由于钛合金具有高的比强度及良好的耐腐性,钛合金焊接结构件被广泛应用于涉及国防安全的军事装备制造领域,如飞机后机身带筋壁板T形接头和起落架主承力隔框。近年来,随着我国军事装备制造现代化进程的加速,装备的研发与生产周期不断缩短,这对钛合金结构件的焊接工艺提出了高效性和稳定性的要求。然而采用传统的电弧焊接方法,由于热源能量分散、穿透力弱,焊接速度的提升受到很大限制,且焊接熔池较大,对参数变化敏感度较高,易失稳导致烧穿。针对上述问题,本论文提出了采用低功率脉冲激光调控电弧耦合热源进行钛合金焊接,提升焊接速度,降低参数变化敏感度,实现高效、稳定的焊接工艺。本论文表征了低功率脉冲激光调控电弧耦合热源电弧物理特性、作用时间特性和作用空间特性,揭示了低功率脉冲激光调控电弧耦合热源的物理本质,利用耦合热源进行了钛合金结构件高速焊接工艺设计,阐明了钛合金焊接过程中出现的烧穿、咬边与“山脊”状问题的原因,实现对焊接熔透状态的控制。最后研究了脉冲激光对电弧作用时间与作用空间调控的机制,揭示了脉冲激光调控效应控制成形以及提高焊接稳定性的本质,对比了耦合热源与电弧热源焊接在焊接能耗与速度方面的优势,并以钛合金T形结构件的焊接工艺为研究对象对耦合热源调控效应的物理本质进行了验证。本文的主要研究内容与结论如下:(1)低功率脉冲激光调控电弧耦合热源特性表征。本部分研究了有激光作用时耦合热源(峰值耦合热源)中心导电区的能量密度、等离子体流动状态、等离子体电离度以及脉冲激光作用前后耦合热源的作用时间特性与作用空间特性。结果表明:当有激光作用时,峰值耦合热源中心导电区的能量密度从单TIG热源时的2.4X 103 W/cm2提高到1.8 X 105 W/cm2,约为单电弧热源的75倍(TIG电流150 A、激光脉冲能量12 J、脉冲宽度3 ms,焊接速度500 mm/min);相对单TIG焊接热源,峰值耦合热源中心导电区的雷诺数显著降低,Ti粒子的电离度明显升高。利用激光脉冲宽度、脉冲频率与脉冲能量的调节,可以控制单个周期内激光作用时长、峰值耦合热源占空比、相邻周期间隔时间以及耦合热源能量传输行为的变化,实现了耦合热源时间属性的调控;利用脉冲激光作用前后耦合热源周期性的压缩偏转,可以控制耦合热源的作用位置,实现了耦合热源空间属性的调控。(2)基于低功率脉冲激光调控电弧耦合热源的钛合金焊接工艺设计。本部分针对焊接过程中出现的烧穿、咬边与“山脊”状焊缝进行了钛合金焊接工艺设计,阐明了焊接工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明:针对1mm厚钛合金对接焊,参数范围为激光功率80～120 W、电弧功率500～700 W时可以获得良好的焊缝成形。实现了 2 mm厚钛合金板材对接高速焊工艺(激光功率650 W、电弧功率3800 W、热源间距1.5 mm,焊接速度2070 mm/min)。通过调节热源间距,实现对焊接熔透状态的控制,有效抑制熔池失稳引起的烧穿。通过调节热源间距和离焦量,有效改善填丝焊接过程中出现的“山脊”状焊缝形貌。并发现了耦合热源焊接时能量匹配度与峰值耦合热源占空比共同影响焊接过程的稳定性。耦合热源焊接实现有峰值耦合热源短时间作用熔池和基值耦合热源长时间作用熔池的效果,是提高焊接稳定性的关键。最后,实现了钝边1mm的10mm厚钛合金板材打底焊接工艺(激光脉冲能量20 J、脉冲频率20 Hz、电弧电流200 A、热源间距2mm、焊接速度400mm/min)。(3)脉冲激光调控电弧耦合热源调控机制与应用。本部分基于“匙孔”动态行为、熔池流动状态的分析,揭示了实现耦合热源作用时间与作用空间调控的机制,开发了脉冲激光调控电弧耦合热源T形结构件壁板穿透焊工艺,对比了耦合热源与电弧热源焊接在能耗与速度方面的优势。结果表明:耦合热源作用时间调控的机制是实现“匙孔”的存在时间以及中后期生长速度的调控,从而在时间尺度上调控峰值耦合热源的作用熔池时间,使得峰值耦合热源与基值耦合热源交替作用熔池,有效抑制熔池整体过热,减小熔池金属体积与重量;耦合热源作用空间调控的机制是实现“匙孔”形成位置以及“匙孔”壁受力状态的调控,从而在空间尺度上调控峰值耦合热源的作用熔池位置,有效抑制熔池局部过热,减少了“匙孔”底部金属所受热量,增加了底部金属的表面张力;减弱了熔池表面能量密度梯度和表面张力梯度,改善了表面熔池流动状态。实现了T形结构件的壁板穿透焊接(电弧功率1900 W、激光功率550 W、焊接速度350 mm/min),接头拉伸强度不低于母材94.2%,与TIG焊比较,焊接速度提高到1.75倍,焊接热输入为TIG焊接的41.3%。2 mm厚钛合金对接焊,在与TIG焊接能耗基本相同时,耦合热源焊接速度提高到TIG焊接的7.9倍,并得到了成形良好的焊接接头,拉伸性能与母材相当。1.2 mm厚钛合金焊接,当耦合热源能耗为171 J/mm,是TIG焊接能耗227 J/mm的75.3%时,耦合热源焊接速度可以达到TIG焊接的5.75倍。低功率脉冲激光调控电弧耦合热源焊接技术实现了钛合金的低能耗、高效率焊接工艺。