CN109249127A - 一种高温钛合金脉冲激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温钛合金脉冲激光焊接方法，其中，所述方法包括：将高温钛合金待焊工件依次进行酸洗、丙酮清洗以及干燥处理；对干燥处理后的所述待焊工件的待焊区域表面进行激光清洗预处理；将所述待焊工件装配固定，其中，相邻待焊接工件间的装配间隙为预设值，相邻待焊接工件的焊接接头对接；采用方波脉冲激光对各待焊接接头进行高温钛合金激光焊接，且在焊接过程中通过惰性气体将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离，其中，方波脉冲激光的激光焊接基值功率为激光焊接峰值功率的一半。通过该方法对高温钛合金待焊工件进行焊接，可有效避免焊接接头易氧化、易脆化、易产生气孔的问题。

Description

一种高温钛合金脉冲激光焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种高温钛合金脉冲激光焊接方法。
背景技术
高温钛合金具有优良的热强性和高的比强度，在航空航天等领域获得广泛应用，目前已经成为航空航天飞行器的主要结构材料之一。高温钛合金为了提高使用温度、获得良好的高温性能，其合金化程度与TC4等常用钛合金相比显著提高。
焊接是实现结构整体化、轻量化、低成本制造的关键技术手段之一，高温钛合金的高合金化使得该类材料的熔焊接头在焊接时开裂倾向比传统TC4、TA15等钛合金大，焊接过程控制难度大。同时，由于钛合金在高温下活性强，在焊接过程中极易与氢、氧、氮发生反应，也容易被空气、油污、水分等污染，其焊接接头普遍存在易氧化、易脆化、易产生气孔等问题。因此，高温钛合金的焊接是该类材料应用的一项关键技术。
可见，目前迫切需要本领域技术人员提供一种高可靠性的高温钛合金焊接方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明实施例提供了一种高温钛合金脉冲激光焊接方法，以解决现有技术中存在的高温钛合金焊接接头易氧化、易脆化、易产生气孔的问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高温钛合金脉冲激光焊接方法，其中，所述方法包括：将高温钛合金待焊工件依次进行酸洗、丙酮清洗以及干燥处理；对干燥处理后的所述待焊工件的待焊区域表面进行激光清洗预处理；将所述待焊工件装配固定，其中，相邻待焊接工件间的装配间隙为预设值，相邻待焊接工件的焊接接头对接；采用方波脉冲激光对各待焊接接头进行高温钛合金激光焊接，且在焊接过程中通过惰性气体将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离，其中，方波脉冲激光的激光焊接基值功率为激光焊接峰值功率的一半。
可选的，所述方波脉冲激光的脉冲宽度为20ms，脉冲频率为25Hz。
可选的，所述激光焊接峰值功率范围为1600W～2400W。
可选的，所述方波脉冲激光的焊接速度范围为800mm/min～1200mm/min。
可选的，对干燥处理后的所述待焊工件的待焊区域表面进行激光清洗预处理的步骤，包括：采用功率为100W～150W的激光对干燥处理后的各所述待焊工件的、待焊区域表面进行清洗。
可选的，激光清洗范围为焊缝中心至焊缝两侧距焊缝中心10mm～20mm的区域。
可选的，所述在焊接过程中通过惰性气体将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离的步骤，包括：在焊接过程中，以10L/min～15L/min流量向所述待焊接工件的正面、背面充惰性气体，使所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离。
可选的，所述惰性气体为氩气和氦气组成的混合气体或者氩气。
可选的，所述预设值为小于0.3mm的正数。
本发明具有以下优点：
本发明实施例公开的高温钛合金脉冲激光焊接方法，一方面在将高温钛合金待焊工件酸洗后采用激光清洗的方法对其表面预处理，可进一步去除待焊区域表面氧化膜，降低焊缝内气孔的产生倾向；还可增大待焊区域的表面粗糙度，增加表面对激光的吸收率，改善熔滴在表面的铺展润湿性，有利于提高焊接质量。另一方面，在焊接过程中，对高温钛合金待焊接工件的正面、背面同时施以惰性气体保护，既可避免钛合金的氧化，又可减少焊缝中气孔的产生，因此能够提升焊接质量。再一方面，焊接时采用方波脉冲激光，通过对焊缝熔池的周期性加热，使得焊缝熔池中的金属熔化和凝固连续发生，焊接热输入较小，熔融金属冷却时间更短，可减小甚至避免焊接工件变形，焊接所生成的焊接接头窄且焊接热影响区小。可见，通过该方法对高温钛合金待焊工件进行焊接，可有效避免焊接接头易氧化、易脆化、易产生气孔的问题。
附图说明
图1是本发明实施例所述的一种高温钛合金脉冲激光焊接方法的步骤流程图；
图2为方波脉冲激光波形示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
实施例一
参照图1，示出了本发明实施例所述的一种高温钛合金脉冲激光焊接方法的步骤流程图。
本发明实施例提供的一种高温钛合金脉冲激光焊接方法包括以下步骤：
步骤101：将高温钛合金待焊工件依次进行酸洗、丙酮清洗以及干燥处理。
高温钛合金待焊工件依次进行酸洗，目的是去除高温钛合金待焊工件表面氧化物等杂质，而采用丙酮清洗目的是去除工件表面的油污。
步骤102：对干燥处理后的待焊工件的、待焊区域表面进行激光清洗预处理。
优选的，采用功率为100W～150W的激光对干燥处理后的待焊工件的待焊区域表面进行清洗。激光清洗范围为焊缝中心至焊缝两侧距焊缝中心10mm～20mm的区域。
步骤103：将待焊工件装配固定。
其中，相邻待焊接工件间的装配间隙为预设值，相邻待焊接工件的焊接接头对接。
优选的，预设值为小于0.3mm的正整数，例如将预设值范围设置为0～0.15mm，将预设值设置为0.2mm、0.25mm等。
在高温钛合金工件的实际焊接过程中，由于预加工和装配误差的存在、以及焊接过程中的热变形等原因，难以达到零间隙的装配，并且在焊接过程中间隙可能不断地变化，采用发明实施例所提出的脉冲激光焊接方法，可在装配间隙为0～0.30mm的范围内实现高温钛合金工件的良好焊接。
步骤104：采用方波脉冲激光对各待焊接接头进行高温钛合金激光焊接，且在焊接过程中通过惰性气体将待焊接工件的正面、背面与空气隔离。
在焊接过程中，可以以10L/min～15L/min流量向待焊接工件的正面、背面充惰性气体，使待焊接工件的正面、背面与空气隔离。对高温钛合金待焊接工件的正面、背面同时施以惰性气体保护，既可避免钛合金的氧化，又可减少焊缝中气孔的产生，因此能够提升焊接质量。
惰性气体可以为氩气、氩气和氦气组成的混合气体中的至少之一。也就是说，可以单纯充氩气使待焊接工件的正面、背面与空气隔离，也可以充氩气和氦气组成的混合气体使待焊接工件的正面、背面与空气隔离。
一种优选的方波脉冲激光波形示意图如图2所示。其中，方波脉冲激光的激光焊接基值功率为激光焊接峰值功率的一半，方波脉冲激光的脉冲宽度为20ms。脉冲频率为25Hz。
优选的，激光焊接峰值功率范围为1600W～2400W；例如将激光焊接峰值功率范围设置为2000W～2400W，或者将激光焊接峰值功率设置为1800W、1900W等，本发明实施例中对此不做具体限制。方波脉冲激光的焊接速度范围为800mm/min～1200mm/min。
当然并不限于此，对于方波脉冲激光的脉冲宽度、脉冲频率、方波脉冲激光的焊接速度的具体值，可由本领域技术人员根据实际需求进行适应性调整，并不局限于上述所列举的各具体数值。
本发明实施例中提供的高温钛合金脉冲激光焊接方法具有如下有益效果：
焊缝成形质量良好，表面焊纹均匀、无裂纹，正面呈银白色或微黄色，背面呈银白色，焊缝内部无裂纹、夹杂物、未焊合等缺陷；
焊接接头力学性能高，室温抗拉强度不低于母材抗拉强度的90％；在650℃条件下的高温抗拉强度不低于母材在650℃条件下抗拉强度的90％；
在装配间隙为0～0.30mm的范围内实现高温钛合金的良好连接，可有效避免预加工、装配误差以及焊接过程中的热变形等因素对高温钛合金焊接质量的影响。
本发明实施例提供的高温钛合金脉冲激光焊接方法，一方面在将高温钛合金待焊工件酸洗后采用激光清洗的方法对其表面预处理，可进一步去除待焊区域表面氧化膜，降低焊缝内气孔的产生倾向；还可增大待焊区域的表面粗糙度，增加表面对激光的吸收率，改善熔滴在表面的铺展润湿性，有利于提高焊接质量。另一方面，在焊接过程中，对高温钛合金待焊接工件的正面、背面同时施以惰性气体保护，既可避免钛合金的氧化，又可减少焊缝中气孔的产生，因此能够提升焊接质量。再一方面，焊接时采用方波脉冲激光，通过对焊缝熔池的周期性加热，使得焊缝熔池中的金属熔化和凝固连续发生，焊接热输入较小，熔融金属冷却时间更短，可减小甚至避免焊接工件变形，焊接所生成的焊接接头窄且焊接热影响区小。可见，通过该方法对高温钛合金待焊工件进行焊接，可有效避免焊接接头易氧化、易脆化、易产生气孔的问题。
实施例二
本发明实施例中选取编号为BTi6431S、厚度为3mm的高温钛合金板材作为本实施例中的待焊工件。BTi6431S高温钛合金的化学成分见表1。对BTi6431S钛合金板材进行力学性能测试，该合金在室温条件下的抗拉强度为1119MPa，在650℃条件下的抗拉强度为648MPa。
表1 BTi6431S高温钛合金化学成分(质量分数，％)
本发明实施例的高温钛合金脉冲激光焊接方法具体流程如下：
首先，将BTi6431S高温钛合金待焊工件进行酸洗，利用丙酮清洗待焊工件表面并干燥处理，并在焊接前对待焊工件待焊区域的表面进行激光清洗预处理，激光清洗时采用的激光功率为150W，激光清洗范围包括焊缝中心两侧各20mm的区域；
其次，将待焊工件装配固定在焊接工位，焊接接头采用对接形式，装配间隙为0。
最后，采用方波脉冲激光进行焊接，焊接时脉冲宽度为20ms，脉冲频率为25Hz，激光峰值功率为2400W，激光基值功率为1200W，焊接速度为1000mm/min，工件正面、背面通过氩气保护，保护气体流量为15L/min。
采用万能试验机测试接头的力学性能，其在室温条件下的抗拉强度为1186±9MPa，达到母材室温抗拉强度的106％；在650℃条件下的抗拉强度为627±6MPa，达到母材在650℃条件下抗拉强度的97％。
通过焊缝正面和背面外观可知，焊缝成形质量良好，表面焊纹均匀、无裂纹。
通过焊接接头X射线无损检测数字图像，可以看出焊缝无夹杂物、裂纹、未焊合等缺陷；除焊缝起弧、熄弧的弧坑处外，焊缝其它部位无气孔。
通过焊缝截面的显微组织照片，可以看出焊接接头中母材、热影响区、焊缝的界限清晰，焊缝区为粗大的β柱状晶组织，柱状晶长度方向指向焊缝中心。在焊缝上部，靠近焊缝平直段的β柱状晶首先由熔合线向焊缝中心相对生长，在焊缝中心处改变其生长方向并几乎垂直第向焊缝表面生长。
通过焊接接头在25℃室温条件下拉伸断口形貌可观察到室温拉伸断口存在大量韧窝，说明接头在25℃室温条件下发生韧性断裂。
通过焊接接头在650℃高温条件下拉伸断口形貌可观察到，断口表面呈冰糖状，为沿晶韧窝断口，同时断口表面的晶界上有大量小的韧窝，上述结果表明接头在650℃高温条件下发生韧性断裂。
实施例三
本发明实施例中选取编号为BTi6431S、厚度为3mm的高温钛合金板材作为本实施例中的待焊工件，其化学成分、力学性能同实施例二中的高温钛合金板材。
本发明实施例的高温钛合金脉冲激光焊接方法流程如下：
首先，将BTi6431S高温钛合金待焊工件进行酸洗，利用丙酮清洗待焊工件表面并干燥处理，在焊接前对待焊工件待焊区域的表面进行激光清洗预处理，激光清洗时采用的激光功率为100W，激光清洗范围包括焊缝中心两侧各20mm的区域；
其次，将待焊工件装配固定在焊接工位，焊接接头采用对接形式，装配间隙为0.3mm；
最后，采用方波脉冲激光进行焊接，焊接时脉冲宽度为20ms，脉冲频率为25Hz，激光峰值功率为1600W，激光基值功率为800W，焊接速度为1200mm/min，工件正面、背面通过氩气保护，背面保护气体流量为10L/min。
采用万能试验机测试接头的力学性能，其在25℃室温条件下的抗拉强度为1121±39MPa，达到母材室温抗拉强度的100％；在650℃条件下的抗拉强度为690±2MPa，达到母材在650℃条件下抗拉强度的106％。
实施例四
本发明实施例中选取编号为BTi6431S、厚度为3mm的高温钛合金板材作为本实施例中的待焊工件，其化学成分、力学性能同实施例二中的高温钛合金板材。
本发明实施例的高温钛合金脉冲激光焊接方法具体包括如下流程：
首先，将BTi6431S高温钛合金待焊工件进行酸洗，利用丙酮清洗待焊工件表面并干燥处理，在焊接前对待焊工件待焊区域的表面进行激光清洗预处理，激光清洗时采用的激光功率为150W，激光清洗范围包括焊缝中心两侧各10mm的区域；
其次，将待焊工件装配固定在焊接工位，焊接接头采用对接形式，装配间隙为0.3mm；
最后，采用方波脉冲激光进行焊接，焊接时脉冲宽度为20ms，脉冲频率为25Hz，激光峰值功率为2400W，激光基值功率为1200W，焊接速度为800mm/min，工件正面、背面通过氩气保护，背面保护气体流量为15L/min。
采用万能试验机测试接头的力学性能，其在25℃室温条件下的抗拉强度为1159±22MPa，达到母材室温抗拉强度的104％；在650℃条件下的抗拉强度为623±6MPa，达到母材在650℃条件下抗拉强度的96％。
实施例五
本发明实施例中选取编号为BTi6431S、厚度为3mm的高温钛合金板材作为本发明实施例中的待焊工件，其化学成分、力学性能同实施例二中的高温钛合金板材。
本发明实施例的高温钛合金脉冲激光焊接方法具体包括以下流程：
首先，将BTi6431S高温钛合金待焊工件进行酸洗，利用丙酮清洗待焊工件表面并干燥处理，在焊接前对待焊工件待焊区域的表面进行激光清洗预处理，激光清洗时采用的激光功率为150W，激光清洗范围包括焊缝中心两侧各10mm的区域；
其次，将待焊工件装配固定在焊接工位，焊接接头采用对接形式，装配间隙为0；
最后，采用方波脉冲激光进行焊接，焊接时脉冲宽度为20ms，脉冲频率为25Hz，激光峰值功率为2000W，激光基值功率为1000W，焊接速度为1200mm/min，工件正面通过氩气保护，工件背面通过氩气与氦气组成的混合气体进行保护(氩气的体积分数为80％)，背面保护气体流量为10L/min。
采用万能试验机测试接头的力学性能，其在25℃室温条件下的抗拉强度为1178±9MPa，达到母材室温抗拉强度的105％；在650℃条件下的抗拉强度为613±17MPa，达到母材在650℃条件下抗拉强度的95％。
以上所述仅为本发明的最佳实例，并不用以限制本发明。凡依据本发明专利所述的发明技术实质所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利保护范围内。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种高温钛合金脉冲激光焊接方法，其特征在于，所述方法包括：
将高温钛合金待焊工件依次进行酸洗、丙酮清洗以及干燥处理；
对干燥处理后的所述待焊工件的待焊区域表面进行激光清洗预处理；
将所述待焊工件装配固定，其中，相邻待焊接工件间的装配间隙为预设值，相邻待焊接工件的焊接接头对接；
采用方波脉冲激光对各待焊接接头进行高温钛合金激光焊接，且在焊接过程中通过惰性气体将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离，其中，方波脉冲激光的激光焊接基值功率为激光焊接峰值功率的一半。
2.根据权利要求1所述的高温钛合金脉冲激光焊接方法，其特征在于，所述方波脉冲激光的脉冲宽度为20ms，脉冲频率为25Hz。
3.根据权利要求1所述的高温钛合金脉冲激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接峰值功率范围为1600W～2400W。
4.根据权利要求1所述的高温钛合金脉冲激光焊接方法，其特征在于，所述方波脉冲激光的焊接速度范围为800mm/min～1200mm/min。
5.根据权利要求1所述的高温钛合金脉冲激光焊接方法，其特征在于，对干燥处理后的所述待焊工件的待焊区域表面进行激光清洗预处理的步骤，包括：
采用功率为100W～150W的激光对干燥处理后的各所述待焊工件的、待焊区域表面进行清洗。
6.根据权利要求1所述的高温钛合金脉冲激光焊接方法，其特征在于，激光清洗范围为焊缝中心至焊缝两侧距焊缝中心10mm～20mm的区域。
7.根据权利要求1所述的高温钛合金脉冲激光焊接方法，其特征在于，所述在焊接过程中通过惰性气体将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离的步骤，包括：
在焊接过程中，以10L/min～15L/min流量向所述待焊接工件的正面、背面充惰性气体，使所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离。
8.根据权利要求1所述的高温钛合金脉冲激光焊接方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气和氦气组成的混合气体或者氩气。
9.根据权利要求1所述的高温钛合金脉冲激光焊接方法，其特征在于，所述预设值为小于0.3mm的正数。
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