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激光束焊接TC4钛合金的研究进展

2018-01-16 14:14:35 

由于钛合金具有较高的比强度、耐腐蚀性、蠕变性能以及与碳纤维复合材料较好的相容性,因此,广泛应用于航空、航天、船艇、汽车、化工和生物医学等领域。当工作温度高于130℃或当使用不同的材料导致最终部件的过量时,钛合金也可以代替铝合金,例如用于波音商用飞机747和757的起落架。在所有的商业用钛合金中,作为α+β两相钛合金的代表Ti–6Al–4V具有优异的物理和机械性能,并且能够进行热处理强化或者热机械加工,因此被广泛应用。

但是,由于原材料比较贵,以及由钛合金的高强度,低导热性和高化学反应性引起的成形和机械加工过程比较复杂,这就造成钛合金比较贵。在航空航天领域的应用,考虑到减重,就需要用焊接代替机械连接;为了降低成本,就需要用焊接来代替整体锻造。基于这些原因,焊接在降低成本和提高生产产量方面就变得非常有意义。并且Mendez和Eagar的报告也指出,航空航天工业的趋势是广泛使用焊接代替铆接以达到降低重量和成本。显然,只有保证所生产的接头质量,焊接才能够代替像成形和机加工之类的传统制造技术。

目前,很多热源被考虑用来进行钛合金的焊接。然而,采用传统的熔焊方法对钛合金进行焊接时,焊速较慢、焊件变形较大、焊缝组织较粗大;焊缝中会产生气孔以及夹杂等焊接缺陷;焊接过程易出现气体保护不良而影响焊缝质量等诸多缺点,在一定程度上限制了焊接钛合金的应用。

相比电弧焊,束流加工能够更加汇聚热源,有更高的能量密度,能使熔池区域形成更窄更深的焊缝。激光焊接作为一种新的高能量焊接最近发展很快,主要是利用受激辐射的光束作为焊接热源,加热母材形成熔池最后冷却凝固形成焊缝的一种焊接方法。

作为高能束流焊接技术中的一种,因其具有能量密度集中、焊缝成形好、焊接速度快、焊接精度高、易实现自动化、生产效率高、焊接设备装置简单,不需要真空室等优点,广泛应用到各个工业领域。例如,早在20世纪70年代初,美国海军联合装备部和爱迪生焊接研究所就对飞机和装甲车等武器装备进行了激光焊接技术的研究,利用15 kW的CO2激光器对飞机制造中的各种材料、零部件进行了焊接试验、评估及工艺的标准化。Li等人也证明激光束是钛合金的高质量焊接能源。wang[7]等人发现即使测试温度升至450℃,激光焊接Ti-6Al-4V板材也能达到良好的机械性能。

因此,针对激光焊接TC4钛合金的焊缝形成机理、工艺参数对焊接质量影响规律的研究进展进行了总结,并展望了激光焊接钛合金的发展趋势,为激光焊接钛合金的发展提供了参考。

激光束焊接的原理与特点

按照激光作用在焊件上的功率密度,可以把激光焊接分为激光热导焊和深熔焊两种基本的焊接方式。热导焊的功率密度小于104~105 W/cm2,其熔深浅、深宽比小。深熔焊的功率密度大于105~107 W/cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,其焊接速度快、深宽比大。

① 激光热导焊

激光热导焊就是利用低功率密度长时间的照射金属表面,使金属表面融化,然后再将表面吸收的热能以热传导的方式传入材料内部,使固液界面慢慢的向底层推进,最终实现对焊件的焊接。激光热导焊焊接的材料重新凝固后一般是焊点或者焊缝。热导焊时,为了确保焊材融化充分同时不能汽化,需要通过对激光功率和焊接速度的控制来严格的控制焊件表面的温度,使之介于材料熔点和沸点之间,才能保证热导焊的焊接质量。

热导焊采用的低功率密度的激光光斑,加上金属对激光的吸收率低大部分的激光会被金属焊件反射。因此采用热导焊的焊件熔深浅、焊点小、热影响区小、焊件变形小、精度高、焊接质量很好但是焊接速度慢。热导焊一般应用在精密仪器仪表,要求低变型的精密零部件及电子元件薄板上的精密加工。

热导焊的原理为,激光辐射加热待加工表面(激光能量被表层10~100nm的薄层所吸收),表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,在两材料连接的部分形成熔池。在激光束向前运动后,熔池中的熔融金属随之凝固,形成焊缝。

热导焊一般用脉冲激光器。材料仅表面附近被加热到熔点以上较低的温度,激光能量大部分被金属表面反射,光的吸收率较低,因此熔深较浅,通常在lmm~2mm之间,主要用于仪器仪表、电池外壳、电子元件等薄(1mm左右)、小零件和结构的焊接。

② 激光深熔焊(小孔焊)

激光深熔焊的原理及激光辐照下材料表层熔化过程示意图如图1.2所示。其过程是在高功率密度激光的连续照射下,在极短时间内,金属表面温度升高到沸点,迅速熔化,甚至汽化或蒸发,形成等离子体。金属蒸汽以一定的速度逸出熔池时对液态金属产生反冲压力,使熔池表面下沉形成凹坑。金属蒸气的持续逸出导致凹坑逐渐加深,最终在熔池中形成细长的小孔。当金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔形状和尺寸趋于稳定。热量从孔壁向外传递,有利于材料对激光的吸收,促进小孔周围的金属熔化,形成熔池。金属的持续蒸发导致小孔向前移动,同时由于表面张力使后面的小孔消失,小孔前面的母材会被高能激光熔化,在压力梯度和温度梯度的作用下绕过小孔,在小孔的后面重新凝固形成焊缝。在焊接中可以形成焊缝很窄但是很深的焊缝。这种焊接模式适合在不填丝的情况下高速焊接厚板(达到50mm) 。

激光深熔焊过程中,小孔壁始终处于高度波动状态,小孔前壁较薄一层熔化金属随壁面波动向下流动,小孔前壁上的任何凸起位置都会因受到高功率密度激光的辐射而强烈蒸发,产生的蒸汽向后喷射冲击后壁的熔池金属,引起熔池的振荡,并影响凝固过程熔池中汽泡的溢出。

焊接过程中,匙孔的波动会引起焊接的不稳定性,从而影响工件的整体质量。匙孔波动的主要原因如下: a、出自匙孔的蒸汽流速很快,接近声速,因此可以听到混乱的噪声。颈口处高速流动的蒸汽会产生一个低气压区,促使颈口关闭,这是匙孔波动的原因之一。 b、匙孔内金属的强烈蒸发,甚至形成喷射,这种无规律的蒸发引起了液态金属的快速抖动,也会造成匙孔的波动。但是,焊接过程中匙孔的不稳定性主要是匙孔前壁局部金属的蒸发造成的。

由于小孔的形成与激光能量的吸收相关,而熔焊过程中形成的等离子体会影响材料对激光的吸收。因此,有必要明晰等离子体的形成过程及其对激光的吸收。等离子体位于熔池上方的激光传输通道上,它对激光会产生反射、散射以及吸收,还会对激光产生负透镜效应。其吸收的光能可通过以下三种渠道传至工件:等离子体与工件接触面的热传导;等离子体辐射易被金属材料吸收的短波长光波;材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于工件表面。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失,则增强工件对激光能量的吸收。反之,减弱工件对激光的吸收。等离子体呈周期震荡,对激光能量具有屏蔽作用(吸收、折射),减少激光入射到工件表面的能量密度,并影响光束的聚焦效果。

等离子体具有周期性,其通过吸收和散射入射光,影响了激光的能量传输效率,大大减少了到达工件的激光能量密度,导致熔深变浅;由于等离子体对入射激光的折射,使得激光通过等离子时,波前发生畸变,改变了激光能量在工件上的作用区。

可以通过以下方法抑制等离子体:a、激光摆动法:激光加工头沿焊接方向来回摆动,在匙孔出现后,等离子形成以前,将光斑瞬时移至熔池的后缘; b、脉冲激光焊接法:调整激光的脉冲和频率,使激光的辐射时间小于等离子体的形成时间; c、低气压焊接:采用减压焊接,当气压低于某一程度时,材料表面及匙孔内金属蒸汽密度较小,等离子体减弱; d、侧吹辅助气体:一种是采用辅助气体吹散等离子体;另一种是用导电性好、电离能高的气体抑制环境气体的电离和压缩金属离子蒸汽。

通过以上分析可知,相对于热导焊,深熔焊有以下优点:

a、焊缝深宽比较大。因为熔化金属围绕小孔形成并向下延伸,促进了能量吸收;

b、材料热输入低,热影响区和变形小。因为小孔温度非常高,所以熔化过程非常快;

c、熔池气体容易逸出,焊缝致密。因为充满高温蒸气的小孔有利于熔池搅拌和气体逸出,焊后高速冷却使焊缝组织细化,强度提高;

d、焊缝组织纯净,污染少。因为非金属元素和夹杂物的充分逸出降低了杂质含量,改变了其尺寸及其分布;

e、焊接速度快,生产效率高。

焊接接头的质量和性能取决于焊接几何形状,焊接期间的熔池行为,焊接区域和热影响区域的冶金以及焊接缺陷。在焊接期间发生的化学和冶金行为的复杂性可能导致在使用中的焊缝的随后的故障,大约45%的焊接缺陷的原因是由于不良的工艺条件[10]。因此,重要的是理解工艺参数对焊接质量的影响机理。

为了获得可接受的焊接轮廓和令人满意的机械性能,焊缝形状的控制是必要的,因为焊缝的机械性能受焊缝形状的影响。影响焊接金属凝固行为的焊缝形状受焊接参数和输入工件的相应热量]的影响。因此,有必要理解包括激光功率,焊接速度和散焦距离在内的焊接参数对焊缝形态的影响以及确定焊接缺陷的来源。然后可以确定焊接参数的最佳组合,确保所需的焊接质量和性能,并且最小化焊接缺陷。

影响激光焊接的主要工艺参数有:激光功率、焊接速度、焦点位置、激光功率密度等。焦点位置直接影响激光功率密度;对熔深要求较高和熔池要求较大时,宜采用负离焦。焊接薄板时,宜采用正离焦,此时焊缝成形较好。

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