钛合金材料激光焊接试验研究

作者：绵阳中物院机械制造工艺研究所 杨家林 郭鹏

欢迎访问e展厅 展厅 5 激光焊接机展厅 激光淬火, 激光熔覆, ... 【摘要】针对TC4 钛合金，采用激光焊接方法，对焊深及其波动、焊接质量、焊接变形等方面进行了分析，获得了外观成型良好、色泽正常的焊接接头，经过X 射线探伤，焊缝内部质量达到国标GB3233287 II 级要求，实现了TC4 钛合金的精密焊接。此外，还讨论了激光焊接的工艺因素对焊接质量的影响。 关键词TC4 钛合金激光焊接持了7 级精度。 TC4钛合金材料具有比重轻、比强度高、耐蚀等特点，但价格昂贵，仅用于些特殊工程构件上。目前，多采用氩弧焊或等离子弧焊进行焊接加工，但该2种方法均需填充焊接材料，由于保护气氛、纯度及效果的限制，带来接头含氧量增加，强度下降，且焊后变形较大。本研究采用激光焊接方法，对TC4钛合金的焊接工艺性进行研究，以便实现该种材料的精密焊接，即焊接质量好，焊深波动和焊接变形小。 1. 试验材料 试验材料为TC4 (T i26A l24V ) ，化学成分见表1。 2. 试验条件 激光焊机为RS2000型轴流CO2激光加工机，额定输出功率为2kW，光束模式为基模，反射镜聚焦，焦距f=127mm，最小焦斑直径为50.4mm。TC4 钛合金的板厚为2.0～3.5mm，保护气体为高纯氦气。 激光焊接工艺参数包括：1)激光功率P，W；激光器的功率控制面板示出；2)焊接速度v，m/s；由数控编程确定；3)离焦量△f，mm； 指光束焦点与工件表面的距离。 3. 试验方法 先进行阶梯试环焊接工艺试验，粗找工艺参数，并初步确定焊接工艺规范； 焊接平板对接试样，利用X2射线探伤仪检测焊缝内部质量，并进行金相组织分析； 焊接对接试环，用三坐标精密测试仪测量焊件轴向与径向焊接变形情况。 结果与分析 1. 焊接性分析 钛和钛合金的焊接性取决于它的物理化学性能。钛是一种非常活泼的金属，由于表面形成致密的氧化膜，使其在常温下非常稳定。但是在高温下，钛则有强烈的吸氢、氧、氮的能力； 空气中钛在250℃开始吸氢，500℃开始吸氧，600℃开始吸氮。随着温度提高，钛吸收气体的能力更强。氧、氮都是A相稳定元素，当其含量较少时，都作为间隙元素固溶在钛中，使钛的强度、硬度提高，而塑性急剧下降，氮的作用比氧更强。此外，钛和钛合金焊接时容易产生气孔，形成气孔的主要因素有焊接工艺不正确、保护气体的纯度不够以及接头污染等。 鉴于钛的高活性，钛及钛合金焊前应对接头部位进行仔细清理。清理方法为先用机械方法去除表面氧化皮，然后进行酸洗。酸洗液为2%～ 4%HF+30%～ 40%HNO3+ H2O (余量)。最后用清水冲洗干净并烘干。临焊前用丙酮或酒精擦洗。清洗后的焊件必须在72h 内焊完，否则需重新清理。 2. 焊缝质量分析 1) 焊缝气孔倾向 焊缝中的气孔是焊接钛合金最为普遍的缺陷。存在于被焊金属电弧区中的氢和氧是产生气孔的主要原因。激光焊接是在大气环境中进行的，由于高温时钛对气氛的高活性，焊缝中气孔形成倾向较大。为此，着重就激光焊接焊缝中形成气孔的工艺因素进行研究。 在外径为Ф70mm 的阶梯环上采用表2 所示工艺参数进行激光焊接试验，试验结果如下： 1-1# ： 焊缝成形良好，焊缝较宽，焊缝内部有连续气孔，焊透； 1-2# ： 焊缝成形良好，与1-1# 相比焊缝变窄，焊缝内无气孔，焊透； 1-3# ： 焊缝成形良好，与1-1# 、1-2# 相比焊缝明显变窄，焊缝有少量气孔，但不连续，基本焊透； 1-4# ： 焊缝成形良好，与1-3# 相比焊缝变窄，焊缝内部有大量连续气孔，未焊透； 1-5# 、1-6# ： 焊缝中有大量连续气孔； 1-7# ： 焊缝中有大量连续气孔； 1-8# ： 焊缝中有大量连续气孔。 由以上结果可以看出，激光焊接时焊缝中的气孔与焊缝线能量有较密切关系，若焊接线能量适中，焊缝内只有极少量气孔、甚至无气孔，如1-2#、1-3#试样，线能量过大或过小均会导致焊缝中出现严重的气孔缺陷，如1-1# 、1-4# 试样。此外，焊缝中是否有气孔缺陷还与焊件壁厚有一定的关系，比较1-2#与1-7# 试样试验结果可看出，二者焊接线能量均为100J/mm ，1-2# 试样壁厚为2. 5mm ，127# 试样壁厚为3. 0mm ，但1-2# 试样焊缝无气孔，而1-7#试样焊缝有大量气孔，可见，随着焊接壁厚的增加，焊缝中出现气孔的几率增加。这是由于焊接壁厚增加，熔池体积及深度增加，导致熔池中的气体更来不及溢出而造成的。据观察，激光焊接工艺参数中，激光功率、焊接速度以及离焦量对焊接质量影响较大，其影响机理有待更进一步研究。 2) 焊缝内部质量及外观质量 利用平板对接试样，采用激光焊接来考察焊缝内部质量，经理化检测，焊缝内部质量经X 射线探伤，参照国标GB3233-87达到II级要求，焊缝表面和内部均无裂纹出现。焊缝外观成型良好，无明显咬边、裂纹等缺陷，色泽正常。 3.焊深及其波动情况 钛合金作为工程构件使用，对焊深有一定要求，否则不能满足构件强度要求； 而且要实现精密焊接，必须对焊深的波动加以控制。为此，采用激光焊接方法分别焊接了两对对接试环，焊后对试环进行了纵向及横向解剖，以考察焊深及焊深的波动情况，结果见表3。可见，对于激光焊接，焊缝平均焊深为2. 70mm 左右，焊深波动幅度为-3.8%～+5.9%，不超过±10%。 4.接头变形分析 利用对接试环来考察接头焊接变形情况，检测了对接试环的径向及轴向变形。结果表明，激光焊接的变形很小，径向收缩变形量为Ф0.03mm～Ф0.10mm，轴向收缩变形量为0.02～0.03mm。 5.焊缝组织分析 经理化检测，焊缝组织为A+B，组织形态为柱状晶+等轴晶，有少量的板条马氏体出现，晶粒度与基体接近，热影响区较窄，组织形态和特征较为理想。 讨论 1. 钛合金激光焊接的参数选择及研究方向 激光焊接的焊缝成形机理和焊接效果有截然不同的2 种焊接模式： 热导焊和深熔焊。在2 种焊接模式之间存在1 种过渡的不稳定焊接过程，即存在1个过渡区间。因此要获得良好的焊接质量，首先根据使用要求，确定选用何种焊接模式，然后根据焊接模式制定合适的焊接参数，主要有激光功率、焊接速度和焦点位置(离焦量) ，原则上钛合金激光焊接参数应避开过渡区间，不能接近临界值。功率越高，熔深越大，焊接的厚度也越大，但过大的激光功率会使焊缝外观变坏，易产生一波一波的突起和空洞。在功率一定时，焊接速度决定着焊缝单位长度能量输入即线能量的大小，随着焊接速度增大，焊缝线能量降低，熔深和熔宽减少； 焊接速度过大会使熔深减少，甚至断弧，在焊缝表面形成焊珠。焦点位于工件表面时，焊缝余高最大，只有焦点位于工件表面下一定距离处时，可获得最大熔深，这个距离与板厚及所使用的激光功率有关； 过分的负离焦或正离焦均会使激光深熔焊与热传导焊交替出现，焊缝成形极不规则。 由于激光焊接具有能量高度集中、焊缝成形好、操作简单、易实现自动化等优点，钛合金的激光焊接已日益普及，深入探讨与之相关的问题势在必行。目前研究表明，如果钛合金激光焊接模式为稳定的热导焊，焊缝成形均匀，熔深和熔宽均很小，且几乎保持不变； 如果为稳定的深熔焊，焊缝成形也很均匀，熔深和熔宽明显大于热导焊，且在一定范围内连续变化。但2 种激光焊接模式之间的过渡区间大小(即焦点位置、激光功率、焊接速度的临界值) 以及焊缝气孔的形成机理、来源、成分等需更深入地研究。 2.接头清理和保护措施对钛合金激光焊接的重要性 钛合金焊件的清洁程度也严重影响其激光焊接质量。焊前应严格清洗焊件表面，去除氧化膜、油污、灰尘、锈迹和机械加工留下的冷却液，甚至包括人手触摸的痕迹以保证焊件的清洁，防止杂质对焊接接头的污染。 在高温(大于250℃) 时，钛及钛合金有较强的气体吸收能力。而钛合金激光焊接时接头区域的温度远远超过250℃，所以在没有保护措施的情况下，空气中的有害污染物(氢、氧、氮、碳) 就极易侵入焊接区，从而造成接头脆化，产生气孔，并大幅度降低材料的综合机械性能。因此，钛合金激光焊接时必须采用保护措施，通常采用惰性气体保护，要合理选用惰性气体种类及流量，流量过小不能充分保护焊接区域，流量过大，会产生紊流现象，使保护气体与空气混合，反而造成不良后果。此外，钛合金激光焊接时，应从三方面对焊接区域进行保护，即熔池、焊缝后部高温区和焊缝背面。 3. 钛合金激光焊接接头表面质量检验方法 钛合金激光焊接接头表面质量，可通过焊缝的颜色来判断接头被污染的程度。光亮银白色的焊缝表明没有污染存在； 金色或浅粉色表明焊缝受到了轻微的污染，这种情况根据不同的应用和性能指标要求，可能被接受也可能被否定； 浅蓝色或深蓝色的焊缝说明污染严重，这样的焊接接头在任何场合下都是不合格的。 结语 1. 对于TC4 钛合金，激光焊接只要工艺参数匹配合理，可使焊缝内部质量达到国标GB3233-87级焊缝要求，实现TC4 钛合金的精密焊接。 2. 焊接线能量在一定范围内，可使TC4 钛合金激光焊接的焊缝气孔减少，甚至没有气孔； 而且适中的焊接线能量范围随着焊件壁厚变化而改变。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/14/2005)