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1、钛合金材料激光焊接试验研究
2、第1...绵阳中物院机械制造工艺研究所(621900) 杨家林 郭鹏【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
3、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。试验材料、条件与方法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2km,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,/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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
