钛合金材料激光焊接试验研究

HEATS

    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, 仅用于一些特殊工程构件上。目前,多采用氩弧焊或等离子弧焊进行焊接加工, 但该两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。 
    试验材料、条件与方法
    1. 试验材料
    试验材料为TC4 (T i26A l24V )。
    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,。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。