CN104384718B - 一种Ti2AlNb基金属间化合物双光束脉冲激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种Ti2AlNb基金属间化合物双光束脉冲激光焊接方法。该方法采用固体激光器进行焊接。焊接前将Ti2AlNb基金属间化合物表面氧化皮、油污等杂质清理干净，保证对接装配间隙小于0.15mm，然后用固体激光器脉冲模式采用双光束进行焊接，焊接时采用99.99％的高纯氩气进行焊缝正、反面保护，焊接时采用无填丝深熔焊，母材金属自熔形成焊缝。本发明所提出的激光焊接方法可实现1mm～3mm厚Ti2AlNb基金属间化合物的有效连接，能够减少焊接过程的除裂纹倾向，提高焊接过程的稳定性，改善焊缝的成形质量，接头抗拉强度达到母材抗拉强度的85％以上。

Description

一种Ti2AlNb基金属间化合物双光束脉冲激光焊接方法
技术领域
本发明属于一种激光焊接方法，具体涉及一种Ti2AlNb基金属间化合物的激光焊接方法。
背景技术
随着轻质耐高温材料的发展，Ti2AlNb基金属间化合物由于其优异的高温强度、比强度以及较低的密度，越来越多的被应用于上述领域。该材料已开始应用于航空航天产品制造，可有效减轻产品结构重量，提高产品性能。实际工程研制时，常常需要对不同零部件进行焊接，用以实现产品设计要求，焊缝质量直接影响该材料在产品中的应用，因此需要对Ti2AlNb基金属间化合物的焊接方法和工艺进行严格控制。
目前Ti2AlNb基金属间化合物的焊接方法主要有钎焊、扩散焊、氩弧焊、电子束焊等。其中钎焊、扩散焊焊接接头高温强度较低，并且接头形式一般为搭接接头，难以用于主要的承载结构，限制了这两种焊接方法在实际产品中的应用。由于Ti2AlNb基金属间化合物裂纹敏感性强，接头脆性大，氩弧焊焊接时热输入较大，常常在焊接过程中就会出现裂纹，或在焊接后一定时间内会形成冷裂纹，需要采用焊前预热和焊后后热的工艺防止焊缝冷裂倾向，但预热、后热工艺增加了工艺难度，影响焊接效率，且氩弧焊接头强度偏低。电子束焊接具有焊接速度快、焊接热输入小、焊缝无氧化等优点，可实现Ti2AlNb基金属间化合物的有效焊接，但由于电子束焊接需在真空环境中进行，焊接效率较低。
激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接变形小、焊接时不需要真空室，易于实现自动化等优点，可以满足未来产品高质量、高效率的焊接需 求。但目前对Ti2AlNb基金属间化合物激光焊接的研究较少，缺乏控制激光焊缝冷裂纹、氧化等缺陷的激光焊接工艺方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种Ti2AlNb基金属间化合物的激光焊接方法，采用该方法可以降低Ti2AlNb基金属间化合物焊缝裂纹敏感性，获得良好的焊缝外观及内部质量，得到性能较好的焊接接头。
本发明是这样实现的，一种Ti2AlNb基金属间化合物双光束脉冲激光焊接方法，它包括以下步骤：
(1)将Ti2AlNb基金属间化合物表面油污、氧化皮等杂质清理干净后装配合适，采用固体激光器进行焊接，焊接过程中焊接熔池、焊缝正、反面采用氩气惰性气体保护；
(2)焊前将距Ti2AlNb焊缝中心周围20mm～50mm范围内氧化皮、油污等清理干净，焊缝对接端面采用刮刀进行刮削，直至露出白亮色金属本体，然后采用丙酮擦拭干净；
(3)将清理干净的Ti2AlNb板装卡合适，保证对接间隙不大于0.15mm、阶差不大于15％母材壁厚，装配合适后用夹具夹紧；
(4)Ti2AlNb激光焊接所采用的激光器为固体激光器，焊接头具有双光束功能，焊接时采用脉冲激光焊接。
具体激光焊接工艺参数为：焊接所用的激光束为双光束，双光束间距为0.18mm～0.54mm，脉冲激光波形为矩形波，激光基值功率P基为500W～1000W，激光峰值功率P峰为1000W～3200W，脉冲宽度tp为20ms；焊接速度v为1000mm/min～1500mm/min；光斑直径D为0.45mm，离焦量l为0mm。
焊接过程中采用纯度不低于99.99％的氩气进行正反面保护，正面侧吹气流量为(15～20)L/min，背部保护气流量为(2～5)L/min。
本发明的优点是，采用固体激光器进行焊接，将输出的激光调整为前后穿行的双光束，将激光波形输出调整为脉冲方波，以适当的焊接速度对待焊试件进行焊接，焊接时采用氩气进行正、反面保护，以保证焊缝质量和综合力学性能。试验表明：采用本发明提出的激光焊接方法，在焊接1mm～3mm厚Ti2AlNb基金属间化合物时，可有效避免焊缝冷裂纹的出现，焊缝成形良好，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求，接头抗拉强度达到母材抗拉强度的85％以上。
附图说明
图1为双光束焊接示意图；
图2为脉冲激光波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍：
焊前用丙酮将距离Ti2AlNb基金属间化合物焊缝中心周围20mm～50mm范围内的油污拭干净、用砂纸或钢丝刷将氧化皮等杂质清理干净，焊缝对接端面采用刮刀进行刮削，直至露出金属本体；
将清理干净的Ti2AlNb平板装配在具有背部充气保护装置的焊接工装上，保证焊缝对接间隙不大于0.15mm、阶差不大于15％母材壁厚；
焊接时所选用的激光器为固体激光器，采用双光束脉冲激光进行焊接，双光束的分布方式为串行。
具体激光焊接工艺参数为：焊接所用的激光束为双光束(如附图1所示)，双光束间距为0.18mm～0.54mm，脉冲激光波形为矩形波(如附图2所示)，激光基值功率P基为500W～1000W，激光峰值功率P峰为1000W～3200W，脉冲宽度tp为20ms；焊接速度v为1000mm/min～1500mm/min；光斑直径D为0.45mm，离焦量l为0mm。
焊接过程中采用纯度不低于99.99％的氩气进行正反面保护，正面侧吹气 流量为(15～20)L/min，背部保护气流量为(2～5)L/min；
根据实际焊接需求，可以设置相应的焊接收弧距离，一般收弧距离可选(2～5)mm，也可根据产品结构需要自行设定。收弧时选用连续衰减的锯齿形激光输出，使焊接弧坑在反复熔化凝固过程中逐渐缩小封闭。
工作原理：本发明为一种Ti2AlNb基金属间化合物激光焊接方法，焊前用将距离Ti2AlNb基金属间化合物焊缝中心周围20mm～50mm范围内杂质清理干净，并采用氩气进行焊缝正反面保护，采用固体激光器进行焊接，将输出的激光调整为前后穿行的双光束，将激光波形输出调整为脉冲方波，焊缝收弧时采用震荡衰减的锯齿形波收弧。避免了焊缝冷裂纹的出现，可以得到表面质量较好，综合力学性能优良的Ti2AlNb基金属间化合物激光焊缝。
本发明采用Nd:YAG固体激光器作为激光源，最大输出功率4kW，激光波长为1.06μm，焊接头配备双光束调节模块，采用焦距为150mm的聚焦透镜。选用的Ti2AlNb金属间化合物主要成分(wt％)如下，Al：11.1％、Nb：42.22％、Ti：余量。
实施例1：Ti2AlNb金属间化合物1mm厚平板对接焊
焊接规范如下：两激光束间距0.18mm，激光基值功率P基为500W，激光峰值功率P峰为1300W，脉冲宽度tp为20ms；焊接速度v为1500mm/min；光斑直径D为0.45mm，离焦量l为0mm；正面气体流量为15L/min，背部气体流量为2L/min。焊接结果表面：焊缝表面成形良好，保护良好。焊缝常温平均抗拉强度可达1014MPa，平均断后伸长率为6％。
实施例2：Ti2AlNb金属间化合物2mm厚平板对接焊
焊接规范如下：两激光束间距0.36mm，激光基值功率P基为700W，激光峰值功率P峰为1500W，脉冲宽度tp为20ms；焊接速度v为1200mm/min；光斑直径D为0.45mm，离焦量l为0mm；正面气体流量为18L/min，背部气体流量为4L/min。焊接结果表面：焊缝表面成形良好，保护良好。焊缝常温 平均抗拉强度可达1030MPa，平均断后伸长率为5％。
实施例3：Ti2AlNb金属间化合物3mm厚平板对接焊
焊接规范如下：两激光束间距0.54mm，激光基值功率P基为1000W，激光峰值功率P峰为2400W，脉冲宽度tp为20ms；焊接速度v为1000mm/min；光斑直径D为0.45mm，离焦量l为0mm；正面气体流量为20L/min，背部气体流量为5L/min。焊接结果表面：焊缝表面成形良好，保护良好。焊缝常温平均抗拉强度可达984MPa，平均断后伸长率为5％。

Claims (1)

1.一种Ti2AlNb基金属间化合物双光束脉冲激光焊接方法，其特征在于：它包括以下步骤：
（1）焊前将距Ti2AlNb焊缝中心周围20mm～50mm范围内氧化皮、油污清理干净，焊缝对接端面采用刮刀进行刮削，直至露出白亮色金属本体，然后采用丙酮擦拭干净；
（2）将清理干净的Ti2AlNb板装卡合适，保证对接间隙不大于0.15mm、阶差不大于15%母材壁厚，装配合适后用夹具夹紧；
（3）采用固体激光器进行焊接，焊接过程中焊接熔池、焊缝正、反面采用氩气惰性气体保护；焊接头具有双光束功能，双光束的分布方式为串行，焊接时采用脉冲激光焊接；激光焊接工艺参数为：双光束间距为0.18mm～0.54mm，脉冲激光波形为矩形波，激光基值功率为500W～1000W，激光峰值功率为1000W～3200W，脉冲宽度为20ms；焊接速度为1000mm/min～1500mm/min；光斑直径为0.45mm，离焦量为0mm，焊接过程中采用纯度不低于99.99%的氩气进行正反面保护，正面侧吹气流量为15～20L/min，背部保护气流量为2～5L/min；设置焊接收弧距离为2～5mm，收弧时选用连续衰减的锯齿形激光输出，使焊接弧坑在反复熔化凝固过程中逐渐缩小封闭。
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