钛合金材料的激光焊接

见习生小王

钛合金材料的激光焊接试验研究（摘要）
0 R- X/ k: m! d d ~7 Q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。采用激光焊接方法，可以实现该种材料的精密焊接，达到焊接质量好,焊深波动和焊接变形小。

1.试验材料——试验材料为TC4 (T i26A l24V )。
" o1 O; c" ]! B# A3 m9 M; t" ?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:
/ k( S/ Y: g% D5 g8 ]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；
. X r* Q, r* Z9 f" @' G: e O3)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。
, m, }3 d* k8 f8 A1 `: u4 \3 }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。
$ ~% ~5 {" [8 w: M鉴于钛的高活性，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。
激光焊接的焊缝成形机理和焊接效果有截然不同的二种焊接模式:热导焊和深熔焊。在二种焊接模式之间存在一种过渡的不稳定焊接过程,即存在一个过渡区间。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。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。但二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。
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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。
' c- B: A# Z' V, p在高温(大于250℃) 时,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。
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。