鈦合金材料的激光焊接

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鈦合金材料的激光焊接試驗研究（摘要）
$ z* ^' n( W. {鈦合金材料具有比重輕、比強(qiáng)度高、耐蝕等特點, 但價格昂貴, 僅用于些特殊工程構(gòu)件上。目前,多采用氬弧焊或等離子弧焊進(jìn)行焊接加工, 但該2種方法均需填充焊接材料, 由于保護(hù)氣氛、純度及效果的限制, 帶來接頭含氧量增加,強(qiáng)度下降, 且焊后變形較大。采用激光焊接方法，可以實現(xiàn)該種材料的精密焊接，達(dá)到焊接質(zhì)量好,焊深波動和焊接變形小。
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1. 試驗材料——試驗材料為TC4 (T i26A l24V )。
2. 試驗條件——激光焊機(jī)為RS2000型軸流CO2激光加工機(jī),額定輸出功率為2kW, 光束模式為基模, 反射鏡聚焦, 焦距f=127mm,最小焦斑直徑為50.4mm。TC4 鈦合金的板厚為2.0～3.5mm, 保護(hù)氣體為高純氦氣。
5 a; S! [. H9 P3 b2 h" J激光焊接工藝參數(shù)包括:
1)激光功率P,W；激光器的功率控制面板示出；
0 h; P0 ?, L- I3 g2)焊接速度v,m/s；由數(shù)控編程確定；
  _% z" {' K; U5 Z2 H3)離焦量△f,mm；指光束焦點與工件表面的距離。
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3. 試驗方法——先進(jìn)行階梯試環(huán)焊接工藝試驗, 粗找工藝參數(shù),并初步確定焊接工藝規(guī)范; 焊接平板對接試樣, 利用X2射線探傷儀檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量,并進(jìn)行金相組織分析; 焊接對接試環(huán), 用三坐標(biāo)精密測試儀測量焊件軸向與徑向焊接變形情況。
鈦合金的焊接性取決于它的物理化學(xué)性能。鈦是一種非常活潑的金屬, 由于表面形成致密的氧化膜, 使其在常溫下非常穩(wěn)定。但是在高溫下,鈦則有強(qiáng)烈的吸氫、氧、氮的能力；空氣中鈦在250℃開始吸氫, 500℃開始吸氧, 600℃開始吸氮。隨著溫度提高,鈦吸收氣體的能力更強(qiáng)。氧、氮都是A相穩(wěn)定元素, 當(dāng)其含量較少時, 都作為間隙元素固溶在鈦中, 使鈦的強(qiáng)度、硬度提高, 而塑性急劇下降,氮的作用比氧更強(qiáng)。此外,鈦合金焊接時容易產(chǎn)生氣孔, 形成氣孔的主要因素有焊接工藝不正確、保護(hù)氣體的純度不夠以及接頭污染等。
      鑒于鈦的高活性，鈦合金焊前應(yīng)對接頭部位進(jìn)行仔細(xì)清理。清理方法為先用機(jī)械方法去除表面氧化皮, 然后進(jìn)行酸洗。酸洗液為2%～ 4%HF+30%～ 40%HNO3+ H2O (余量)。最后用清水沖洗干凈并烘干。臨焊前用丙酮或酒精擦洗。清洗后的焊件必須在72h 內(nèi)焊完, 否則需重新清理。
( p4 _7 i) E3 I& n2 _9 {8 n激光焊接的焊縫成形機(jī)理和焊接效果有截然不同的二種焊接模式: 熱導(dǎo)焊和深熔焊。在二種焊接模式之間存在一種過渡的不穩(wěn)定焊接過程,即存在一個過渡區(qū)間。因此要獲得良好的焊接質(zhì)量, 首先根據(jù)使用要求, 確定選用何種焊接模式, 然后根據(jù)焊接模式制定合適的焊接參數(shù)：主要有激光功率、焊接速度和焦點位置(離焦量) , 原則上鈦合金激光焊接參數(shù)應(yīng)避開過渡區(qū)間, 不能接近臨界值。功率越高, 熔深越大,焊接的厚度也越大, 但過大的激光功率會使焊縫外觀變壞, 易產(chǎn)生一波一波的突起和空洞。在功率一定時,焊接速度決定著焊縫單位長度能量輸入即線能量的大小, 隨著焊接速度增大, 焊縫線能量降低, 熔深和熔寬減少; 焊接速度過大會使熔深減少,甚至斷弧, 在焊縫表面形成焊珠。焦點位于工件表面時, 焊縫余高最大, 只有焦點位于工件表面下一定距離處時, 可獲得最大熔深,這個距離與板厚及所使用的激光功率有關(guān); 過分的負(fù)離焦或正離焦均會使激光深熔焊與熱傳導(dǎo)焊交替出現(xiàn), 焊縫成形極不規(guī)則。
' V8 _# `. ?0 O& Q8 u      由于激光焊接具有能量高度集中、焊縫成形好、操作簡單、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點, 鈦合金的激光焊接已日益普及。目前研究表明, 如果鈦合金激光焊接模式為穩(wěn)定的熱導(dǎo)焊,焊縫成形均勻, 熔深和熔寬均很小, 且?guī)缀醣３植蛔?；如果為穩(wěn)定的深熔焊,焊縫成形也很均勻,熔深和熔寬明顯大于熱導(dǎo)焊, 且在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化。但二種激光焊接模式之間的過渡區(qū)間大小(即焦點位置、激光功率、焊接速度的臨界值) 以及焊縫氣孔的形成機(jī)理、來源、成分等需更深入地研究。
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鈦合金焊件的清潔程度也嚴(yán)重影響其激光焊接質(zhì)量。焊前應(yīng)嚴(yán)格清洗焊件表面, 去除氧化膜、油污、灰塵、銹跡和機(jī)械加工留下的冷卻液,甚至包括人手觸摸的痕跡以保證焊件的清潔, 防止雜質(zhì)對焊接接頭的污染。
# t  [  n  J8 z& v7 z, }6 s    在高溫(大于250℃) 時,鈦合金有較強(qiáng)的氣體吸收能力。而鈦合金激光焊接時接頭區(qū)域的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過250℃,所以在沒有保護(hù)措施的情況下,空氣中的有害污染物(氫、氧、氮、碳) 就極易侵入焊接區(qū), 從而造成接頭脆化, 產(chǎn)生氣孔,并大幅度降低材料的綜合機(jī)械性能。因此, 鈦合金激光焊接時必須采用保護(hù)措施, 通常采用惰性氣體保護(hù), 要合理選用惰性氣體種類及流量,流量過小不能充分保護(hù)焊接區(qū)域, 流量過大, 會產(chǎn)生紊流現(xiàn)象, 使保護(hù)氣體與空氣混合, 反而造成不良后果。此外, 鈦合金激光焊接時,應(yīng)從三方面對焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù), 即熔池、焊縫后部高溫區(qū)和焊縫背面。
    鈦合金激光焊接接頭表面質(zhì)量, 可通過焊縫的顏色來判斷接頭被污染的程度。光亮銀白色的焊縫表明沒有污染存在；金色或淺粉色表明焊縫受到了輕微的污染, 這種情況根據(jù)不同的應(yīng)用和性能指標(biāo)要求, 可能被接受也可能被否定；淺藍(lán)色或深藍(lán)色的焊縫說明污染嚴(yán)重, 這樣的焊接接頭在任何場合下都是不合格的。