CN107552961B - 一种激光束焊接TiAl合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对于脆性TiAl合金的激光焊接方法。本发明的主要原理是控制TiAl合金接头区域的冷却速率，延长塑形区域高温停留时间，从而降低裂纹形成率。本发明的焊接方法主要步骤为：焊前进行激光预热或感应加热方法预热，当预热温度达到750℃时进行施焊，焊接后再次进行加热，使得缓慢冷却到300℃时，停止加热，使其自然冷却；焊接完成后进行真空热处理。在相同条件下采用本发明的焊接方法可以实现TiAl合金的焊接，获得与母材一样的片层状焊缝组织，整个焊缝无裂纹出现。焊缝组织与母材组织相一致，不存在明显的熔合线和热影响区边界，使得焊缝的高温性能及抗蠕变性能与母材等匹配，不存在微区组织及性能差异。

Description

一种激光束焊接TiAl合金的方法

技术领域

本发明属于TiAl合金的焊接技术领域，主要涉及一种对低塑性材料的焊接方法，特别涉及一种对于脆性TiAl合金的激光焊接方法。

背景技术

TiAl合金因其在高温环境中具有较好的机械性能、良好的高温抗氧化、耐腐蚀、抗蠕变等特点，尤其是较高的比强度、比模量等性能，成为在航空航天发动机及叶片等领域最具发展潜力的一类材料。美国航空航天局在预估航空航天发动机用材时，将TiAl合金作为最重要的结构用材，估计到2020年可占发动机用材的40％～50％。但TiAl基合金焊接时存在焊接热裂倾向严重，焊缝区与经过热机械处理等工艺得到的基体组织不同导致的力学性能下降的问题，使得该种材料的发展及应用受到限制。

以往TiAl合金焊接研究多采用固相焊接方法，研究较多的是钎焊、摩擦焊、扩散焊及瞬时液相扩散焊，靠高温下材料表面原子扩散使接触面之间形成紧密接触，进而形成焊接接头。但该方法获得的焊接接头的组织和性能严重受到所用钎料种类和钎焊工艺参数影响，采取适宜的钎料以及合适的焊接工艺可以获得成形完美的钎焊焊缝，但钎焊接头力学性能不高。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何有效控制TiAl合金焊接材料中裂纹产生，优化焊缝组织，获得与母材类似的力学性能。

本发明提供了一种激光束焊接TiAl合金的方法，包括以下步骤：

(1)焊前预热：采用激光束散焦预热方法对待焊接的TiAl合金材料焊接件进行预热；

(2)测温：用红外测温仪监控焊缝中心的温度，当温度达到750°时停止预热；

(3)焊接：对焊缝进行激光聚焦焊接；

(4)焊后预热：采用预热的工艺参数对焊缝进行预热，逐渐减小焊接热输入，当焊缝温度低于200℃时停止预热，随后自然冷却。

(5)真空热处理：对已经完成的焊接件进行焊后真空热处理。

进一步地，步骤(1)中TiAl合金材料焊接件中焊接缝的上表面宽度在6mm以上。

进一步地，步骤(1)中焊前预热时激光束光斑尺寸至少为步骤(3)中焊接时激光束光斑尺寸的2倍。

进一步地，步骤(1)中焊前预热时激光束光斑直径大于6mm，步骤(3)焊接时激光束光斑直径为3mm左右。

进一步地，步骤(1)～(5)中，用红外测温仪监控焊缝中心的预热的温度。

进一步地，步骤(1)中的焊前预热速度和步骤(3)中的焊接加热速度相同。

进一步地，步骤(4)中焊后预热的热输入为步骤(1)中焊接前预热的热输入的一半。

进一步地，步骤(4)中的焊后预热处理中，当焊缝温度降为200℃时，停止预热。

进一步地，步骤(5)中真空热处理的温度为1375℃，升温速率为10℃/min，温度达到后保温2h，随后以5℃/min的冷却速率进行冷却。

进一步地，在焊接件和焊接工装之间采用陶瓷绝热垫片进行绝热。

本发明的有益效果为：

第一，焊缝组织与母材组织相一致，不存在明显的熔合线和热影响区边界，使得焊缝的高温性能及抗蠕变性能与母材等匹配，不存在微区组织及性能差异。

第二，本发明采用熔焊的方法，相比固态焊接方法，接头性能明显提高。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明一个优选的实施例中激光束焊接TiAl合金的装置的示意图；

图2为本发明一个优选的实施例中焊接后真空热处理前焊缝横截面的形貌图；

图3为本发明一个优选的实施例中焊接后真空热处理后焊缝横截面的形貌图。

具体实施方式

本发明公开了一种控制TiAl合金激光束焊接裂纹形成的方法，主要适用于焊接板厚在1～6mm之间的激光焊。本发明的焊接方法主要步骤为：焊前进行激光预热或感应加热方法预热，当预热温度达到750℃时进行施焊，焊接后再次进行加热，使得缓慢冷却到300℃时，停止加热，使其自然冷却；焊接完成后进行真空热处理，使得母材和焊缝均获得片层α2相和γ相组织。

实施例：

一种控制TiAl合金激光束焊接裂纹形成的方法，主要进行平板对接焊，本发明的目的主要通过以下步骤实现：

图1为本发明一个优选的实施例中激光束焊接TiAl合金的装置的示意图。本实施案例中待焊板为Ti₄₈Al₂Cr₂Nb合金，施焊板厚度为3mm。采用光纤激光焊方法，保护气体为纯He，气流量为30L/min，激光输出功率为3kW，焊接速度为0.5m/min，预热时离焦量为+20mm，焊接时离焦量为+5mm。

第一步，将待焊件表面，焊前进行表面处理，分别采用400#、800#及1200#砂纸进行表面研磨，除去表面油污，然后烘干24h后，装配到焊接工装上，且采用陶瓷绝热垫片将焊件与金属工装进行隔绝，降低冷却速率。

第二步，将焊板用夹具固定后，选用激光离焦量为+20mm，焊接速度为0.5m/min，激光功率为5kW进行预热，整个预热过程保持激光焊接头不移动而待焊件试样进行移动，以保证红外测温仪能够时刻监控焊点预热温度。

第三步，预热焊点温度达到750℃以上时，当激光光斑移动到焊件一端时，将激光离焦量变为+5mm，激光功率调节为3kW，焊接速度0.5m/min，进行焊接。

第四步，焊接完成后，迅速将激光离焦量变为+20mm，激光功率为4kW，焊接速度0.5m/min，再次进行焊后加热，当温度降为600℃时，功率降为3kW，温度达到400℃时，功率降为2kW，当温度达到200℃时停止激光焊后加热。

第五步，将焊接完的试样进行真空热处理，热处理温度为1375℃，热处理加热时升温速度为10℃/min，温度达到后保温2h，随后真空炉中以5℃/min的冷却速率进行冷却，获得片层组织的TiAl焊接接头。

优选地，当焊接板较厚或焊接板面积较大时，可适当提高预热功率从而提高温度，焊缝冷却时同样可适当增加功率减慢冷却速率，除改变功率外其他参数不变。

优选地，可适当借助感应加热方法对焊板进行先前预热到600℃左右时，在进行激光预热方法，从而减少激光预热时间，提高焊接效率；同样焊后冷却时也可以借助感应加热方法，不断减小感应加热电流，减慢冷却速率。

优选地，对于厚度达到6mm板焊接时，为避免热输入过大，热变形较大，致使焊接热裂纹产生，可采用双面焊方法，正面焊接深度达到3mm，反面焊接深度3mm。

焊接后试样横截面如图2和图3所示。本发明的技术原理依靠控制焊缝的冷却速率，使得焊后发生α2相向γ相转变，避免脆性α2相出现，从而抑制焊接热裂纹产生；同时通过焊后真空热处理方法，不仅消除焊后热应力，同时获得片层α2相和γ相，达到焊缝和母材组织一致，获得等性能匹配。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种激光束焊接TiAl合金的方法，其特征在于，采用如下步骤完成：

(1)焊前预热：采用激光束散焦预热方法对待焊TiAl合金材料焊接件进行预热，激光束光斑直径大于6mm，预热速度为0.5m/min，预热时离焦量为+20mm；

(2)测温：测量焊缝中心的温度，当温度达到750℃时停止预热；

(3)焊接：对焊缝进行激光聚焦焊接，激光束光斑直径为3mm，焊接速度为0.5m/min，焊接时离焦量为+5mm；

(4)焊后预热：采用与焊前预热的相同的参数对焊缝进行预热，逐渐减小热输入，当焊缝温度低于200℃时停止预热，随后自然冷却；

(5)真空热处理：对已经完成的焊接件进行焊后真空热处理，真空热处理的温度为1375℃，升温速率为10℃/min，温度达到后保温2h，随后以5℃/min的冷却速率进行冷却。

2.根据权利要求1所述的一种激光束焊接TiAl合金的方法，其特征在于，步骤(1)中TiAl合金材料焊接件的焊接板厚在1～6mm之间，焊接缝的上表面宽度在6mm以上。

3.根据权利要求1所述的一种激光束焊接TiAl合金的方法，其特征在于，步骤(1)中焊前预热时激光束光斑尺寸至少为步骤(3)中焊接时激光束光斑尺寸的2倍。

4.根据权利要求1所述的一种激光束焊接TiAl合金的方法，其特征在于，步骤(4)中焊后预热的热输入为步骤(1)中焊接前预热的热输入的一半。