钛合金材料激光焊接试验研究

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【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　激光焊接持了7级精度。

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。



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2～4HF 30～40HNO3 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