目標適配機翼承力框架、起落架艙門等更高強度需求部件，適配大型客機輕量化升級需求[12]。鈦合金因高比強度、優異疲勞性能及高溫穩定性，成為航空航天承力與高溫構件核心材料,目前可通過PBF-LB工藝制造發動機葉片[13],使用EBAM工藝制造燃燒室[14],后續將重點攻關Ti-Al金屬間化合物的增材制造技術，突破650℃以上高溫應用瓶頸。鐵基合金以成本優勢填補中低強度構件需求空白，馬氏體時效鋼可用于制造飛機起落架輔助支撐[15]、衛星結構連接件[16]等對強度和韌性有基礎要求的部件，不銹鋼則適配航天器燃料儲箱管路[17]、航空設備殼體[18]等耐腐蝕場景，隨著成分優化與工藝改進，將進一步降低航空航天中低端構件制造成本。鎳基合金通過PBF-LB可實現航空發動機燃燒室復雜冷卻通道設計，提升散熱效率，隨著新型高溫合金的增材制造研發，將突破1200℃以上極端環境應用限制。

1.3 增材制造金屬材料的冶金及微觀特征對焊接性的影響

增材制造技術逐層熔凝的制造特性也引入了區別于傳統鍛鑄材料的獨特微觀組織及特性。這些特性不僅直接影響打印件的靜態性能,更會深刻影響其可焊接性。

首先，與傳統的鑄鍛材料不同，增材制造合金中的固溶氫含量和顯微氫孔隙數量明顯較高，這是由于增材制造金屬的快速熔凝特性極易導致氫無法充分釋放所致。而這些固溶氫和氫孔隙在焊接熱循環中脫溶并在熔池內大量聚集形成氣泡，進而形成氣孔缺陷。因此，增材制造合金在焊接過程中氣孔缺陷敏感性高于傳統的鑄鍛材料。大量氣孔缺陷的產生易形成局部的應力集中源并降低焊縫的有效承載面積;在高循環或高溫條件下，這些氣孔也會作為裂紋萌生的優先位置，顯著削弱接頭的疲勞壽命與抗裂性能[19]。

其次，增材制造金屬的裂紋敏感性亦極高。對于增材制造材料，快速凝固特性導致的元素偏析、柱狀晶取向與已有的母材缺陷會顯著提高焊接凝固和液化裂紋敏感性。凝固裂紋(圖3[20])通常在凝固末期因共晶/低熔點相富集、晶界弱化及收縮不連續產生，而液化裂紋則因熱影響區在熱循環中晶界局部區域短時液化導致界面脆弱[21]。此外,經歷增材和焊接制造后的接頭應力分布極為復雜，與隨后的熱處理往往會使得殘余應力、相變體積效應與強化相析出共同作用，降低基體塑性，從而在熱處理或服役加載下誘發應變時效裂紋[22]。

最后，殘余應力的來源與分布特征明顯區別于傳統鍛鑄材料。首先，由于增材制造過程本身具有極高的冷卻速率、周期性熱輸入及層間溫度梯度，材料在成形階段已形成較高的初始殘余應力;在隨后的焊接過程中，二次熱循環疊加增材制造形成的應力場，進一步引起熱應力疊加、塑性變形及局部相變行為，使得殘余拉應力峰值顯著提高[23]。這些殘余應力分布不僅會降低焊接接頭的塑性，還會與孔隙、Laves相及高角度晶界的位置耦合，促進裂紋的萌生與擴展，對接頭力學性能產生深遠影響。

目前,已有研究學者通過優化掃描策略、調節過程參數、采用激光沖擊/噴丸等表面應力再分配技術，或退火與熱等靜壓等后處理工藝，在一定程度上實現了殘余應力的松弛或重分布[24-25],但對于增材制造+焊接這一復雜過程，如何更有效地建立跨尺度模型、預測并主動調控殘余應力仍是當前的重要研究方向。

在顯微組織層面，快速非平衡凝固引起的元素偏析和組織不均可能導致焊接接頭區域析出脆性或有害相(如Laves相)等，削弱接頭的韌性和抗裂性。這是由于接頭不同區域的力學性能差異，焊接時熱循環帶來的溫度變化會加劇這些不均勻區域的應力集中，進而在接頭處形成較弱的區域。特別是當不均勻區域中存在脆性相或低熔點相時，可能在高溫焊接條件下發生析出，降低接頭的強度和韌性。最后，柱狀晶的形成和織構的存在導致了增材制造合金的力學性能各向異性。柱狀晶沿生長方向的取向決定了材料的力學性能在不同方向上的差異，使得接頭的抗裂性強烈依賴于焊縫與構建方向的關系。這種各向異性形成的機理與增材制造過程中熔池的冷卻速率、成形方式及多次熱循環密切相關。當裂紋擴展的方向垂直于柱狀晶取向時，裂紋更易沿晶界擴展，導致接頭的斷裂韌性大大降低。進一步增加了工藝評定與性能標準化的難度。

針對這些問題,常見的解決方法主要包括合金成分設計與優化、焊接方法革新和外加輔助技術等,這與傳統制造合金基本一致。

(1)合金成分設計與優化。該方法一般是通過在制造時向母材添加特定改性元素來實現,例如在Al-Zn-Mg-Cu合金中添加微量Zr和Ti元素可以減少合金中的氣孔和裂紋缺陷[27],從而降低對焊接性能的影響。

(2)焊接方法的革新與突破。面對焊接件服役條件的愈加苛刻,傳統焊接方法仍具有一定的局限性，需要開發和創造新的焊接方法和工藝來滿足各制造業領域日益增加的質量需求。例如在激光焊接技術方面，多光束、光束整形等創新技術發展迅速,均已被證實在激光焊接領域具有非常大的潛在優勢[28]。

(3)外加輔助技術。采用外加輔助技術也是解決增材制造金屬焊接難點的重要途徑。通過向焊縫熔池引入外部能量場(如磁場、超聲場等)不僅可以減少焊接缺陷的產生，在一定程度上能夠改善焊縫微觀組織和力學性能[29]。

1.4 增材制造金屬材料的焊接工藝

由于航空航天領域的金屬增材構件的結構復雜、性能要求高及服役環境苛刻，對焊接連接技術提出了更高挑戰。現有焊接方法大體分為熔焊與固相焊兩類，具體方法及其原理如圖4所示。熔焊以高溫熱源熔化母材實現冶金結合，其中弧焊因工藝成熟、材料覆蓋面廣和經濟性突出，仍是航空制造中的常用方法，但增材制造構件易受孔隙、裂紋和殘余應力等缺陷影響，焊接工藝窗口窄，對質量控制要求較高。高能束焊(如激光焊)依靠極高能量密度實現深熔焊接，焊縫窄、熱影響區小，能夠有效控制組織粗化與變形，特別適合薄壁、復雜異種金屬增材制造構件的高質量連接，但其對裝配精度、環境保護和能量輸入控制要求苛刻。在此基礎上，激光-電弧復合焊通過熱源協同作用兼具深熔與填充優勢，顯著提升了焊接穩定性和接頭性能，適用于中厚板及復雜結構的再制造與修復，是航空航天增材制造構件高效焊接的重要發展方向[30]。以摩擦焊為代表的固相焊則避免了熔焊中常見的氣孔與熱裂紋，在航空航天增材制造構件的高可靠性連接中展現出獨特優勢。摩擦焊通過摩擦生熱與頂鍛壓力實現固相結合，熱輸入低、接頭質量高,特別適合高強鋁合金、鈦合金及異種金屬增材制造零件的對接與環形件連接,但其工藝對轉速與壓力參數較為敏感[31]。

綜上所述，熔焊方法因效率高和工程成熟度高而在航空航天增材制造構件焊接中應用廣泛，并正向高能量密度和多熱源復合方向發展;而固相焊憑借其優異的接頭質量與異種材料適應性，逐漸成為高性能、復雜構件連接的重要補充。二者協同發展,將為航空航天金屬增材制造構件的高質量連接與服役可靠性提供有力支撐。

2、增材制造金屬材料焊接的研究進展

在航空航天領域,大型構件的制備廣泛依賴于鋁合金、鈦合金、鐵基合金及鎳基合金4類金屬的焊接制造，而銅合金、鎂合金等則多用于小型精密結構件,可通過增材制造直接成形，其在焊接領域的應用相對較少。因此，本節重點針對前者的焊接研究現狀展開詳細討論和闡述。

2.1 鋁合金

在增材制造鋁合金焊接中,氣孔是難以避免的焊接缺陷。Makikangas等[32]采用激光焊接方法研究了AlSi10Mg合金的焊縫成形及內部缺陷特征,發現焊縫內部產生的大量氣孔是影響接頭質量的關鍵因素。氣孔缺陷的存在不僅會降低焊縫受力時的有效承載面積,而且容易成為應力集中點，降低接頭的服役壽命。因此,抑制氣孔缺陷是提高增材制造鋁合金焊接質量的關鍵所在,目前國內外學者主要聚焦于通過優化焊接方法及工藝來降低焊縫氣孔率。Zhang等[33]采用擺動激光焊接方法連接了Al-6Mg合金,發現較高的擺動頻率和幅度均有利于降低焊縫的氣孔率;但是，由于快速熔凝等因素，導致增材制造與傳統鑄造鋁合金在焊接工藝適應性上存在一定差異。Michler等[34]發現適用于傳統鑄造AlSi10Mg材料的焊接參數無法直接應用于增材制造AlSi10Mg,焊縫中會產生顯著的氣孔,而采用電子束三點焊接技術并調整工藝參數卻能夠顯著降低氣孔率。

增材制造鋁合金中的孔隙缺陷被認為是影響焊縫氣孔率的關鍵因素之一。如圖5所示，Zhang等[35]發現PBF-LB成形的AlSi10Mg合金比鑄態孔隙敏感性高，而且氣孔是其成形焊縫的主要缺陷。對此，Sun等進一步研究發現PBF特殊的制造過程會導致AlSi10Mg本身存在固溶的氫和顯微氫氣孔，在焊接時會大量聚集從而產生氣泡。針對該類氣孔問題，Wang等[37]采用激光金屬沉積(LMD)技術將粉末逐層熔化堆積在帶有坡口的AlSi10Mg母材之間以形成焊縫，通過減少母材熔化量來控制溶入熔池的氫含量，從而降低形成氣泡的風險。在此基礎上，張鈞翀等[38-39]采用預留對接間隙結合擺動激光焊接的方法，不僅從降低母材熔化率的角度控制氫的溶解，而且擺動光束的攪拌作用也有利于氣泡的及時溢出。針對3mm厚AlSi10Mg合金，經過優化工藝參數并選擇合適的填充焊絲，顯著降低了焊縫氣孔率，提高接頭抗拉強度至286MPa(圖6);此外，通過研究發現，與激光填絲焊相比，攪拌摩擦焊在焊接AlSi10Mg厚板方面更具優勢，接頭強度可提升25.3%，達到264MPa。

接頭軟化也是影響增材制造鋁合金實現高強焊接的重要因素，一般與合金元素的燒損、共晶相形態及熱循環引起的組織粗化有關。通過向焊縫中添加合金元素可以有效抑制接頭的軟化效果[40]。Peng等[41]向AlSi10Mg焊縫中引入微量Er、Zr元素后發現接頭強度提升16.4%,認為焊縫形成的Al3(Er,Zr)粒子促進異質形核達到細晶強化的效果;此外，上述元素也被證實能夠通過改變共晶Si形態和分布規律來影響焊縫性能。接頭軟化會改變接頭的力學性能分布，導致變形和應力重新分布，并影響殘余應力的宏觀狀態。在焊接過程中，這種殘余應力對零件有負面影響。為減輕這些負面影響，Mishra等[42]系統介紹了摩擦攪拌類固態增材通過添加增塑金屬顯著降低殘余應力與孔隙、抑制凝固裂紋。而Lim等[43]提出并驗證了對AlSi10Mg的新型殘余應力降低方法，使用較低的溫度進行處理，然后進行不均勻的冷卻,在冷卻過程中引起熱應力,從而抵消現有的殘余應力。此外，Bastola等[44]通過數值/試驗研究指出,針對增材制造材料需把“母材內在孔隙微結構差異”和“焊接熱循環一殘余應力”同時納入分析，才能解釋并預測焊接接頭的失效模式。

綜上所述，增材制造鋁合金在焊接過程中所表現出的高氣孔敏感性，其根源在于遺傳性的氫致微孔隙、固溶氫的高含量及其在焊接熱循環中的再聚集行為,三者共同決定了熔池中氣泡的形成與長大。這一材料特征使其焊縫氣孔相比傳統鑄鍛材料更難抑制。盡管擺動光束、預留對接間隙等工藝調控手段已在降低氣孔率方面取得顯著成效，但母材中氫的釋放、遷移路徑及其在高梯度熔池流場中的再分布機制尚不明確，仍有待系統闡明。同時，焊接過程中合金元素燒損、共晶Si的再析出與粗化行為是引發接頭軟化的關鍵因素之一。通過焊絲微合金化與成分設計，可在一定程度上重構焊縫組織并改善力學性能，但不足以改變接頭普遍斷裂于焊縫區的局面。因此，需要構建新型且可靠的增材制造鋁合金焊縫組織強化機制與工藝體系，實現接頭性能的整體提升。

2.2 鈦合金

增材制造鈦合金(TC4、TC11、TA15等)具有卓越的機械和耐蝕性能，且氣孔、裂紋等焊接缺陷敏感性均低于鋁合金。由于焊接性能優良，該合金對焊接工藝適應性較高，可采用熔化焊、固相焊等多種焊接方法連接。謝輝等[45]采用電子束焊接增材制造TC4,發現焊縫區的強度高于母材區,拉伸試樣斷于母材區一側。覃佩婷[46]發現采用摩擦焊技術可以成功焊接EBM TC4鈦合金且不惡化材料的力學性能，焊接接頭拉伸斷口呈韌性斷裂特征。如圖7所示，Hu等[47]采用TIG焊接方法研究了冷金屬過渡(CMT)增材制造TC4合金的接頭組織特征，發現焊縫組織由等軸β晶粒組成且沒有擇優取向。王猛等[48]發現與鍛造TC11相比,增材制造TC11的激光焊接接頭強度更高，焊接性更好。本團隊采用激光焊接技術成功地實現了1.6mm與20mm兩種厚度PBF-LB TC4合金的無缺陷高質量焊接，焊縫形貌及接頭性能如圖8所示。對于1.6mm薄板,采用激光自熔焊即可獲得無氣孔無裂紋的焊縫，其接頭強度優異，室溫抗拉強度與屈服強度分別達到1229MPa和1053MPa，但斷后伸長率較低(1.5%)。由于該工藝方法無填充材料,導致焊縫的有效承載面積降低，促使拉伸試樣沿焊縫區域發生斷裂。對于20mm厚板，采用“激光自熔焊+激光填絲焊”的焊接工藝，不僅有效地保障了接頭成形質量,而且通過減少焊接道次顯著提高了焊接效率。拉伸測試結果表明，自熔焊和填絲焊區域的接頭強度均高于母材(979MPa),試樣沿母材區斷裂，有力印證了該工藝下焊接接頭的強度優勢。

由于氫和殘余應力的作用,增材制造鈦合金在焊接過程中冷裂紋傾向較大，所以除了克服各向異性外還要應對可能產生的殘余應力等問題,研究主要集中在工藝優化與后處理手段的應用上。通過在焊接過程中調控熱輸入,可以有效細化焊縫組織、減小殘余拉應力，并改善接頭的強度與塑性匹配。Zhan等[49]針對TC4激光焊接的殘余應力測量與影響分析,強調了熱輸入/焊速對殘余應力峰值的決定性作用;焊后熱處理則在消除焊接應力、均勻化焊縫和熱影響區組織方面發揮了積極作用，顯著提升了接頭的韌性和穩定性。Lee等[50]針對Ti-6Al-4V焊接接頭的焊后熱處理(PWHT)研究,證實了熱處理對殘余應力松弛與裂紋擴展行為的改善效果。此外，針對鈦合金高溫服役性能的需求，Boccardo等[51]也探索了通過合金成分調控與工藝參數優化來降低裂紋敏感性并增強高溫持久性能。Li等[52]發現在增材制造鈦合金蠕變性能方面,通過焊接工藝調控和焊后熱處理細化組織,可以顯著提升接頭的高溫蠕變強度和穩定性。整體而言，焊接工藝優化與后處理措施在保證焊縫成形質量的同時，也為增材制造鈦合金焊接接頭在復雜服役環境中的可靠應用提供了堅實基礎。

增材制造的鈦合金受凝固條件的影響通常會產生不利的、粗柱狀和β晶粒組織結構,且傾向于形成機械行為的各向異性，從而影響焊接接頭性能。因此，克服增材制造鈦合金的各向異性對提升接頭性能至關重要。何智等[53]通過超聲沖擊技術將WAAM鈦合金的粗大柱狀晶轉化為細小等軸晶，從而將其力學性能的各向異性從12.5%顯著降低至1.5%。Xu等[54]研究了一種雙熱線電弧增材制造(WAAM)工藝,通過控制沉積層形態來改善TC4鈦合金力學性能的各向異性。Yoon等[55]開發了一種非接觸式脈沖激光輔助增材制造(PLAAM)技術，通過原位晶粒細化制備出具有近乎等軸β晶粒和弱織構的TC4鈦合金，也能夠顯著降低各向異性。

綜上所述，增材制造鈦合金在焊接過程中展現出優良的焊接性能，且多種焊接方法下的接頭強度達到或超過母材水平，表明其在工程化應用中具有優異的焊接可靠性與力學表現。然而，其固有的粗大柱狀β晶與織構導致明顯的力學各向異性，同時氫吸附與殘余應力亦可能誘發冷裂傾向，使其焊接組織與服役穩定性面臨一定挑戰。因此，當前研究主要集中于通過熱輸入調控與工藝優化減小殘余應力、通過焊后熱處理均勻化焊縫與熱影響區組織，以及通過超聲沖擊、雙熱線WAAM、PLAAM等原位晶粒細化技術削弱組織的各向異性。這些策略在改善焊縫組織、提升力學性能一致性與可靠性方面均具有良好的應用前景，可為增材制造鈦合金焊接接頭在復雜服役環境中的工程化應用奠定堅實基礎。

2.3 鐵基合金

近年來，增材制造鐵基合金的焊接研究逐漸成為材料與制造領域的熱點。目前,研究對象主要集中在合金鋼和不銹鋼等常用工程鐵基合金，原因在于其廣泛的工業應用背景及復雜熱歷史導致的各向異性和微觀缺陷問題。增材制造制備的鐵基材料通常存在氣孔、未熔合區、粗大晶粒及成分非均勻等缺陷，這些缺陷會顯著影響焊接接頭的力學性能和服役可靠性，因此選擇合適的焊接方法對于修復母材缺陷、改善接頭性能具有重要意義。針對增材制造鐵基合金的焊接未熔合等缺陷的研究，劉鑫泉等[56]發現,對于小尺寸粉末(小于25μm)增材制造得到的低活化鐵素體/馬氏體鋼板(RAFM),激光焊接能夠有效修復增材制造過程中遺留的道間未熔合缺陷,顯示出激光焊在高精度修復和局部熱控制上的優勢。Mohyla等[57]研究了PBF-LB制備的AISI316L不銹鋼，指出母材中存在的氣孔是導致TIG焊接接頭力學性能下降的主要原因，尤其是在熱影響區附近，試樣在屈服前發生局部斷裂,這表明母材缺陷控制對焊接性能至關重要。Mokhtari等[58]通過激光焊接獲得了PBF-LB AISI316L和冷軋 AISI316L的無缺陷焊縫，但兩者焊縫組織存在明顯差異;PBF-LB AISI316L熔合區存在外延生長現象，而冷軋AISI316L的熔合區則由奧氏體孿晶及等軸晶粒的優先取向生長所形成，這表明母材制備方式對焊縫晶粒取向和微觀結構具有顯著影響。Casalino等[59]采用激光-電弧復合焊方法焊接PBF-LB AISI316L,發現由于PBF-LB過程中形成的細小晶粒及局部元素沉淀，熔合區靠近PBF-LB一側晶粒取向呈隨機分布，表明復合焊接方法在調控晶粒結構上具有潛力。如圖9所示，Yang等[60]研究了PBF-LB 304不銹鋼的各向異性對焊接性能的影響，結果表明，沿著PBF-LB母材沉積方向焊接時，焊縫形成的細小枝晶結構能夠改善接頭的拉伸性能。

此外,焊接熱循環對增材制造鐵基合金微觀組織及性能具有一定的調控作用。例如，通過優化激光功率、掃描速度及焊接路徑，可以控制焊縫熔池的冷卻速率,從而細化晶粒、減少未熔合缺陷及殘余應力積累。高能束焊接技術(如激光束焊接)由于能量集中、熱影響區小，也被廣泛探索用于薄壁及復雜結構件的焊接。另一方面，輔助工藝如預熱、后熱處理及機械振動輔助焊接等手段，也被證明有助于改善焊縫組織均勻性、降低裂紋敏感性。

綜上所述，增材制造鐵基合金焊接面臨母材各向異性、孔隙、未熔合及粗大晶粒等微觀特征對接頭力學性能的制約。高能束焊接與復合焊接方法能夠有效修復增材制造后母材的遺留缺陷，并通過優化功率、掃描速度及路徑來控制熔池冷卻,實現晶粒細化、缺陷抑制及殘余應力減小。同時,母材制備方式與沉積方向對焊縫微觀結構和力學表現具有顯著影響，適當調控可改善接頭拉伸性能，使增材制造鐵基合金焊接接頭在保持高成形質量的同時展現出良好的工程可靠性。但是，目前大多數研究聚焦于接頭靜態力學性能的評價,由于鐵基合金應用廣泛，焊縫再凝固組織對疲勞、耐蝕性等關鍵服役性能的影響研究工作仍有待于擴展和探索。

2.4 鎳基合金

增材制造鎳基合金的焊接研究熱點也主要集中在焊接工藝適用性、焊縫組織特征及演化規律、氣孔及裂紋缺陷等方面，涉及的焊接方法主要以激光焊接為主。Hong等[61]研究了激光焊接速度對PBF-LB Inconel 625合金接頭微觀組織的影響，結果發現，隨著焊接速度的增加，焊縫區晶粒尺寸和高角度晶界(HAGB)的比例減小,而拉伸強度和延伸率得到了提高，如圖10所示。Hu等[62]發現 PBF-LB Inconel 625激光焊接接頭在815℃的拉伸強度高于母材，而由柱狀晶組成的焊接區的抗拉斷裂性能竟然優于原始的具有等軸晶粒的PBF-LB合金,因而認為激光焊接是連接該材料的高效方法。Zhang等[63]發現PBF-LB Inconel 625激光焊接試樣的疲勞和蠕變疲勞性能均優于未焊接試樣,焊縫區晶界碳化物的強化效應及無明顯焊接缺陷促使了焊縫的性能提升,再次印證了激光束焊接在連接PBF-LB Inconel 625方面具有很大的優勢。

研究表明,Inconel 718鎳基合金具有較高的焊接熱裂紋敏感性,尤其易產生凝固和液化開裂現象,但是根據現有研究結果，采用激光焊接的方法卻能夠獲得無裂紋缺陷的焊接接頭。Jokisch等[64]采用激光束焊接了PBF-LB制造 Inconel 625和 Inconel 718管材，結果發現焊縫并未發生開裂且對管材的殘余應力沒有顯著影響，但因激光功率的降低造成了匙孔的不穩定，導致在焊縫最終的重疊區域出現了氣孔群。Brunner-schwer等[65]發現傳統制造和增材制造718合金激光焊縫在成形特征方面存在差異，尤其在全熔透焊縫方面，在單位能量全熔透的情況下，增材制造718的熔融體積比鍛造材料多16%~18%。唱麗麗等[66]通過優化工藝獲得了無缺陷的718合金激光焊接接頭，焊縫組織主要由奧氏體柱狀晶及共晶組織構成，抗拉強度及延伸率分別高達母材的95%、65%以上。

綜上所述，盡管鎳基高溫合金具有焊接熱裂紋敏感性高、元素偏析復雜等特點，但在增材制造合金中，激光焊展現出良好的適應性和性能穩定性,特別是Inconel625和718等合金在適當能量密度下能夠獲得無裂紋、強度優異的焊縫。微觀組織中的晶粒形態、碳化物分布及織構特征在焊接后發生重構，對接頭高溫力學性能具有關鍵貢獻。但增材制造鎳基合金組織的不同吸能和熔化特性使其熔深與熔池行為區別于鍛造材料,促使增材鎳基合金焊接仍面臨匙孔不穩定、深熔大及局部氣孔群等問題，反映出母材組織與激光作用的復雜性。但當前研究仍主要集中于激光焊接，其他焊接方法的探索鮮有報道，導致不同工藝路徑下的組織重構規律和缺陷敏感性尚未形成全面認知。

3、焊接技術在航空航天金屬增材制造構件中的工程應用

焊接技術的高連接效率與增材制造技術的高自由度相融合,可在保持性能均勻性與制造靈活性的前提下,實現大型、復雜構件的模塊化設計與整體成形。目前，該技術路線已在發動機熱端部件、大型薄壁結構、燃料與儲能系統等領域取得了顯著成果,成為航空航天金屬構件工程化制造的重要支撐手段。該方法不僅可顯著降低制造周期和成本，還能通過控制焊縫位置與焊接順序，減少熱輸入對母材及熱影響區組織的影響，實現整體構件的高精度裝配與性能均勻化。本研究采用激光焊接技術實現了PBF-LB增材制造核電構件(316L不銹鋼)、PBF-LB及LDM增材制造深海潛航器耐壓殼(Ti6Al4V)以及PBF-LB增材制造的鈦合金彈翼(Ti6Al4V),輕量化發射箱蓋、換熱器(AlSi10Mg)的焊接制造,部分已應用于某型號批產中。圖11所示[57,64,67]為增材制造的燃氣輪機燃燒室管路結構(不銹鋼和鎳基合金)、液態火箭推進器(Inconel718)、核電構件(316L不銹鋼)的焊接結構照片。

在發動機熱端部件制造方面，燃燒室、噴嘴及冷卻通道等部件需長期在高溫、高壓和強熱梯度環境下服役,對材料的耐熱性與結構的完整性提出了極高要求。增材制造技術可高效制備復雜冷卻通道與多功能集成結構,而焊接技術則在實現模塊化拼接與整體化裝配中發揮關鍵作用。Kerstens等[67]認為上述兩種技術的結合可顯著提高液體火箭發動機推進器的制造效率,并提出采用PBF-LB制備Inconel718推進器模塊,并通過焊接方法實現多段結構的可靠連接。此外，在液態火箭推進器制造過程中，通常會采用DED-LB技術在燃燒室的后端位置沉積多孔金屬接口,后續也需采用焊接方法將前部多孔管與燃燒室進行連接[68]。在機體與承載結構制造方面，隨著增材制造技術的引入,桁架、加筋壁板及機身蒙皮等構件正逐步由傳統整體加工向模塊化、輕量化方向發展。焊接技術在該方面不僅用于增材結構件的拼接，還承擔著殘余應力調控與尺寸精度修復的作用。在航空航天器的燃料與儲能系統中，儲箱、推進劑輸送管路及熱管理單元需長期承受高壓、低溫及復雜振動載荷，對接頭的氣密性與結構完整性提出了極高要求。通過增材制造可實現復雜流道與輕量化結構設計,而焊接則用于模塊封接與界面連接。綜上，焊接技術在航空航天金屬增材制造構件連接中的作用至關重要,是實現結構完整性與功能集成不可或缺的關鍵環節。

4、結論與展望

本文系統梳理了增材制造金屬材料的焊接研究現狀，深刻揭示了其焊接性本質是源于增材制造所帶來獨特微觀組織的影響，而焊接質量控制的核心挑戰在于克服由增材制造固有特性(如氣孔、各向異性組織及殘余應力等)所引發的焊接缺陷與性能下降。因此，焊接方法的選擇需與材料特性及構件要求精準匹配。此外，通過合金設計、焊接工藝創新及輔助外場(如超聲、磁場等)的協同調控有效抑制缺陷、優化微觀組織,是提升增材制造構件焊接接頭性能的關鍵途徑。最后本文進一步對航空航天大型構件中廣泛應用的鋁合金、鈦合金、鐵基及鎳基合金的焊接研究進展進行了系統的總結和闡述，為不同材料體系下焊接工藝的精準選擇與優化奠定了堅實的理論與實踐基礎。對于鋁合金,主要通過擺動激光焊等工藝方法抑制氣孔缺陷，并借助微合金化緩解接頭軟化;對于鈦合金，則聚焦于通過創新工藝與后處理細化晶粒、削弱各向異性并控制殘余應力;對于鐵基與鎳基合金，重點在于利用高能束降低焊接缺陷的萌生并調控焊縫微觀組織及性能。

隨著構件向大型化、輕量化、功能一體化方向發展,增材制造金屬的連接正面臨從“可焊”到“焊好”、從“經驗驅動”到“數據與模型驅動”的深刻變革，其發展將高度依賴于與智能技術的深度融合。首先，人工智能與機器學習技術將通過構建工藝-組織-性能的映射模型,實現焊接參數的智能逆向設計與在線優化,大幅提升工藝開發效率與穩定性;其次，基于深度學習的視覺檢測系統能夠對氣孔、裂紋等缺陷進行實時識別與分類,為實現焊接質量的在線閉環控制與精準預測奠定基礎;然后,數字孿生技術則將構建物理焊接過程與虛擬模型的實時交互，為工藝優化與服役性能預測提供全新平臺。另一方面,熱影響區(HAZ)受原始微觀結構和焊接熱循環雙重影響,而不同材料體系的熱影響組織演變規律尚不明確，這直接影響接頭的服役可靠性,未來應聚焦于熱影響區組織及性能調控研究。此外，隨著新型增材制造合金的不斷涌現，尤其是一些具有特定功能要求的合金，如鋁鋰合金、鈦鋁合金等,其焊接性仍然是一個亟待解決的問題。最后，異種材料界面行為控制、特殊結構連接可靠性以及極端工況下接頭壽命評估等，仍是亟待突破的核心科學問題，而傳統焊接技術與前沿智能技術的深度融合,也必將為航空航天等高端領域增材制造金屬構件提供更高效、更精密、更可靠的連接解決方案。

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（注，原文標題：面向航空航天金屬增材制造構件的焊接技術研究進展）