随着海洋资源开发深度和广度的增加以及新材料的大量使用,传统水下焊接方法受到了越来越多的限制。核电领域高压、高辐射的水环境同样也对水下焊接技术提出了更高的要求。与水下电弧焊相比,水下激光焊接具有受水压影响小,焊接材料广泛,热影响区小和残余应力低等优点。TC4钛合金由于具有抗腐蚀、抗疲劳性能良好等优点而被广泛使用。然而我国的水下激光焊接技术仍然处于十分落后的地位,其中如何实现钛合金水下激光焊接以及TC4钛合金水下激光焊接工艺研究等关键问题有待深入探究。为此,本文重点研究了可实现TC4钛合金水下激光焊接的焊接方法及工艺试验方案。首先探究了TC4钛合金直接水下激光焊接的可行性。以焊缝成形、力学性能、断裂面形貌及物相成分等评价标准分析了水环境对钛合金激光焊接质量的影响。研究发现,直接水下激光焊接TC4钛合金所得焊缝氧化严重,焊缝连续性及稳定性差;焊缝内部存在大量裂纹、气孔及金属间化合物,焊缝力学性能差,不满足焊接实验及实际使用要求,直接水下激光焊接TC4钛合金不可行。在此基础上,设计研发了双层水下激光排水装置以实现局部干法焊接,消除水对焊接质量的不良影响。对该装置进气方式及通入气体的种类和流量进行了研究,结果为外层通入压缩空气,采用侧切向进气方式,内层通入氩气,采用斜通式进气方式,内外层排水气体流量均选用50 L/min,并在焊接前持续通入气体10 s。另外通过Fluent软件模拟计算发现,双层水下激光排水装置可在上述条件下形成稳定的局部干燥空间。最后进行了局部干法水下激光焊接工艺研究,结果表明2 mm厚TC4钛合金局部干法水下激光焊接最佳工艺参数为:激光功率2.5 kW,焊接速度20 mm/s,离焦量0 mm。通过与相同参数下陆上焊缝对比,对TC4钛合金局部干法水下激光焊接可行性进行了论证,结果表明其与陆上焊缝的焊缝成形和接头力学性能差别不大,且水下焊缝连续平直,成形良好,焊缝宽度均匀,未出现飞溅、咬边和表面裂纹等缺陷;抗拉强度和冲击韧性达到了843.53 MPa和38.044J/mm~2,分别为母材的94.22%和76.32%,焊接质量满足要求。