CN109967876A - 一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了激光焊接技术领域的一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，旨在解决现有技术中Ti2AlNb基合金焊缝的物相构成单一，焊缝性能低于木材，焊缝中的晶粒为柱状晶，焊缝塑性差的技术问题。一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，包括以下步骤：准备母材；酸洗打磨；制备焊接用的粉末；采用激光焊对母材进行焊接同时向熔池内吹入粉末，并施加保护气。本发明利用未完全熔化的粉末作为形核质点，促进熔池在凝固结晶时的非均匀形核，改善传统激光焊接过程中焊缝粗大柱状晶的晶粒形貌，减小晶粒尺寸，并且促使晶粒形貌向等轴晶的转变，提高焊缝的塑性变形能力；钼元素会改变焊缝的合金成分，起到固溶强化的作用，提高焊缝的强度。

Description

一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法。
背景技术
Ti2AlNb基合金属于钛铝金属间化合物，具有优良的比强度，室温塑性，抗氧化性和高温蠕变抗性，被认为是最有潜力取代镍基高温合金的轻质高温结构材料，在航空航天领域具有广阔的应用前景。在实际应用中，Ti2AlNb基合金根据需求会制备成各种形式的结构件，单靠铸造、锻压、切削等方法难以实现复杂形状结构件的生产制造，实际应用过程中不可避免的会遇到连接问题。随着合金的制备工艺不断成熟和发展，如何实现该合金的可靠连接已经成为制约其应用的关键环节。激光焊接由于能量密度高，焊接热输入小，对母材原始组织破坏较小，能在最大程度上保持Ti2AlNb基合金的初始性能，同时焊接精度高，柔性大，能够满足航空航天复杂结构件的焊接需求，被认为是焊接Ti2AlNb基合金的理想焊接方法。采用传统的激光焊接方法焊接Ti2AlNb基合金会在产生两方面问题：首先是焊缝的物相由单一B2相构成，失去了母材原始组织α2相和O相的协调变形和第二相强化作用，性能低于母材。B2相形成原因是由于焊接过程中的冷却速率大于B2相形成的临界冷却速率（约120K/s），抑制B2相向其他物相转变。无论对于激光焊接还是电子束焊、电弧焊等其他熔焊方法，其冷却速率均大于B2相形成的临界冷却速率，在焊接Ti2AlNb基合金时焊缝均由单一B2相构成，改变焊缝的物相构成只能通过后续的热处理工艺。其次是焊缝中的晶粒形态为柱状晶，这是由于激光焊接过程温度梯度大，晶粒沿着散热最快的方向以胞状晶、胞状树枝晶的方式成长为粗大柱状晶。柱状晶组织的特点是难以变形，因而焊缝的塑性相比于母材较差。即使后续的热处理工艺也无法改变焊缝的柱状晶形态，热处理对性能的提升作用有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，以解决现有技术中Ti2AlNb基合金焊缝的物相构成单一，焊缝性能低于木材，焊缝中的晶粒为柱状晶，焊缝塑性差的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，包括以下步骤：测量需要焊接的Ti2AlNb基合金母材厚度，如果母材厚度＞1mm，则焊接部位开坡口；配制酸洗溶液并对待焊接母材进行酸洗；清理焊接部位及母材在焊接过程中将会发生熔化的区域，直到母材表面呈现出银白色；制备焊接用的粉末；采用激光焊对母材进行焊接，焊接的同时采用同轴送粉的方法向熔池内吹入粉末，并在母材背面施加保护气。
所述酸洗溶液的成分包括质量分数为10%的氢氟酸，质量分数为30%的硝酸，质量分数为60%的水。
所述酸洗的方法是用配制的酸洗溶液酸洗15min，酸洗后用清水反复冲洗母材表面，然后放入烘干炉中烘干。
所述粉末的成分中钛、铝、铌三种元素的相对含量与待焊接的母材中钛、铝、铌三种元素的相对含量相同，根据待焊接的母材的成分调整粉末中钼元素的含量。
所述粉末中钼元素的含量的确定方法是当焊缝中钼元素的质量分数在1.5~2.0%之间时，此时对应的粉末中钼元素的含量即是最终钼元素含量，此时的粉末配比即是最终的粉末配比。
所述粉末的制备方法为旋转电极物化法。
所述粉末的形貌为球形，直径为45~100μm。
所述粉末在投用前24h内通过球磨机球磨0.5~1h。
所述保护气包括氩气，氩气流量为5L/min。
所述激光焊的焊接参数包括激光功率为1500W，焊接速度为0.3m/min，激光束离焦量为+15mm，粉末束流离焦量为0mm，送粉量为4.6g/min，输送粉末的氩气流量为10L/min。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
（1）本发明利用未完全熔化的粉末作为形核质点，促进熔池在凝固结晶时的非均匀形核，改善传统激光焊接过程中焊缝粗大柱状晶的晶粒形貌，减小晶粒尺寸，并且促使晶粒形貌向等轴晶的转变，提高焊缝的塑性变形能力；
（2）本发明提供的Ti2AlNb基合金粉末中含有一定量的钼元素，进入熔池后，会改变焊缝的合金成分，起到固溶强化的作用，提高焊缝的强度。
附图说明
图1是传统激光焊形成的焊缝的晶粒形态示意图；
图2是本发明实施例提供的一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法得到的激光焊焊缝晶粒形态示意图；
图3传统激光焊形成的焊缝在断裂时断裂位置的实物图；
图4是本发明实施例提供的一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法得到的激光焊焊缝在断裂时断裂位置的实物图。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法包括以下步骤：
A、首先测量需要焊接的板材厚度。如果板材厚度为1mm以内，可以直接进行到下一步骤，如果板材厚度大于1mm，需要预先开坡口，坡口的角度为40°~45°，根据板材厚度选择进行多层多道焊接；
B、配制酸洗用的溶液。酸洗溶液的具体成分为质量分数为10%的氢氟酸，质量分数为30%的硝酸和质量分数为60%的水；酸洗时间约为15min。酸洗后用清水反复冲洗母材表面3~5遍，然后放入烘干炉，烘干炉的温度设置为80~100℃，烘干时间0.5~1h；
C、把角磨机装上钢丝球，清理坡口及母材在焊接过程中将会发生熔化的区域，直到表面呈现出银白色，随后用干净的丝绒布蘸取丙酮擦拭清洁上述区域；
D、钛、铝、铌元素是构成Ti2AlNb基合金的基本元素，其相对含量基本保持不变，粉末的构成元素种类和母材一致，粉末的成分中钛、铝、铌元素的相对含量与待焊接的Ti2AlNb基合金母材中钛、铝、铌元素的相对含量相同，粉末中钼元素的含量根据母材自身成分进行调整。粉末的成分由钛（49-53wt.%）、铝（9-10 wt.%）、铌（39-40 wt.%）、钼（1-3.5 wt.%）元素构成，其中，各元素含量均为质量比。调整粉末中钼元素的含量的依据是焊接以后焊缝中钼元素的相对含量。焊缝中钼元素的质量分数大约在1.5-2.0wt.%之间，此时所对应的粉末中合金元素的钛铝铌钼粉末配比作为最终粉末的最终成分。焊缝中Mo元素的比例略高于母材，以达到固溶强化的效果；
E、粉末的制备方法为旋转电极雾化法，采用这种制备方法获得的粉末形貌为球形，并通过筛子筛选出直径在45-100μm的粉末用于焊接实验。粉末制备后采用真空封装方法保存，每次取用以后迅速利用真空封装机再次封存，避免氧化受潮。焊接实验前，利用球磨机将粉末球磨0.5-1h，以增加粉末的流动性，再放入刮板式送粉器中；
F、焊接系统包括同轴送粉工作头和刮板式送粉器。粉末经过同轴送粉头后会在交点处汇聚。刮板式送粉器通过调整刮板的转数来调整送粉量。采用氩气输送粉末，氩气依次经过高压气瓶、流量表、输气软管、送粉器、输气软管、同轴送粉工作头。其中送粉量约为4.6g/min，输送粉末的氩气流量为10L/min。
G、优化过的焊接工艺参数为：激光功率为1500W，焊接速度为0.3m/min，激光束离焦量为+15mm，粉末束流离焦量为0mm，焊接的同时在焊缝背面施加背保护，保护气为氩气，氩气流量为5L/min；
H、实施焊接的具体工艺流程为调整激光器的出光功率为1500W，工作头移动速率为0.3m/min。调整同轴送粉头到焊接开始位置，保证粉末束流的离焦量为0mm，先打开送粉器，调整氩气流量为10l/min和送粉器转数为4r/min，在送粉工作头处观察到有粉末送粉并且粉末流量稳定时，打开背面保护气的开关，开始焊接过程。焊接结束时，根据板材厚度，多层多道焊需要上移同轴送粉的工作头，单层的上移量为1mm，同一层数不同道次不需要上移工作头。
下面通过具体实验来说明本发明所述方法提高焊缝综合性能的效果。
选取厚度为2mm的Ti-22Al-24.5Nb-0.5Mo(at.%)合金，采用激光同轴送粉焊接方法。母材的厚度大于1mm，焊接前开45°坡口，酸洗打磨以后备用。Ti2AlNb基合金粉末的具体成分为钛元素52.2wt.%，铝元素9.44wt.%，铌元素39.31wt.%，钼元素3.45wt.%。粉末颗粒度为45-100μm，焊前球磨0.5h。焊接过程中的具体工艺参数为：激光功率为1500W，焊接速度0.3m/min，粉末束流离焦量为0mm，激光束离焦量为15mm，送粉器转速为4r/min，送粉氩气流量10L/min，背保护气流量5L/min。焊接以后通过电子背散射衍射方法观察晶粒形态和测量平均晶粒尺寸，并通过拉伸实验测量焊缝性能，拉伸方向垂直于焊缝。
图1是传统激光焊接方法焊缝晶粒形态，可以看出为粗大的柱状晶。图2是采用本发明所述方法焊接以后焊缝晶粒形貌，可以看出晶粒形貌趋向等轴化。图3是传统激光焊形成的焊缝在断裂时断裂位置的实物图。图4是本发明所述方法得到的激光焊焊缝在断裂时断裂位置的实物图。激光同轴送粉焊接焊缝断裂在热影响区位置，并且可以看出断裂时有明显的颈缩，代表发生了较大的塑性变形。可以看出，相比于传统激光焊接Ti2AlNb基合金，焊缝的性能得到明显提升。
本发明所述方法利用未完全熔化的粉末作为形核质点，促进熔池在凝固结晶时的非均匀形核，改善传统激光焊接过程中焊缝中多为粗大柱状晶的晶粒形貌，减小晶粒尺寸，并且促使晶粒形貌向等轴晶的转变，提高了焊缝的塑性变形能力；另一方面，Ti2AlNb基合金粉末中含有一定量的钼元素，进入熔池后，会改变焊缝的合金成分，起到固溶强化的作用，提高了焊缝的强度。本发明克服了Ti2AlNb基合金采用传统激光焊接后在焊缝中形成粗大柱状晶、焊缝强度和塑性降低的局限，具有显著的实用价值。目前针对Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的主要措施为焊后热处理方法，但焊后热处理无法改变焊缝晶粒粗大柱状晶这一缺陷，热处理方法带来的改善效果不够显著。本发明能够使整个焊缝区域内的晶粒形貌等轴化，提高焊缝的性能。本发明也可以作为焊后热处理的前置工序，在晶粒等轴化的基础上再进行焊后热处理，可以有效提高热处理工艺的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，包括以下步骤：
测量需要焊接的Ti2AlNb基合金母材厚度，如果母材厚度＞1mm，则焊接部位开坡口；
配制酸洗溶液并对待焊接母材进行酸洗；
清理焊接部位及母材在焊接过程中将会发生熔化的区域，直到母材表面呈现出银白色；
制备焊接用的粉末；
采用激光焊对母材进行焊接，焊接的同时采用同轴送粉的方法向熔池内吹入粉末，并在母材背面施加保护气。
2.根据权利要求1所述的提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，所述酸洗溶液的成分包括质量分数为10%的氢氟酸，质量分数为30%的硝酸，质量分数为60%的水。
3.根据权利要求1所述的提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，所述酸洗的方法是用配制的酸洗溶液酸洗15min，酸洗后用清水反复冲洗母材表面，然后放入烘干炉中烘干。
4.根据权利要求1所述的提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，所述粉末的成分中钛、铝、铌三种元素的相对含量与待焊接的母材中钛、铝、铌三种元素的相对含量相同，根据待焊接的母材的成分调整粉末中钼元素的含量。
5.根据权利要求4所述的提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，所述粉末中钼元素的含量的确定方法是当焊缝中钼元素的质量分数在1.5~2.0%之间时，此时对应的粉末中钼元素的含量即是最终钼元素含量，此时的粉末配比即是最终的粉末配比。
6.根据权利要求1所述的提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，所述粉末的制备方法为旋转电极物化法。
7.根据权利要求1所述的提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，所述粉末的形貌为球形，直径为45~100μm。
8.根据权利要求1所述的提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，所述粉末在投用前24h内通过球磨机球磨0.5~1h。
9.根据权利要求1所述的提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，所述保护气包括氩气，氩气流量为5L/min。
10.根据权利要求1所述的提高Ti2AlNb基合金激光焊接焊缝性能的方法，其特征是，所述激光焊的焊接参数包括激光功率为1500W，焊接速度为0.3m/min，激光束离焦量为+15mm，粉末束流离焦量为0mm，送粉量为4.6g/min，输送粉末的氩气流量为10L/min。
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