CN111843204A - 一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，包括如下步骤：焊接前用丙酮擦拭Ti2AlNb基合金表面，去除油污，并通过酸洗、机械打磨，去除其表面氧化膜；利用夹具固定好清理干净的Ti2AlNb基合金材料，并放置于工作台上；调节激光器的激光焊接头，使其位于焊缝中心上方；固定氩气保护装置与激光焊接头同步移动；通过电脑控制端设定好激光扫描路径及相关激光工艺参数；开启氩气保护装置，向焊缝吹入保护气体；启动激光器，对Ti2AlNb基合金材料进行焊接；激光焊接完成后，关闭激光器及氩气保护装置。本发明能够在激光焊接Ti2AlNb基合金时，有效细化焊缝晶粒，增加焊缝的强度，进而提升焊接接头的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，属于激光焊接技术领域。
背景技术
Ti2AlNb基合金由于具有较高的比强度和优良的室温及高温性能，在航空航天领域有巨大的应用潜力。利用Ti2AlNb基合金材料制备相关结构件的过程中，需要稳定可靠的焊接过程以满足实际生产需要。
激光焊接由于具有焊接速度快、焊接热输入小等优点，是目前焊接Ti2AlNb基合金结构件的理想方法。但利用传统激光焊接Ti2AlNb基合金时，易在焊缝中形成粗大的柱状晶，降低接头的力学性能。因此，利用激光焊接Ti2AlNb基合金时，如何细化焊缝晶粒，使其力学性能达到航空领域相关要求是目前亟需解决的一个问题。
发明内容
本发明主要是为了解决Ti2AlNb基合金激光焊接时因焊缝晶粒粗大，而影响焊接接头力学性能的问题。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，包括如下步骤：
（1）、焊接前用丙酮擦拭Ti2AlNb基合金表面，去除油污，并通过酸洗、机械打磨，去除其表面氧化膜；
（2）、利用夹具固定好清理干净的Ti2AlNb基合金材料，并放置于工作台上；
（3）、调节激光器的激光焊接头，使其位于焊缝中心上方；
（4）、固定氩气保护装置与激光焊接头同步移动；
（5）、通过电脑控制端设定好激光扫描路径及相关激光工艺参数；
（6）、开启氩气保护装置，向焊缝吹入保护气体；
（7）、启动激光器，对Ti2AlNb基合金材料进行焊接；
（8）、激光焊接完成后，关闭激光器及氩气保护装置。
优选地，上述激光器为Nd :YAG固体激光器，脉冲激光波形为矩形波，脉冲宽度为20ms。
优选地，上述步骤（5）中激光扫描路径是通过电脑控制端设定为圆形轨迹，焊接过程中，通过激光束对熔池的搅拌作用，提高液态熔池流动性，进而使得熔池中原晶核的枝晶尖端受到熔池中力的作用而脱落，并进入到熔池中形核长大，使熔池中形成晶粒的数量大大增加，而晶粒尺寸大大减小，使得焊缝晶粒细化。
优选地，上述相关激光扫描参数为：扫描幅度为0.6mm~1mm、，扫描频率为100~220Hz。
设定激光扫描路径为圆形轨迹的原因在于，采用圆形轨迹的激光扫描焊接，能在扫描幅度大于0.6mm、扫描频率在100~220Hz范围内的情况下，将气孔率控制在0.5%以内。
此方案的原理在于，通过激光束的搅拌作用使得熔池中原晶核枝晶破碎进而形核长大，从而细化了焊缝晶粒。与传统激光焊接相比，焊缝中心区域晶粒形状由粗大的柱状晶变成了尺寸较小的等轴晶，大幅度地减小了晶粒尺寸，增加了焊缝的强度，进而提升了焊接接头的力学性能。
优选地，上述步骤（5）采用的激光工艺参数为：激光基值功率为500W~1000W，激光峰值功率为1000W~3000W，光斑直径为0.45mm，离焦量为0mm，焊接速度为1000mm/min~1500mm/min。
优选地，上述步骤（6）采用99.99%的高纯度氩气作为保护气体对焊缝正、背面进行保护，且吹气流量为15~20L/min。
优选地，上述步骤（7）采用的焊接方式为自熔焊，无需填充金属，且焊接接头形式为对接接头，对接装配间隙小于0.1mm。
本发明所达到的有益效果：
本发明能够在激光焊接Ti2AlNb基合金时，有效细化焊缝晶粒，增加焊缝的强度，进而提升焊接接头的力学性能。
附图说明
图1是枝晶破碎形核原理图；
图2是激光扫描路径轨迹图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。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。
一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，包括如下步骤：
（1）、焊接前用丙酮擦拭Ti2AlNb基合金表面，去除油污，并通过酸洗、机械打磨，去除其表面氧化膜；
（2）、利用夹具固定好清理干净的Ti2AlNb基合金材料，并放置于工作台上；
（3）、调节激光器的激光焊接头，使其位于焊缝中心上方；
（4）、固定氩气保护装置与激光焊接头同步移动；
（5）、通过电脑控制端设定好激光扫描路径及相关激光工艺参数；
（6）、开启氩气保护装置，向焊缝吹入保护气体；
（7）、启动激光器，对Ti2AlNb基合金材料进行焊接；
（8）、激光焊接完成后，关闭激光器及氩气保护装置。
本发明涉及的设备及仪器包括电脑控制端、Nd :YAG固体激光器、氩气保护装置。本发明的技术原理图如图1所示，激光焊接过程中，通过具有确定路径的激光束对熔池进行搅拌，使熔池具有一定的流动性，进而使原晶核枝晶尖端破碎并形核长大。
优选地，上述激光器为Nd :YAG固体激光器，脉冲激光波形为矩形波，脉冲宽度为20ms。
优选地，上述步骤（5）中激光扫描路径是通过电脑控制端设定为圆形轨迹（如图2所示），且扫描方向为顺时针。焊接过程中，通过激光束对熔池的搅拌作用，提高液态熔池流动性，进而使得熔池中原晶核的枝晶尖端受到熔池中力的作用而脱落，并进入到熔池中形核长大，使熔池中形成晶粒的数量大大增加，而晶粒尺寸大大减小，使得焊缝晶粒细化。
优选地，上述相关激光扫描参数为：扫描幅度为0.6mm~1mm、，扫描频率为100~220Hz。
设定激光扫描路径为圆形轨迹的原因在于，采用圆形轨迹的激光扫描焊接，能在扫描幅度大于0.6mm、扫描频率在100~220Hz范围内的情况下，将气孔率控制在0.5%以内。
此方案的原理在于，通过激光束的搅拌作用使得熔池中原晶核枝晶破碎进而形核长大，从而细化了焊缝晶粒。与传统激光焊接相比，焊缝中心区域晶粒形状由粗大的柱状晶变成了尺寸较小的等轴晶，大幅度地减小了晶粒尺寸，增加了焊缝的强度，进而提升了焊接接头的力学性能。
优选地，上述步骤（5）采用的激光工艺参数为：激光基值功率为500W~1000W，激光峰值功率为1000W~3000W，光斑直径为0.45mm，离焦量为0mm，焊接速度为1000mm/min~1500mm/min。
优选地，上述步骤（6）采用99.99%的高纯度氩气作为保护气体对焊缝正、背面进行保护，且吹气流量为15~20L/min。
优选地，上述步骤（7）采用的焊接方式为自熔焊，无需填充金属，且焊接接头形式为对接接头，对接装配间隙小于0.1mm。
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 (7)
1.一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）、焊接前用丙酮擦拭Ti2AlNb基合金表面，去除油污，并通过酸洗、机械打磨，去除其表面氧化膜；
（2）、利用夹具固定好清理干净的Ti2AlNb基合金材料，并放置于工作台上；
（3）、调节激光器的激光焊接头，使其位于焊缝中心上方；
（4）、固定氩气保护装置与激光焊接头同步移动；
（5）、通过电脑控制端设定好激光扫描路径及相关激光工艺参数；
（6）、开启氩气保护装置，向焊缝吹入保护气体；
（7）、启动激光器，对Ti2AlNb基合金材料进行焊接；
（8）、激光焊接完成后，关闭激光器及氩气保护装置。
2. 根据权利要求1所述的一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，其特征在于，所述激光器为Nd :YAG固体激光器，脉冲激光波形为矩形波，脉冲宽度为20ms。
3.根据权利要求1所述的一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（5）中激光扫描路径是通过电脑控制端设定为圆形轨迹。
4.根据权利要求3所述的一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，其特征在于，所述相关激光扫描参数为：扫描幅度为0.6mm~1mm、，扫描频率为100~220Hz。
5.根据权利要求1所述的一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（5）采用的激光工艺参数为：激光基值功率为500W~1000W，激光峰值功率为1000W~3000W，光斑直径为0.45mm，离焦量为0mm，焊接速度为1000mm/min~1500mm/min。
6.根据权利要求1中所述的一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（6）采用99.99%的高纯度氩气作为保护气体对焊缝正、背面进行保护，且吹气流量为15~20L/min。
7.根据权利要求1所述的一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法，其特征在于，所述步骤（7）采用的焊接方式为自熔焊，无需填充金属，且焊接接头形式为对接接头，对接装配间隙小于0.1mm。
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