3-69  钛合金材料激光焊接试验

杨家林  郭  鹏

TC4钛合金材料具有比重轻、比强度高、耐蚀性等特点，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，但这两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。本研究拟采用激光焊接方法，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。

采用RS-2000型轴流CO₂激光加工机，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X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。

焊缝气孔是焊接钛合金最为普遍的缺陷。焊缝气孔与线能量有着较密切的关系，若焊接线的能量适中，焊缝内只有极少量气孔、甚至无气孔，线能量过大或过小均会导致焊缝中出现严重的气孔缺陷。此外，焊缝气孔还与焊件壁厚有一定的关系，壁厚增加，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。当焊缝内部质量经X射线探伤，再参照国标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。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。焊缝平均焊深约为2.70 mm，焊深波动小，波动幅度为-3.8%~5.9%，不超过±10%；当焊接变形很小时，径向收缩变形量为f0.03~f0.10，轴向收缩变形量为0.02~ 0.03 mm。

激光焊接在焊缝成形机理和焊接效果有截然不同的两种焊接模式，热导焊和深熔焊。在两种焊接模式之间存在一种过渡的不稳定焊接过程，即存在一个过渡区间，钛合金激光焊接应避开过渡区间，但两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、成分等需要更深入的研究。钛合金焊件的清洁程度也严重地影响了其激光焊接质量。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。钛合金激光焊接必须采用保护措施，通常采用惰性气体保护，要合理选用惰性气体种类及流量，应从3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。通过焊缝的颜色可以判断钛合金激光焊接接头的污染程度。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。