CN105397292A - TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，焊接前将TA15钛合金及Ti2AlNb金属间化合物酸洗、烘干后机械打磨，将表面氧化皮、油污等杂质清理干净；焊接前保证二者对接装配间隙小于0.05mm，然后用Nd：YAG固体激光器脉冲模式进行焊接，采用并排双光斑模式，并采用99.99％的高纯氩气进行焊缝正反面保护，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。有效的降低TA15/Ti2AlNb异种材料焊缝冷裂纹敏感性，获得良好的焊缝内部质量及外观质量，焊缝接头平整美观，无氧化、裂纹等缺陷，综合性能较好，降低成本。

Description

TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及一种TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法。
背景技术
随着航空航天产品对高速度、远航程等要求的日益提高，现有常规铝合金、钛合金及高温合金已很难满足产品需求，对于轻质、耐高温材料的需求越来越迫切。Ti2AlNb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。但由于Ti2AlNb制造工艺复杂，且合金中的Nb元素为稀贵金属，因此与常规钛合金相比，Ti2AlNb基合金材料的制造成本较高，并且其在某些可加工性等方面仍不如常规钛合金，这些问题在一定程度上限制了该种材料的推广应用。
而实际上，航空航天产品中大部分热端部件并非工作在恒定温度下，同一部件不同部位承受的温度和要求的力学性能也不同，如果可以根据产品服役环境的性能要求采用不同材料，必然可以在不降低产品性能的情况下降低生产成，这就涉及到异种材料的焊接。TA15钛合金是一种常用的近α相钛合金，其加工工艺较为成熟，可以用于环境温度和力学性能要求较低的零件制备，TA15与Ti2AlNb可以满足航空航天产品部件不同部位对温度和力学性能的要求。但两种材料物理化学性能差异较大，焊接过程中对焊接热出入较为敏感，容易出现焊缝冷裂纹、焊缝力学性能较低等问题，焊接难度较大。
激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接热输入小、适应性强、易于实现自动化等优点，可以满足未来航空航天产品结构复杂多样的需求，特别适用于对焊接热输入要求较为严格的材料焊接。但目前对TA15/Ti2AlNb异种材料激光焊接的研究较少，缺乏一种控制TA15/Ti2AlNb异种材料激光焊缝力学性能及焊缝冷裂纹、氧化等缺陷的激光焊接工艺方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，克服了现有技术的上述不足，可以有效的降低TA15/Ti2AlNb异种材料焊缝冷裂纹敏感性，获得良好的焊缝内部质量及外观质量，焊缝接头平整美观，无氧化、裂纹等缺陷，综合性能较好，同时可以有效的降低成本。
为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：
一种TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，焊接前将焊接前将TA15钛合金及Ti2AlNb金属间化合物酸洗、烘干后机械打磨，将表面氧化皮、油污等杂质清理干净，试板清理后在8小时内完成焊接；焊接前保证二者对接装配间隙小于0.05mm，然后用Nd：YAG固体激光器脉冲模式进行焊接，焊接时采用并排双光斑模式，并采用99.99％的高纯氩气进行焊缝正反面保护，焊缝收弧时，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。
优选地，其具体步骤如下：
一、清理：焊前将距TA15钛合金和Ti2AlNb金属间化合物焊缝中心周围20mm～50mm范围内进行酸洗、机械打磨，保证氧化皮、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，然后采用丙酮或无水酒精擦拭干净，材料清理后应在8小时内完成焊接，否则应重新进行清理；
二、装配：将清理干净的TA15和Ti2AlNb板装卡固定，保证对接间隙不大于0.05mm，然后用夹具固定在具有背部充气保护装置的焊接工装上；
三、选取：焊接过程中所选用的激光器为Nd：YAG灯泵浦固体激光器，采用脉冲激光模式进行焊接；
四、调整：焊接前将激光光斑向TA15钛合金一侧偏移0.1mm～0.2mm；
五、吹气：焊接过程中采用99.99％的高纯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4～6L/min；
六、开始焊接。
优选地，1mm板材对接时阶差应不大于5％母材壁厚，2mm～3mm板材对接时阶差应不大于10％母材壁厚。
优选地，所述激光焊接接头形式为对接接头，激光焊接方式为自熔焊，不填充金属。
优选地，焊接过程中采用并排双光斑模式，光斑间距为0.36mm，光斑能量分配为TA15钛合金一侧60％，Ti2AlNb金属间化合物一侧40％。
优选地，步骤三中：激光焊接工艺参数为：脉冲激光波形为矩形波，激光基值功率P基为800W～1000W，激光峰值功率P峰为1400W～1700W，脉冲宽度tp为20ms；焊接速度v为1000mm/min～1300mm/min；光斑直径D为0.45mm，采用表面聚焦，离焦量l为0mm。
优选地，焊接收弧距离为1～2mm，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。
优选地，Ti2AlNb金属间化合物主要成分(wt％)如下，Al：11.1％、Nb：42.22％、Ti：余量；TA15钛合金名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo1V。
本发明所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法的有益效果是：可以有效的降低TA15/Ti2AlNb异种材料焊缝冷裂纹敏感性，获得良好的焊缝内部质量及外观质量，焊缝接头平整美观，无氧化、裂纹等缺陷，综合性能较好，同时可以有效的降低成本。
在进行1～3mm厚TA15/Ti2AlNb异种材料焊接时，可有效避免焊缝冷裂纹的出现，焊缝过度圆滑，焊缝内部质量符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求，焊缝综合力学性能优良。
附图说明
图1为激光双光斑示意图。
图2是本发明所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法的脉冲激光波形图。
图3为1mmTA15/Ti2AlNb异种材料激光焊缝截面图。
图4为2mmTA15/Ti2AlNb异种材料激光焊缝截面图。
具体实施方式
下面对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。
所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，焊接前将焊接前将TA15钛合金及Ti2AlNb金属间化合物酸洗、烘干后机械打磨，将表面氧化皮、油污等杂质清理干净，试板清理后在8小时内完成焊接。焊接前保证二者对接装配间隙小于0.05mm，然后用Nd：YAG固体激光器脉冲模式进行焊接，焊接时采用并排双光斑模式，光斑间距0.36mm，光斑能量分配为TA15钛合金一侧60％，Ti2AlNb金属间化合物一侧40％，并采用99.99％的高纯氩气进行焊缝正反面保护，焊接时无填充材料，两种材料自熔形成焊缝；焊缝收弧时，收弧距离可选(5～10)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。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TA15/Ti2AlNb异种材料激光焊缝。
其具体步骤如下：
一、清理：焊前将距TA15钛合金和Ti2AlNb金属间化合物焊缝中心周围20mm～50mm范围内进行酸洗、机械打磨，保证氧化皮、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，然后采用丙酮或无水酒精擦拭干净，材料清理后应在8小时内完成焊接，否则应重新进行清理；
二、装配：将清理干净的TA15和Ti2AlNb板装卡固定，保证对接间隙不大于0.05mm，然后用夹具固定在具有背部充气保护装置的焊接工装上；1mm板材对接时阶差应不大于5％母材壁厚，2mm～3mm板材对接时阶差应不大于10％母材壁厚。
三、选取：焊接过程中所选用的激光器为Nd：YAG灯泵浦固体激光器，采用脉冲激光模式进行焊接；
激光焊接工艺参数为：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800W～1000W，激光峰值功率P峰为1400W～1700W，脉冲宽度tp为20ms；焊接速度v为1000mm/min～1300mm/min；光斑直径D为0.45mm，采用表面聚焦，离焦量l为0mm。
四、调整：焊接前将激光光斑向TA15钛合金一侧偏移0.1mm～0.2mm；
五、吹气：焊接过程中采用99.99％的高纯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(4～6)L/min；
六、开始焊接。
激光焊接接头形式为对接接头，激光焊接方式为自熔焊，不填充金属。
焊接过程中采用并排双光斑模式，光斑间距t为0.36mm，光斑能量分配为TA15钛合金一侧60％，Ti2AlNb金属间化合物一侧40％(如附图1所示)。
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(1～2)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。
本发明采用德国通快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。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，选用的TA15钛合金名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo1V。
案例1：TA15/Ti2AlNb异种材料1mm厚平板对接焊(如图3所示)
焊接接头厚度1mm的Ti2AlNb金属间化合物(冷轧板)和TA15冷轧板对接焊。激光焊接前将距离焊缝中心(20～50)mm范围内的氧化皮、油污等杂质清理干净；焊接时，采用脉冲激光焊接，光斑模式采用并排双光斑模式，光斑间距为0.36mm，光斑能量分配为TA15钛合金一侧60％，Ti2AlNb金属间化合物一侧40％；激光功率为：激光基值功率P基为800W，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；采用99.99％的高纯氩气进行正反面保护，正面气体流量为15L/min，背部气体流量为3L/min。焊接结果表面：焊缝表面成形良好，无气孔，无裂纹等缺陷，焊缝内部质量符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。焊缝常温平均抗拉强度可达970MPa，平均断后伸长率为4.7％。
案例2：TA15/Ti2AlNb异种材料2mm厚平板对接焊(如图4所示)
焊接接头厚度2mm的Ti2AlNb金属间化合物(热轧板)和TA15冷轧板对接焊。激光焊接前将距离焊缝中心(20～50)mm范围内的氧化皮、油污等杂质清理干净；焊接时，采用脉冲激光焊接，光斑模式采用并排双光斑模式，光斑间距为0.36mm，光斑能量分配为TA15钛合金一侧60％，Ti2AlNb金属间化合物一侧40％；激光功率为：激光基值功率P基为900W，激光峰值功率P峰为1600W，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；采用99.99％的高纯氩气进行正反面保护，正面气体流量为15L/min，背部气体流量为3L/min。焊接结果表面：焊缝表面成形良好，无气孔，无裂纹等缺陷，焊缝内部质量符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。焊缝常温平均抗拉强度可达936MPa，平均断后伸长率为6.3％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，便于该技术领域的技术人员能理解和应用本发明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，其特征在于：焊接前将焊接前将TA15钛合金及Ti2AlNb金属间化合物酸洗、烘干后机械打磨，将表面氧化皮、油污等杂质清理干净，试板清理后在8小时内完成焊接；焊接前保证二者对接装配间隙小于0.05mm，然后用Nd：YAG固体激光器脉冲模式进行焊接，焊接时采用并排双光斑模式，并采用99.99％的高纯氩气进行焊缝正反面保护，焊缝收弧时，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。
2.根据权利要求1所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，其特征在于：其具体步骤如下：
一、清理：焊前将距TA15钛合金和Ti2AlNb金属间化合物焊缝中心周围20mm～50mm范围内进行酸洗、机械打磨，保证氧化皮、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，然后采用丙酮或无水酒精擦拭干净，材料清理后应在8小时内完成焊接，否则应重新进行清理；
二、装配：将清理干净的TA15和Ti2AlNb板装卡固定，保证对接间隙不大于0.05mm，然后用夹具固定在具有背部充气保护装置的焊接工装上；
三、选取：焊接过程中所选用的激光器为Nd：YAG灯泵浦固体激光器，采用脉冲激光模式进行焊接；
四、调整：焊接前将激光光斑向TA15钛合金一侧偏移0.1mm～0.2mm；
五、吹气：焊接过程中采用99.99％的高纯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4～6L/min；
六、开始焊接。
3.根据权利要求2所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤二中：1mm板材对接时阶差应不大于5％母材壁厚，2mm～3mm板材对接时阶差应不大于10％母材壁厚。
4.根据权利要求2所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，其特征在于：所述激光焊接接头形式为对接接头，激光焊接方式为自熔焊，不填充金属。
5.根据权利要求2所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，其特征在于：焊接过程中采用并排双光斑模式，光斑间距为0.36mm，光斑能量分配为TA15钛合金一侧60％，Ti2AlNb金属间化合物一侧40％。
6.根据权利要求2所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，其特征在于：步骤三中：激光焊接工艺参数为：脉冲激光波形为矩形波，激光基值功率P基为800W～1000W，激光峰值功率P峰为1400W～1700W，脉冲宽度tp为20ms；焊接速度v为1000mm/min～1300mm/min；光斑直径D为0.45mm，采用表面聚焦，离焦量l为0mm。
7.根据权利要求3或4或5或6所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，其特征在于：焊接收弧距离为1～2mm，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。
8.根据权利要求3或4或5或6所述的TA15/Ti2AlNb异种材料的激光焊接方法，其特征在于：Ti2AlNb金属间化合物主要成分(wt％)如下，Al：11.1％、Nb：42.22％、Ti：余量；TA15钛合金名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo1V。
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