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鈦合金材料的激光焊接試驗(yàn)研究(摘要): j8 A$ Y1 q! P$ Y4 F: G2 p! f% Y
鈦合金材料具有比重輕、比強(qiáng)度高、耐蝕等特點(diǎn), 但價(jià)格昂貴, 僅用于些特殊工程構(gòu)件上。目前,多采用氬弧焊或等離子弧焊進(jìn)行焊接加工, 但該2種方法均需填充焊接材料, 由于保護(hù)氣氛、純度及效果的限制, 帶來接頭含氧量增加,強(qiáng)度下降, 且焊后變形較大。采用激光焊接方法,可以實(shí)現(xiàn)該種材料的精密焊接,達(dá)到焊接質(zhì)量好,焊深波動(dòng)和焊接變形小。
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1. 試驗(yàn)材料——試驗(yàn)材料為TC4 (T i26A l24V )。. `7 e# A1 l, o5 \$ T9 A9 Y+ h
2. 試驗(yàn)條件——激光焊機(jī)為RS2000型軸流CO2激光加工機(jī),額定輸出功率為2kW, 光束模式為基模, 反射鏡聚焦, 焦距f=127mm,最小焦斑直徑為50.4mm。TC4 鈦合金的板厚為2.0~3.5mm, 保護(hù)氣體為高純氦氣。
1 N8 ^1 Q' m" _1 [- X. N4 t1 y激光焊接工藝參數(shù)包括:6 k. ^" f" \! {' Z7 w T$ u* D
1)激光功率P,W;激光器的功率控制面板示出;
8 u' l) a. a, ]. H# N P2)焊接速度v,m/s;由數(shù)控編程確定;; z% g( f/ [ t
3)離焦量△f,mm;指光束焦點(diǎn)與工件表面的距離。
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4 o9 O d7 {0 e8 A, ~& w' B5 v5 I! f3. 試驗(yàn)方法——先進(jìn)行階梯試環(huán)焊接工藝試驗(yàn), 粗找工藝參數(shù),并初步確定焊接工藝規(guī)范; 焊接平板對(duì)接試樣, 利用X2射線探傷儀檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量,并進(jìn)行金相組織分析; 焊接對(duì)接試環(huán), 用三坐標(biāo)精密測試儀測量焊件軸向與徑向焊接變形情況。- N6 H- L3 [0 y
鈦合金的焊接性取決于它的物理化學(xué)性能。鈦是一種非;顫姷慕饘, 由于表面形成致密的氧化膜, 使其在常溫下非常穩(wěn)定。但是在高溫下,鈦則有強(qiáng)烈的吸氫、氧、氮的能力;空氣中鈦在250℃開始吸氫, 500℃開始吸氧, 600℃開始吸氮。隨著溫度提高,鈦吸收氣體的能力更強(qiáng)。氧、氮都是A相穩(wěn)定元素, 當(dāng)其含量較少時(shí), 都作為間隙元素固溶在鈦中, 使鈦的強(qiáng)度、硬度提高, 而塑性急劇下降,氮的作用比氧更強(qiáng)。此外,鈦合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔, 形成氣孔的主要因素有焊接工藝不正確、保護(hù)氣體的純度不夠以及接頭污染等。" j- m5 g# { z0 ?1 L9 q
鑒于鈦的高活性,鈦合金焊前應(yīng)對(duì)接頭部位進(jìn)行仔細(xì)清理。清理方法為先用機(jī)械方法去除表面氧化皮, 然后進(jìn)行酸洗。酸洗液為2%~ 4%HF+30%~ 40%HNO3+ H2O (余量)。最后用清水沖洗干凈并烘干。臨焊前用丙酮或酒精擦洗。清洗后的焊件必須在72h 內(nèi)焊完, 否則需重新清理。
6 f7 [( q v# r" W4 v$ T- T激光焊接的焊縫成形機(jī)理和焊接效果有截然不同的二種焊接模式: 熱導(dǎo)焊和深熔焊。在二種焊接模式之間存在一種過渡的不穩(wěn)定焊接過程,即存在一個(gè)過渡區(qū)間。因此要獲得良好的焊接質(zhì)量, 首先根據(jù)使用要求, 確定選用何種焊接模式, 然后根據(jù)焊接模式制定合適的焊接參數(shù):主要有激光功率、焊接速度和焦點(diǎn)位置(離焦量) , 原則上鈦合金激光焊接參數(shù)應(yīng)避開過渡區(qū)間, 不能接近臨界值。功率越高, 熔深越大,焊接的厚度也越大, 但過大的激光功率會(huì)使焊縫外觀變壞, 易產(chǎn)生一波一波的突起和空洞。在功率一定時(shí),焊接速度決定著焊縫單位長度能量輸入即線能量的大小, 隨著焊接速度增大, 焊縫線能量降低, 熔深和熔寬減少; 焊接速度過大會(huì)使熔深減少,甚至斷弧, 在焊縫表面形成焊珠。焦點(diǎn)位于工件表面時(shí), 焊縫余高最大, 只有焦點(diǎn)位于工件表面下一定距離處時(shí), 可獲得最大熔深,這個(gè)距離與板厚及所使用的激光功率有關(guān); 過分的負(fù)離焦或正離焦均會(huì)使激光深熔焊與熱傳導(dǎo)焊交替出現(xiàn), 焊縫成形極不規(guī)則。
% J$ j2 n' A) H2 {- C) X 由于激光焊接具有能量高度集中、焊縫成形好、操作簡單、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn), 鈦合金的激光焊接已日益普及。目前研究表明, 如果鈦合金激光焊接模式為穩(wěn)定的熱導(dǎo)焊,焊縫成形均勻, 熔深和熔寬均很小, 且?guī)缀醣3植蛔;如果為穩(wěn)定的深熔焊,焊縫成形也很均勻,熔深和熔寬明顯大于熱導(dǎo)焊, 且在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化。但二種激光焊接模式之間的過渡區(qū)間大小(即焦點(diǎn)位置、激光功率、焊接速度的臨界值) 以及焊縫氣孔的形成機(jī)理、來源、成分等需更深入地研究。
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