航空鈦合金激光焊接全熔透穩(wěn)定性及其焊接物理冶金研究.pdf

1、輕質(zhì)高強(qiáng)、高溫耐蝕、高比強(qiáng)度鈦合金是優(yōu)秀的航空航天結(jié)構(gòu)材料，焊接在提高材料利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，尤其是高能量密度、高焊接精度和高焊接效率的激光焊。因此研究鈦合金激光焊對(duì)充分發(fā)揮鈦合金結(jié)構(gòu)重量效率，提高航空結(jié)構(gòu)和武器裝備性能及降低制造成本具有重大意義。 薄壁鈦合金激光深熔焊過(guò)程涉及激光－等離子體－材料相互間的復(fù)雜作用、小孔周期性的形成與閉合和熔池動(dòng)態(tài)行為，這一過(guò)程可外化為熔池形貌，并最終表現(xiàn)為焊縫成形。B

2、T20、TC4和Ti-23Al-17Nb鈦合金薄板的焊縫成形研究表明，激光焊模式并不是通常認(rèn)為的取決于激光功率密度，還與線能量有關(guān)。這說(shuō)明鈦合金激光深熔焊過(guò)程的小孔形成、熔池行為和焊縫成形受激光功率密度和線能量雙閾值控制。 焊縫成形進(jìn)一步研究表明，激光功率密度和線能量超過(guò)深熔焊全熔透閾值，焊縫呈釘頭形或沙漏形，無(wú)量綱量背寬比（焊縫的背面寬度和表面寬度之比）可映射全熔透焊過(guò)程的穩(wěn)定性。在所研究條件下，背寬比大于0.4是2.5m

3、m厚BT20鈦合金獲得穩(wěn)定激光全熔透深熔焊過(guò)程的焊縫成形條件，進(jìn)而確立出全熔透穩(wěn)定焊接的激光功率－焊接速度工藝窗和激光功率密度-線能量雙閾值曲線。但當(dāng)激光功率密度和線能量處在鈦合金激光深熔焊全熔透閾值附近，全熔透焊過(guò)程可出現(xiàn)非表觀工藝參數(shù)失穩(wěn)造成的不穩(wěn)定，形成的焊縫表面均勻，背面交替出現(xiàn)熔透與未熔透。在本質(zhì)上鈦合金激光深熔焊全熔透過(guò)程的穩(wěn)定與穿孔穩(wěn)定性密切相關(guān)，受焊接過(guò)程等離子體/金屬蒸汽云周期性變化的影響。為此本文提出了穿孔速度應(yīng)與焊

4、接速度相適應(yīng)的全熔透深熔焊物理模型，并根據(jù)孔壁能量平衡將穿孔速度與激光功率密度、線能量、焊接速度、光束直徑、材料性能和板厚聯(lián)系起來(lái)，建立了穿孔速度與穿孔所需激光功率密度間的關(guān)系，已知激光能量轉(zhuǎn)換率即可判斷工藝參數(shù)全熔透焊的穩(wěn)定性。 在激光焊深熔焊過(guò)程，強(qiáng)烈金屬蒸汽伴隨穿孔形成上下噴發(fā)，使孔壁液體金屬沿光束軸線快速遷移，同時(shí)在孔口形成對(duì)熔池具有熱輻射的等離子體/金屬蒸汽云。小孔開(kāi)口處熔池金屬因金屬蒸汽力和等離子體/金屬蒸汽云熱

5、輻射作用呈現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流，小孔內(nèi)的熔池金屬則因金屬蒸汽膨脹作用對(duì)流很小，近孔壁甚至出現(xiàn)層流，這種不均勻熔池流動(dòng)導(dǎo)致鈦合金穩(wěn)定激光全熔透焊形成沙漏形焊縫，故可將對(duì)應(yīng)的焊接熱過(guò)程簡(jiǎn)化為兩點(diǎn)一線熱源模型，結(jié)合焊縫幾何分層本文提出了分層線熱源激光焊能量轉(zhuǎn)換率計(jì)算法，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)接近。 咬邊和氣孔是鈦合金激光焊的主要缺陷。咬邊難以通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)消除，但采用活性劑激光焊可有效消除咬邊。通過(guò)孔氣微觀特征研究揭示出鈦合金激光焊可產(chǎn)生兩類特

6、征氣孔，規(guī)則圓形且孔壁光滑的小氣孔屬冶金特征氣孔，乃氣體依附“氣孔核”聚集長(zhǎng)大所致，與焊件表面污染有關(guān)；形狀不規(guī)則且孔壁殘留熔池金屬流動(dòng)痕跡的大氣孔為工藝特征氣孔，是孔壁聚合將小孔局部封閉所致，未熔透和不穩(wěn)定全熔透焊縫易產(chǎn)生工藝特征氣孔。CO2激光焊破碎鈦合金表面氧化層能力強(qiáng)，對(duì)冶金氣孔不敏感，YAG激光焊易產(chǎn)生氫或氬冶金特征氣孔。 同常規(guī)焊接方法一樣，鈦合金激光深熔焊焊縫具有聯(lián)生結(jié)晶、外延擇優(yōu)生長(zhǎng)的凝固特征，但熱影響區(qū)應(yīng)劃

7、分為組織粗大的完全相變區(qū)、新舊晶粒共存的部分相變區(qū)和只有加熱痕跡的無(wú)相變區(qū)，而弧焊熱影響區(qū)劃分為粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)。研究顯示，激光焊焊縫成形特征導(dǎo)致焊縫不同部位的晶粒生長(zhǎng)和大小不同，對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)寬度也不同。全熔透焊縫中部柱狀晶由平面晶生長(zhǎng)過(guò)渡為樹(shù)枝晶生長(zhǎng)，晶粒較小，對(duì)應(yīng)熱影響區(qū)窄；焊縫上下部柱狀晶垂直于熔合線向焊縫表面或背面中心樹(shù)枝晶生長(zhǎng)，晶粒較大，對(duì)應(yīng)熱影響區(qū)較寬；焊縫中部與上下部相交處的β晶粒生長(zhǎng)方向因小孔閉合時(shí)的熔池金屬回填由與光束

8、軸線垂直變?yōu)榕c光束軸線成一定夾角，生長(zhǎng)方向角度的變化與焊縫成形相關(guān)。 鈦合金激光全熔透焊接頭性能研究表明，焊縫寬度、背寬比影響鈦合金激光焊焊接接頭的塑性和疲勞性能。在所研究條件下，BT20和TC4鈦合金激光焊形成焊縫及熱影響區(qū)硬度高于母材的“硬夾層”焊接接頭，抗拉強(qiáng)度與母材一致，塑性和疲勞性能低于母材，焊縫寬度增大則塑性增加。在一定條件下活性劑可提高焊接接頭塑性和疲勞性能。650℃真空熱處理不影響焊接接頭抗拉強(qiáng)度，對(duì)塑性的影

9、響與焊縫寬度和背寬比有關(guān)，但降低接頭疲勞壽命，這證實(shí)常規(guī)電弧焊焊后真空熱處理制度并不適合于激光焊。對(duì)于金屬間化合物基Ti-23Al-17Nb鈦合金激光焊，焊接接頭顯微硬度呈馬鞍型分布，峰值硬度出現(xiàn)在熱影響區(qū)。所研究條件下的焊接接頭拉伸性能很差，焊縫寬度增大接頭塑性略增；850℃焊后真空熱處理使焊接接頭室溫和高溫拉伸性能有所改善，但仍低于母材；高頻感應(yīng)預(yù)熱增大焊縫和熱影響區(qū)寬度，焊接接頭拉伸性能改善，其中室溫強(qiáng)度和塑性達(dá)到母材水平。預(yù)熱與