鈦合金材料激光焊接試驗研究

　　【摘要】針對TC4鈦合金，采用激光焊接方法，對焊深及其波動、焊接質(zhì)量、焊接變形等方面進(jìn)行了分析，獲得了外觀成型良好、色澤正常的焊接接頭，經(jīng)過X射線探傷，焊縫內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到國標(biāo)GB3233287II級要求，實現(xiàn)了TC4鈦合金的精密焊接。此外，還討論了激光焊接的工藝因素對焊接質(zhì)量的影響。

　　關(guān)鍵詞　TC4鈦合金　激光焊接持了7級精度。

　　TC4鈦合金材料具有比重輕、比強(qiáng)度高、耐蝕等特點(diǎn)，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。本研究采用激光焊接方法，對TC4鈦合金的焊接工藝性進(jìn)行研究，以便實現(xiàn)該種材料的精密焊接，即焊接質(zhì)量好，焊深波動和焊接變形小。

　　1.試驗材料

　　試驗材料為TC4(Ti26Al24V)，化學(xué)成分見表1。

　　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。

　　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；2)焊接速度v，m/s；由數(shù)控編程確定；3)離焦量△f，mm；指光束焦點(diǎn)與工件表面的距離。

　　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。

　　結(jié)果與分析

　　1.焊接性分析

　　鈦和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，鈦和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，鈦及鈦合金焊前應(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2～4HF 30～40HNO3 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。

　　2.焊縫質(zhì)量分析

　　1)焊縫氣孔傾向

　　焊縫中的氣孔是焊接鈦合金最為普遍的缺陷。存在于被焊金屬電弧區(qū)中的氫和氧是產(chǎn)生氣孔的主要原因。激光焊接是在大氣環(huán)境中進(jìn)行的，由于高溫時鈦對氣氛的高活性，焊縫中氣孔形成傾向較大。為此，著重就激光焊接焊縫中形成氣孔的工藝因素進(jìn)行研究。

　　在外徑為Ф70mm的階梯環(huán)上采用表2所示工藝參數(shù)進(jìn)行激光焊接試驗，試驗結(jié)果如下：

　　1-1#：焊縫成形良好，焊縫較寬，焊縫內(nèi)部有連續(xù)氣孔，焊透；1-2#：焊縫成形良好，與1-1#相比焊縫變窄，焊縫內(nèi)無氣孔，焊透；1-3#：焊縫成形良好，與1-1#、1-2#相比焊縫明顯變窄，焊縫有少量氣孔，但不連續(xù)，基本焊透；1-4#：焊縫成形良好，與1-3#相比焊縫變窄，焊縫內(nèi)部有大量連續(xù)氣孔，未焊透；1-5#、1-6#：焊縫中有大量連續(xù)氣孔；1-7#：焊縫中有大量連續(xù)氣孔；

　　1-8#：焊縫中有大量連續(xù)氣孔。由以上結(jié)果可以看出，激光焊接時焊縫中的氣孔與焊縫線能量有較密切關(guān)系，若焊接線能量適中，焊縫內(nèi)只有極少量氣孔、甚至無氣孔，如1-2#、1-3#試樣，線能量過大或過小均會導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)嚴(yán)重的氣孔缺陷，如1-1#、1-4#試樣。此外，焊縫中是否有氣孔缺陷還與焊件壁厚有一定的關(guān)系，比較1-2#與1-7#試樣試驗結(jié)果可看出，二者焊接線能量均為100J/mm，1-2#試樣壁厚為2.5mm，127#試樣壁厚為3.0mm，但1-2#試樣焊縫無氣孔，而1-7#試樣焊縫有大量氣孔，可見，隨著焊接壁厚的增加，焊縫中出現(xiàn)氣孔的幾率增加。這是由于焊接壁厚增加，熔池體積及深度增加，導(dǎo)致熔池中的氣體更來不及溢出而造成的。據(jù)觀察，激光焊接工藝參數(shù)中，激光功率、焊接速度以及離焦量對焊接質(zhì)量影響較大，其影響機(jī)理有待更進(jìn)一步研究。

　　2)焊縫內(nèi)部質(zhì)量及外觀質(zhì)量

　　利用平板對接試樣，采用激光焊接來考察焊縫內(nèi)部質(zhì)量，經(jīng)理化檢測，焊縫內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X射線探傷，參照國標(biāo)GB3233-87達(dá)到II級要求，焊縫表面和內(nèi)部均無裂紋出現(xiàn)。焊縫外觀成型良好，無明顯咬邊、裂紋等缺陷，色澤正常。