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GB3233287 II 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 ) , 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, 结果见表3。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。