【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GB3233287II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

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(Ti26Al24V),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。
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