CN114160979B - 一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层及其焊接方法 - Google Patents

一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种用于钛合金焊接的Ti‑A1‑V‑Y填充层，用于Ti6Al4V钛合金板材对接接头开U型坡口的激光焊接，U型坡口的开口宽度为0.8mm‑1.2mm；填充层由金属元素钛、铝、钒、钇组成，各个金属元素质量百分比为铝6％，钒4％，钇0.1％‑0.7％，余量为钛；填充层的制备方法如下：S1、称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒和钇颗粒；S2、把金属颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；S3、将合金液在真空感应炉中保温处理；S4、将合金液进行浇铸，得到合金锭；S5、将合金锭制备成与U型坡口适配的填充层。总之，本发明选用添加Y元素的新型Ti6Al4V填充层对钛合金进行焊接，通过设计坡口形状及尺寸，优化激光功率、焊接速度等参数，获得了质量良好的焊缝。

Description

一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层及其焊接方法
技术领域
本发明涉及一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层及其焊接方法，属于钛合金焊接技术领域。
背景技术
钛合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀性好、高温性能优异等优点，是重要的结构材料之一，目前广泛应用于航空航天、石油化工、汽车、医疗、食品等行业。Ti6Al4V钛合金因其所具有的比强度高、无磁性、无毒性、强度高、耐腐蚀、工作温度区宽、加工成型好等许多优良特性被广泛应用于海洋钻探、压力容器、深潜器、核潜艇、宇航舰船及武器装备等领域。与整体冲压成形相比，焊接制备加工量小、周期短、耗材少，成本低，而焊接材料是影响焊接接头性能的重要影响因数之一。目前，钛合金焊接时多采用TIG焊、激光焊和电子束焊接等自熔焊，极少涉及填充金属。
激光焊是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的一种焊接方法，焊接时通过激光辐射加热焊接面，通过控制激光功率等参数，使焊接面熔化。激光焊具有能量密度高、熔深大、焊接速度快、变形小及装配间隙适应强的特点，尤其在应用于精密部件焊接和中、薄板的焊接中具有更大的优势。在焊接时，焊接部位的强度至关重要，在目前的激光焊工艺方法中，主要采用优化工艺参数来提高焊接强度，但上述方法对强度提高程度有限，同时对具体焊接工艺的反复试验需要耗费大量时间和经费，不适应现代化产业发展的需要。
激光加填充材料的焊接由于具有激光焊接的焊接热影响区狭窄、焊接能量集中等优点外，同时由于填充金属的冶金作用，可以对有益元素的冶金烧损进行连接补充，对于细化组织晶粒，提高综合性能具有重要作用，基于填充层加激光焊的特点与优势，现有的激光填丝焊接并不能满足现有焊接工艺方法要求，现有的焊丝也并不能完全满足其使用要求，从而开发出一种焊接效率高、熔池流动铺展性好、焊接过程飞溅少、在焊缝表面无氧化物、适用于激光的填充材料以及其焊接方法对于提高钛合金的应用范围十分重要。
发明内容
本发明的发明目的解决Ti6Al4V钛合金板材焊接问题，开发一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层，并公开了其用于钛合金焊接的焊接方法。
本发明实现其发明目的首先提供了一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层，所述填充层用于Ti6Al4V钛合金板材对接接头开U型坡口的激光焊接，U型坡口的开口宽度为0.8mm-1.2mm；
所述填充层由金属元素钛、铝、钒、钇组成，各个金属元素质量百分比为铝6％，钒4％，钇0.1％-0.7％％，余量为钛；
所述填充层的制备方法如下：
S1、按所述钛合金中各个金属元素质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒和钇颗粒；
S2、把称取好的金属颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200A-250A之间，电压保持在14V-16V之间；
S3、将合金液在真空感应炉中保温处理，保温时间为13min-18min，保温温度为1600℃-1800℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭；
S5、将合金锭利用电火花线切割的方法制备成与U型坡口适配的填充层。
进一步，本发明所述填充层中钇的质量百分比为0.1％-0.5％。
试验验证，上述质量百分比范围既可以充分利用Y元素细化组织和β晶粒，调节钛合金氧含量，改善热影响粗化影响，又能更好地避免Y2O3偏析，在晶界周围形成团聚。
进一步，本发明所述填充层用于厚度为2mm-4mm的钛合金板材焊接，钛合金板材开的U型坡口的底部间隙余量为0.1mm-0.5mm。
本发明实现其发明目的还提供了一种上述Ti-A1-V-Y填充层用于钛合金焊接的焊接方法，所述焊接方法步骤如下：
S1、在Ti6Al4V钛合金板材的待焊接部位开设U型焊接坡口，组成对接接头，所述U型坡口的开口宽度为0.8mm-1.2mm；
S2、将Ti-A1-V-Y填充层置于Ti6Al4V钛合金板材对接接头的U型坡口内，通过夹具固定，组成待焊焊接接头；
S3、对待焊焊接接头进行激光焊接，焊接过程中采用氩气作为保护气体；
激光焊接的工艺参数为：激光功率为2000W-4000W，离焦量为0mm-1mm，选用负离焦，焊接速度为20mm/s-30mm/s，保护氩气流量为12L/min-20L/min。
进一步，本发明焊接方法中所述Ti6Al4V钛合金板材厚度为2mm-4mm，Ti6Al4V钛合金板材待焊接部位开设的U型焊接坡口的底部间隙余量为0.1mm-0.5mm。
进一步，本发明焊接方法所述对待焊焊接接头进行激光焊接的工艺参数为：激光功率为3000W-4000W，离焦量为0mm-0.75mm，焊接速度为25mm/s-26mm/s，保护氩气流量为12L/min-20L/min。
进一步，本发明焊接方法所述Ti6Al4V钛合金板材厚度为3mm，Ti6Al4V钛合金板材待焊接部位开设的U型焊接坡口的开口宽度为1.0mm，底部间隙余量为0.3mm。
进一步，本发明焊接方法所述对待焊焊接接头进行激光焊接的工艺参数为：激光功率为3500W，离焦量为0mm，焊接速度为25mm/s，保护氩气流量为16L/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明首先优化配比填充层的各个元素比例，再通过真空自耗电话熔炼制成铸锭，进一步通过线切割的方法制成填充层材料，可以细化焊缝组织晶粒，改善焊接接头的强度及塑韧性，减少焊接气孔倾向，填充材料具有一定的坚硬度，可以与保持平直态在激光束中心区域，获得较好的焊缝成形。
二、填充层中添加质量百分数为0.1％-0.7％的Y元素，可以利用Y元素有效细化组织和β晶粒，调节钛合金的氧含量，Y元素与钛合金本身可生成的杂质元素O元素生成的Y2O3能够实现弥散强化Ti6Al4V钛合金的性能，从而使得填充层用于钛合金焊接的时候可有效细化焊缝原始β晶粒，改善焊缝热影响粗化影响。同时，精确控制Y元素的含量，可以控制Y元素在钛合金中所起的作用，避免形成的Y2O3偏析，在晶界周围形成团聚。
三、本发明采用设计U型坡口，通过添加本发明所设计的填充层金属的方法实现了Ti6Al4V钛合金的焊接，简单，可靠。避免了熔丝填充焊接以及传统材料焊接工艺复杂和在提高焊接强度方面的限制。
总之，本发明选用添加Y元素的新型Ti6Al4V填充层对钛合金进行焊接，通过设计坡口形状及尺寸，优化激光功率、焊接速度等参数，实现了Ti6Al4V板材的焊接，添加Y元素的填充层增加了焊接板材之间的润湿性，改变了Ti6Al4V钛合金板材焊接的微观组织形状，并且有效减小激光焊接过程中钛合金中β晶粒粗化现象，影响了α-Ti枝状晶(α相)的形核与生长，改变了α相组织的形状，本焊接工艺成本低、工艺简单、效率高、接头质量好等优点，获得的焊缝无裂纹、气孔缺陷，连接可靠。
附图说明
图1为本发明中实施例填充层与钛合金板材的焊接组合示意图。
图2为本发明实施例对待焊焊接接头进行激光焊接的焊接示意图。
图3为本发明中实施例与对比例的获得的焊接接头拉伸性能图。
图1、图2中，1为钛合金板材，2为填充层，3为激光焊接头。图3中，曲线a为实施例1获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线b为实施例2获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线c为实施例3获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线d为实施例4获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线e为对比例1获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线f为铸态钛合金的拉伸曲线。
具体实施方式
一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层，其特征在于：
所述填充层用于Ti6Al4V钛合金板材对接接头开U型坡口的激光焊接，U型坡口的开口宽度为0.8mm-1.2mm；
所述填充层由金属元素钛、铝、钒、钇组成，各个金属元素质量百分比为铝6％，钒4％，钇0.1％-0.7％，余量为钛；
所述填充层的制备方法如下：
S1、按所述钛合金中各个金属元素质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒和钇颗粒；
S2、把称取好的金属颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200A-250A之间，电压保持在14V-16V之间；
S3、将合金液在真空感应炉中保温处理，保温时间为13min-18min，保温温度为1600℃-1800℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭；
S5、将合金锭利用电火花线切割的方法制备成与U型坡口适配的填充层。
优选的，所述填充层中钇的质量百分比为0.1％-0.5％。
优选的，所述填充层用于厚度为2mm-4mm的钛合金板材焊接，钛合金板材开的U型坡口的底部间隙余量为0.1mm-0.5mm。
一种上述Ti-A1-V-Y填充层用于钛合金焊接的焊接方法，所述焊接方法步骤如下：
S1、在Ti6Al4V钛合金板材的待焊接部位开设U型焊接坡口，组成对接接头，所述U型坡口的开口宽度为0.8mm-1.2mm；
S2、将Ti-A1-V-Y填充层置于Ti6Al4V钛合金板材对接接头的U型坡口内，通过夹具固定，组成待焊焊接接头；
S3、对待焊焊接接头进行激光焊接，焊接过程中采用氩气作为保护气体；
激光焊接的工艺参数为：激光功率为2000W-4000W，离焦量为0mm-1mm，选用负离焦，焊接速度为20mm/s-30mm/s，保护氩气流量为12L/min-20L/min。
优选的，所述Ti6Al4V钛合金板材厚度为2mm-4mm，Ti6Al4V钛合金板材待焊接部位开设的U型焊接坡口的底部间隙余量为0.1mm-0.5mm。
优选的，所述对待焊焊接接头进行激光焊接的工艺参数为：激光功率为3000W-4000W，离焦量为0mm-0.75mm，焊接速度为25mm/s-26mm/s，保护氩气流量为12L/min-20L/min。
优选的，所述Ti6Al4V钛合金板材厚度为3mm，Ti6Al4V钛合金板材待焊接部位开设的U型焊接坡口的开口宽度为1.0mm，底部间隙余量为0.3mm。
更为优选的，所述对待焊焊接接头进行激光焊接的工艺参数为：激光功率为3500W，离焦量为0mm，焊接速度为25mm/s，保护氩气流量为16L/min。
图1为本实施例填充层与钛合金板材的焊接组合示意图。图2为本实施例对待焊焊接接头进行激光焊接的焊接示意图。图中，1为钛合金板材，2为填充层，3为激光焊接头。
实施例1
一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层及其用于钛合金焊接的焊接方法，所述填充层由金属元素钛、铝、钒、钇组成，各个金属元素质量百分比为铝6％，钒4％，钇0.1％，余量为钛；
所述填充层的制备方法如下：
S1、按所述钛合金中各个金属元素质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒和钇颗粒；
S2、把称取好的金属颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在220A，电压保持在15V；
S3、将合金液在真空感应炉中保温处理，保温时间为15min，保温温度为1700℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭；
S5、将合金锭利用电火花线切割的方法制备成与U型坡口适配的填充层。
所述焊接方法步骤如下：
S1、在Ti6Al4V钛合金板材的待焊接部位开设U型焊接坡口，组成对接接头，所述Ti6Al4V钛合金板材厚度为3mm，Ti6Al4V钛合金板材待焊接部位开设的U型焊接坡口的底部间隙余量为0.3mm，U型坡口的开口宽度为1mm；。
S2、将上述制备的Ti-A1-V-Y填充层置于Ti6Al4V钛合金板材对接接头的U型坡口内，通过夹具固定，组成待焊焊接接头；
S3、对待焊焊接接头进行激光焊接，焊接过程中采用氩气作为保护气体；
激光焊接的工艺参数为：激光功率为3500W，离焦量为0mm，焊接速度为25mm/s，保护氩气流量为16L/min。
实施例2
本实施例与实施例1的技术特征基本相同，唯一不同之处在于本实施例填充层中钇的质量百分比为0.3％。
实施例3
本实施例与实施例1的技术特征基本相同，唯一不同之处在于本实施例填充层中钇的质量百分比为0.5％。
实施例4
本实施例与实施例1的技术特征基本相同，唯一不同之处在于本实施例填充层中钇的质量百分比为0.7％。
对比例1
本实施例与实施例1的技术特征基本相同，唯一不同之处在于本对比例填充层的由金属元素钛、铝、钒组成，各个金属元素质量百分比为铝6％，钒4％，余量为钛。
图3为上述实施例、对比例及铸态钛合金的获得的焊接接头拉伸性能图。图中，曲线a为实施例1获得的焊接接头的拉伸曲线，；曲线b为实施例2获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线c为实施例3获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线d为实施例4获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线e为对比例1获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线f为铸态Ti6Al4V钛合金的拉伸曲线，具体拉伸性能数值见下表：
延伸率 抗拉强度
实施例1 10.31％ 930MPa
实施例2 10.32％ 983MPa
实施例3 9.71％ 941MPa
实施例4 9.26％ 947MPa
对比例1 6.82％ 903MPa
铸态Ti6Al4V钛合金 6.52％ 930MPa

Claims (8)

1.一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层，其特征在于：
所述填充层用于Ti6Al4V钛合金板材对接接头开U型坡口的激光焊接，U型坡口的开口宽度为0.8mm-1.2mm；
所述填充层由金属元素钛、铝、钒、钇组成，各个金属元素质量百分比为铝6％，钒4％，钇0.1％-0.7％，余量为钛；
所述填充层的制备方法如下：
S1、按所述钛合金中各个金属元素质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒和钇颗粒；
S2、把称取好的金属颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200A-250A之间，电压保持在14V-16V之间；
S3、将合金液在真空感应炉中保温处理，保温时间为13min-18min，保温度为1600℃-1800℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金定；
S5、将合金锭利用电火花线切割的方法制备成与U型坡口适配的填充层。
2.根据权利要求1所述的一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层，其特征在于：所述填充层中钇的质量百分比为0.1％-0.5％。
3.根据权利要求1所述的一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层，其特征在于：所述填充层用于厚度为2mm-4mm的钛合金板材焊接，钛合金板材开的U型坡口的底部间隙余量为0.1mm-0.5mm。
4.一种权利要求1所述的Ti-A1-V-Y填充层用于钛合金焊接的焊接方法，其特征在于：所述焊接方法步骤如下：
S1、在Ti6Al4V钛合金板材的待焊接部位开设U型焊接坡口，组成对接接头，所述U型坡口的开口宽度为0.8mm-1.2mm；
S2、将Ti-A1-V-Y填充层置于Ti6Al4V钛合金板材对接接头的U型坡口内，通过夹具固定，组成待焊焊接接头；
S3、对待焊焊接接头进行激光焊接，焊接过程中采用氩气作为保护气体；
激光焊接的工艺参数为：激光功率为2000W-4000W，离焦量为0mm-1mm，选用负离焦，焊接速度为20mm/s-30mm/s，保护氩气流量为12L/min-20L/min。
5.根据权利要求4所述Ti-A1-V-Y填充层用于钛合金焊接的焊接方法，其特征在于：所述Ti6Al4V钛合金板材厚度为2mm-4mm，Ti6Al4V钛合金板材待焊接部位开设的U型焊接坡口的底部间隙余量为0.1mm-0.5mm。
6.根据权利要求5所述Ti-A1-V-Y填充层用于钛合金焊接的焊接方法，其特征在于：所述对待焊焊接接头进行激光焊接的工艺参数为：激光功率为3000W-4000W，离焦量为0mm-0.75mm，焊接速度为25mm/s-26mm/s，保护氩气流量为12L/min-20L/min。
7.根据权利要求4所述Ti-A1-V-Y填充层用于钛合金焊接的焊接方法，其特征在于：所述Ti6Al4V钛合金板材厚度为3mm，Ti6Al4V钛合金板材待焊接部位开设的U型焊接坡口的开口宽度为1.0mm，底部间隙余量为0.3mm。
8.根据权利要求7所述Ti-A1-V-Y填充层用于钛合金焊接的焊接方法，其特征在于：所述对待焊焊接接头进行激光焊接的工艺参数为：激光功率为3500W，离焦量为0mm，焊接速度为25mm/s，保护氩气流量为16L/min。
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