CN114535867A - 一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂及其制备方法和应用。本发明属于焊接加工技术领域。本发明的目的是为了解决现有钛合金激光填丝堆焊熔覆过程中，由于采用热导焊模式而造成的堆焊熔覆金属的熔深浅、熔宽大和熔覆效率低的技术问题。制备：本发明的活性剂由LaO3、BaCl2、KF、MgCl2、CaF2、AlF3组成。将各组分混合研磨后与丙酮混合均匀，得到活性剂。应用：将待焊钛合金板打磨后置于酸洗溶液中浸泡，乙醇清洗后烘干，再将该活性剂均匀涂敷在待焊区域，干燥后进行激光填丝堆焊熔覆。本发明的活性剂可以在保证焊缝熔宽的前提下，增加焊缝熔深，提高等离子体稳定性，减少气孔和降低裂纹敏感性，同时也提高了熔覆效率并改善了焊缝成形。

Description

一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于焊接加工技术领域，具体涉及一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂及其制备方法和应用。
背景技术
钛合金作为重要的轻质金属材料，具有高比强度、耐高温、抗腐蚀等优点，已经在船舶制造、医疗器械、航空航天、武器装备、核电设备等领域得到广泛应用，且应用量逐年递增。激光焊是一种优质高能束焊接技术，具有能量密度高、热输入小、焊接接头热影响区狭窄等优点，与激光自熔焊相比较，激光填丝焊可以降低对装配间隙的苛刻要求，通过调节工艺参数，可以实现厚板的优质连接及堆焊熔覆，并通过填充金属的添加对焊缝或堆焊层组织性能进一步优化。目前，激光填丝焊接技术已经在钛合金连接及堆焊熔覆领域逐步获得了应用，但钛合金激光填丝堆焊也存在一定的问题，在钛合金激光填丝堆焊熔覆过程中，由于采用热导焊模式，因此会导致堆焊熔覆金属的熔深浅、熔宽大、熔覆效率低等，此外，还存在气孔、裂纹、侧壁熔合不良及焊缝成形不良等问题。
国内外相关学者针对活性焊接技术进行了较多的研究，但大多数研究集中于不锈钢、碳钢等常规金属材料以及非熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊等传统弧焊中。而涉及钛合金材料及激光焊等高能束领域的活性剂研究开发很少，随着钛合金的应用领域逐步的扩展和高能束焊接方法的普及，钛合金激光填丝焊的活性剂研究将具有重要的实际应用意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有钛合金激光填丝堆焊熔覆过程中，由于采用热导焊模式而造成的堆焊熔覆金属的熔深浅、熔宽大和熔覆效率低的技术问题，而提供了一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂及其制备方法和应用。
本发明的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的组成及其质量分数为LaO3：10％～13％、BaCl2：15％～20％、KF：20％～25％、MgCl2：10％～12％、CaF2：15％～18％、余量为AlF3。
进一步限定，所述钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的组成及其质量分数为LaO3：10％、BaCl2：18％、KF：22％、MgCl2：12％、CaF2：17％、余量为AlF3。
进一步限定，所述钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的组成及其质量分数为LaO3：12％、BaCl2：20％、KF：21％、MgCl2：12％、CaF2：18％、余量为AlF3。
本发明的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：将LaO3、BaCl2、KF、MgCl2、CaF2、AlF3按配比混合后进行研磨，得到活性剂粉末；
步骤2：将步骤1得到的活性剂粉末与丙酮混合均匀，得到钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂。
进一步限定，步骤1中所述活性剂粉末的粒度为300～350目。
进一步限定，步骤2中所述活性剂粉末与丙酮的质量比为1：(0.5～0.7)。
本发明的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂作为活性剂用于Ti-6Al-4V钛合金激光填丝堆焊。
进一步限定，具体应用方法如下：
步骤1：将待焊钛合金板打磨后置于酸洗溶液中浸泡30min，去除表面油污和氧化物，然后用乙醇清洗，再烘干；
步骤2：将所述活性剂均匀涂敷在待焊区域，干燥后进行激光填丝堆焊熔覆。
进一步限定，步骤1中所述酸洗溶液为5vol％HF+30vol％HNO3+H2O。
进一步限定，步骤2中所述涂敷厚度为0.20mm～0.40mm。
本发明相比现有技术的优点如下：
本发明的活性剂可以在保证焊缝熔宽的前提下，增加焊缝熔深，提高等离子体稳定性，减少气孔和降低裂纹敏感性，同时也提高了熔覆效率并改善了焊缝成形。具体优点如下：
1)本发明的活性剂配方中的活性元素如LaO3、BaCl2、KF、MgCl2配合使用可以使激光匙孔面积明显缩小，从而使热源密度增大，进而提高焊缝熔深。进一步地，待焊工件表面涂覆的活性剂可以抑制或减少焊接过程中产生的等离子体，使照射到工件表面的激光能量增加，从而使焊缝熔深进一步提高。
2)本发明的具有特定成分和配比的多组元活性剂通过与钛合金熔池金属发生吸热反应，降低熔池温度，从而缩短钛合金熔池金属高温停留时间，进而对于抑制焊缝表面结晶裂纹的形成具有重要作用。
3)本发明活性剂中的氟化物对于提高熔池金属的润湿性、铺展性具有积极作用，加入合适比例的氟化物对于抑制未熔合缺陷极为有利，但是过多的氟化物加入或有产生气孔倾向，因此氟化物组元的总量需控制在50％以内。除此之外，更重要的是通过采用具有大原子半径的K的氟化物，利用其偏聚于熔池表面的特点减弱熔池表面粒子间的相互作用力，使得表面张力增加，改变熔池表面张力梯度，从而在现有氟化物增加焊缝熔深的基础上进一步地提高增加焊缝熔深的效果。
4)激光填丝堆焊熔覆过程中，活性焊剂中LaO3组元中的氧元素通过改变熔池的流动方向来提高接头熔深，LaO3组元可以分解出表面活性元素O，它可以随着温度的提升使熔池表面张力变大，使液态金属由熔池中心向四周流动的规律改变成由四周流向熔池中心，从而可以增加焊缝熔深。
5)本发明的活性剂涂层可以增加钛合金对激光的吸收率，使对激光的吸收率达到接近90％左右，从而达到增加焊缝熔深的预期效果。
6)活性剂的粉末粒度会影响活性剂对激光的吸收率，从而决定了堆焊熔覆质量。粉末颗粒度过大则不利于活性剂在待焊钛合金母材的涂敷，在钛合金母材表面会分布不均且表面呈凸凹不平，最终导致获得的激光填丝堆焊熔覆组织熔深深浅不一致，严重影响焊缝成形。此外，活性剂粉末颗粒较大时，涂敷后待丙酮挥发，颗粒很容易脱落，影响活性剂的正常发挥作用。而当活性剂颗粒过小时，虽然保证了涂敷的均匀和细腻，但是显著减小了活性剂与钛合金母材间的摩擦系数，从而制约活性剂功效，而越小颗粒度的活性剂粉末要求研磨时间越长，严重影响活性剂生产效率。因此，活性剂的颗粒度范围选取在300目～350目之间。
附图说明
图1为未涂敷活性剂的焊缝横截面形貌照片；
图2为未涂敷活性剂的焊缝表面成形照片；
图3为涂敷对比例1的活性剂后获得焊缝横截面形貌照片；
图4为涂敷对比例1的活性剂后获得焊缝表面成形照片；
图5为涂敷实施例1的活性剂后获得的焊缝的横截面形貌照片；
图6为涂敷实施例1的活性剂后获得的焊缝表面成形照片；
图7为涂敷实施例2的活性剂后获得的焊缝的横截面形貌照片；
图8为涂敷实施例2的活性剂后获得的焊缝表面成形照片。
具体实施方式
实施例1：本实施例的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的组成及其质量分数为LaO3：10％、BaCl2：18％、KF：22％、MgCl2：12％、CaF2：17％、余量为AlF3。
制备方法：
步骤1：将LaO3、BaCl2、KF、MgCl2、CaF2、AlF3按配比混合后进行研磨，得到粒度为300目的活性剂粉末；
步骤2：将步骤1得到的活性剂粉末与丙酮按质量比为1：0.6混合均匀，得到钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂。
实施例2：本实施例的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的组成及其质量分数为LaO3：12％、BaCl2：20％、KF：21％、MgCl2：12％、CaF2：18％、余量为AlF3；
制备方法：
步骤1：将LaO3、BaCl2、KF、MgCl2、CaF2、AlF3按配比混合后进行研磨，得到粒度为350目的活性剂粉末；
步骤2：将步骤1得到的活性剂粉末与丙酮按质量比为1：0.7混合均匀，得到钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂。
对比例1：本对比例的与实施例2不同的是：省略KF。其他步骤及参数与实施例2相同。
应用例：分别将实施例1-2和对比例1制得的钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂作为活性剂用于Ti-6Al-4V钛合金激光填丝堆焊，具体应用方法如下：
步骤1：将待焊Ti-6Al-4V钛合金板(400mm×200mm×40mm)打磨后置于5vol％HF+30vol％HNO3+H2O酸洗溶液中浸泡30min，去除表面油污和氧化物，然后用乙醇清洗，再烘干；
步骤2：分别将实施例1-2和对比例1制得的活性剂均匀涂敷在待焊区域，涂敷厚度为0.30mm，干燥后进行激光填丝堆焊熔覆。
焊接过程如下：
(1)填充金属选用TC4钛合金实心焊丝，直径为1.2mm，焊接过程中焊接试板正面和背面均采用100％氩气进行保护，流量均为20L/min，采用激光摆动+连续输出模式，试验采用激光前置、焊丝后置的方式；
(2)激光采用圆形摆动模式，光丝间距设置为0.5mm，激光束与填充焊丝送丝管夹角为15°且同步运动；
(3)焊接参数：激光功率：2800W，送丝速度：6.10cm/s，焊接速度：1.55cm/s，激光摆动幅度：2mm，激光摆动频率：80Hz，焦距：428mm，离焦量：+20mm。
结果：以不涂敷活性剂作为对照组Ⅰ，以对比例1为对照组Ⅱ，得到未涂敷活性剂的焊缝横截面形貌及焊缝表面成形照片如图1-2所示，涂敷对比例1的活性剂后获得的焊缝的横截面形貌及焊缝表面成形照片如图3-4所示，涂敷实施例1的活性剂后获得的焊缝的横截面形貌及焊缝表面成形照片如图5-6所示，涂敷实施例2的活性剂后获得的焊缝的横截面形貌及焊缝表面成形照片如图7-8所示。从对比图可以看出，涂敷活性剂后的焊缝金属的熔深出现了大幅的增加，熔宽出现小幅度增加，并且获得的焊缝表面成形更加美观，无气孔、裂纹、未熔合等焊接缺陷。

Claims (10)

1.一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂，其特征在于，该活性剂的组成及其质量分数为LaO3：10％～13％、BaCl2：15％～20％、KF：20％～25％、MgCl2：10％～12％、CaF2：15％～18％、余量为AlF3。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂，其特征在于，所述钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的组成及其质量分数为LaO3：10％、BaCl2：18％、KF：22％、MgCl2：12％、CaF2：17％、余量为AlF3。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂，其特征在于，所述钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的组成及其质量分数为LaO3：12％、BaCl2：20％、KF：21％、MgCl2：12％、CaF2：18％、余量为AlF3。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：
步骤1：将LaO3、BaCl2、KF、MgCl2、CaF2、AlF3按配比混合后进行研磨，得到活性剂粉末；
步骤2：将步骤1得到的活性剂粉末与丙酮混合均匀，得到钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂。
5.根据权利要求4所述的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的制备方法，其特征在于，步骤1中所述活性剂粉末的粒度为300～350目。
6.根据权利要求4所述的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的制备方法，其特征在于，步骤2中所述活性剂粉末与丙酮的质量比为1：(0.5～0.7)。
7.如权利要求1-3任意一项所述的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的应用，其特征在于，将其作为活性剂用于Ti-6Al-4V钛合金激光填丝堆焊。
8.根据权利要求7所述的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的应用，其特征在于，具体应用方法如下：
步骤1：将待焊钛合金板打磨后置于酸洗溶液中浸泡30min，去除表面油污和氧化物，然后用乙醇清洗，再烘干；
步骤2：将所述活性剂均匀涂敷在待焊区域，干燥后进行激光填丝堆焊熔覆。
9.根据权利要求8所述的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的应用，其特征在于，步骤1中所述酸洗溶液为5vol％HF+30vol％HNO3+H2O。
10.根据权利要求8所述的一种钛合金激光填丝堆焊熔覆用活性剂的应用，其特征在于，步骤2中所述涂敷厚度为0.20mm～0.40mm。
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