CN114918564B - 一种tc4钛合金壳体堆焊修复方法 - Google Patents

一种tc4钛合金壳体堆焊修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，属于焊接加工技术领域。包括以下步骤：S100、将待修复TC4钛合金板进行打磨和酸洗；S200、对酸洗后的TC4钛合金板进行冲洗和烘干，去除表面油污和氧化物；S300、使用夹具夹紧基板，将待修复TC4钛合金板放置在基板上，设置激光束与焊带送进方向夹角、焊带与堆焊方向角度、焊带宽度、焊带厚度和激光束功率范围；S400、送带装置和送气装置向待修复钛合金板的表面送入焊带和保护气；S500、激光束以圆形摆动的方式运动对待堆焊TC4钛合金进行堆焊，直至完成修复。本发明堆焊熔覆效率高、堆焊成本低，摆脱了对焊剂的依赖，降低了缺陷概率。

Description

一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法
技术领域
本发明涉及一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，属于焊接加工技术领域。
背景技术
钛合金具有低密度、高比强度、优良的耐腐蚀性能等特点，广泛应用于航空航天、潜水装置及核电设备制造领域中。特别是在核潜艇及深潜器等领域，钛合金由于具有无磁性、质轻等特性而获得大量应用。但是在核潜艇等设备服役应用过程中，由于长期接触海水腐蚀性较强的介质，并受到海水的冲刷，钛合金壳体表面会受到腐蚀与磨损形成锈迹、蚀坑及裂痕等，会对核潜艇的安全、稳定运行造成一定程度的威胁，因此在核潜艇运行一段时间后，需要及时进行钛合金壳体表面的维护及修复，这时往往需要进行钛合金表面熔覆堆焊，以保证后期运行的安全可靠。
常规的钛合金壳体修复方法包括带极堆焊及丝极电弧堆焊，但是上述常规修复方法存在熔覆效率低、稀释率高、生产成本高昂、表面成形较差等缺点，严重制约其在钛合金材质核潜艇的表面修复应用中。同时，钛合金存在膨胀系数大的特点，通过常规热输入较高的带极堆焊及丝极电弧堆焊方法容易产生较大焊后变形，从而严重影响后期的装配精度。且现有技术中需要焊剂，当焊剂作用在曲面上时会流动导致不稳定，容易出现焊接缺陷。
发明内容
本发明提出了一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，将熔覆堆焊于钛合金母材表面，以解决现有常规修复方法中存在的熔覆效率低、稀释率高、生产成本高昂和表面成形较差的缺点。
一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，TC4钛合金壳体堆焊修复方法包括以下步骤：
S100、将待修复TC4钛合金板进行打磨和酸洗；
S200、对酸洗后的TC4钛合金板进行冲洗和烘干，去除表面油污和氧化物；
S300、使用夹具夹紧基板，将待修复TC4钛合金板放置在基板上，设置激光束与焊带送进方向夹角为40°～45°，焊带与堆焊方向角度为30°～35°，焊带宽度为2mm～10mm，焊带厚度范围为0.5mm～2.0mm，需要的激光束功率范围为2500W～4500W；
S400、送带装置和送气装置向待修复钛合金板的表面送入焊带和保护气；
S500、激光束射入待堆焊TC4钛合金的焊带表面，与焊带的光带间距范围控制在+1mm～+3mm，并以圆形摆动的方式运动对待堆焊TC4钛合金进行堆焊，直至完成修复。
进一步的，在S100中，酸洗过程具体为：在酸溶液中浸泡15min～20min，酸溶液的组成为：2％-4％的HF、30％-40％的HNO3、余量为H2O。
进一步的，在S400中，保护气为He，气体压力为0.5MPa～0.7MPa。
进一步的，在S400中，送气装置与激光束距离为1.5mm～2.0mm。
进一步的，在S400中，焊带的送进速度为0.8m/min～1.0m/min，焊接速度为3.0m/min～4.0m/min。
进一步的，在S500中，激光束作用于焊带的光斑半径为1.0mm～2.0mm。
进一步的，在S500中，激光束采用顺圆摆动模式，激光摆动频率为100Hz～200Hz，摆动幅度为1.0mm～5.0mm，激光束的焦距为+425mm。
进一步的，在S500中，堆焊过程中产生熔覆层，熔覆层厚度范围在1.2mm-2.0mm。
进一步的，焊带为钛带。
本发明的有益效果：
(1)采用激光束作为热源熔化焊带进行堆焊修复，由于激光束的能量集中，热输入远远低于常规带极电弧堆焊等焊接方法的热输入，从而使焊接变形较小，对于提高堆焊层的力学性能和保证修复后的壳体的装配精度具有重要作用；
(2)通过大摆动浮动光束摆动熔化焊带，均匀搅动熔池，细化堆焊层组织，改善应力集中；改善钛合金堆焊层的表面成形，对提高钛合金堆焊层的硬度、耐腐蚀性能和耐磨性具有极大的帮助；
(3)本发明无需常规丝极/带极电弧堆焊所需的焊剂来保护熔池，而是利用保护气体进行液态熔池金属的保护，提高了生产效率、降低生产成本。由于不需要焊剂，本发明在作用于曲面对象时也会大幅降低出现焊接缺陷的概率。
附图说明
图1为本发明的一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法的焊接示意图；
图2为实施例一的堆焊熔覆后堆焊层宏观形貌；
图3为实施例一的堆焊熔覆后堆焊层微观形貌；
图4为实施例二的堆焊熔覆后堆焊层宏观形貌；
图5为实施例二的堆焊熔覆后堆焊层微观形貌。
具体实施方式
下面的参照附图将更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
本发明申请提出了一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，TC4钛合金壳体堆焊修复方法包括以下步骤：
S100、将待修复TC4钛合金板进行打磨和酸洗；
S200、对酸洗后的TC4钛合金板进行冲洗和烘干，去除表面油污和氧化物；
S300、使用夹具夹紧基板，将待修复TC4钛合金板放置在基板上，设置激光束与焊带送进方向夹角为40°～45°，焊带与堆焊方向角度为30°～35°，焊带宽度为2mm～10mm，焊带厚度范围为0.5mm～2.0mm，需要的激光束功率范围为2500W～4500W；
S400、送带装置和送气装置向待修复钛合金板的表面送入焊带和保护气；
S500、激光束射入待堆焊TC4钛合金的焊带表面，与焊带的光带间距范围控制在+1mm～+3mm，并以圆形摆动的方式运动对待堆焊TC4钛合金进行堆焊，直至完成修复。
进一步的，在S100中，酸洗过程具体为：在酸溶液中浸泡15min～20min，酸溶液的组成为：2％-4％的HF、30％-40％的HNO3、余量为H2O。
进一步的，在S400中，保护气为He，气体压力为0.5MPa～0.7MPa。
具体的，He相比较于Ar作为保护气体对于激光焊接过程中产生的等离子体具有更强的等离子体抑制作用，从而对于提升焊接过程的稳定性极为有利。
进一步的，在S400中，送气装置与激光束距离为1.5mm～2.0mm。
进一步的，在S400中，焊带的送进速度为0.8m/min～1.0m/min，焊接速度为3.0m/min～4.0m/min。
进一步的，在S500中，激光束作用于焊带的光斑半径为1.0mm～2.0mm。
进一步的，在S500中，激光束采用顺圆摆动模式，激光摆动频率为100Hz～200Hz，摆动幅度为1.0mm～5.0mm，激光束的焦距为+425mm。
进一步的，在S500中，堆焊过程中产生熔覆层，熔覆层厚度范围在1.2mm-2.0mm。
具体的，激光熔覆时，稀释率对熔覆层质量影响非常大，而稀释率主要受比能量E的影响，比能量计算公式如下所示：
E＝P·D·V (1)
式中：E为比能量；P为激光功率；D为光斑直径；V为扫描速度，
其中，E过低，稀释率太小，熔覆层和基体结合不牢，易剥落，熔覆层表面出现气孔等缺陷；E过高，基体表层熔化金属增多，与熔覆层金属熔体混合更充分，增加稀释率，降低熔覆层性能，且使熔覆层平整度下降。依据上述规律，本发明的工艺参数选择主要集中在激光功率和扫描速率上，以控制单位时间的热输入量(比能量)。通过实际的激光熔覆实验发现，能够实现良好熔覆层的激光工艺参数范围比较窄，因此，本发明将激光工艺参数空载在上述范围内，获得的熔覆层厚度范围在1.2mm～2.0mm之间。
进一步的，焊带为钛带。
基于以上方法流程，本发明提出了以下具体实施例：
实施例一：实例1：本实施例进行激光填充钛带堆焊试样，本实施例选用尺寸规格为300mm×300mm×30mm的TC4钛合金板，具体的，先进行打磨和酸洗，在体积占比(2～4)％HF+(30～40)％HNO3+H2O(余量)的酸溶液中浸泡15min～20min，然后用清水冲洗烘干，去除表面油污和氧化物。使用夹具夹紧基板，设置激光束与钛带送进方向夹角为40°，焊带与堆焊方向角度为30°，钛合金焊带宽度为4mm，厚度范围为1.5mm，所述堆焊修复方法中需要的激光束功率范围为3000W；
激光束射入待堆焊TC4钛合金焊带表面，与焊带的光带间距范围控制在+2mm；由自主研发设计的送气装置和送带装置向待焊钛合金表面送入，其中，所述送气装置输入的保护气体为He，气体压力为0.5MPa；为避免激光反射熔化气体送入装置，其与激光束距离为1.5mm，激光束作用于焊带的光斑半径为1.0mm，焊带的送进速度为1.0m/min，焊接速度为3.0m/min；所述保护气体为纯度99.99％的He，保护气压力为0.5MPa，焊接过程中，激光束采用顺圆摆动模式，摆动频率为150Hz；摆动幅度为5mm，所述激光束的焦距为+425mm，堆焊层表面形貌示意图如图2所示。修复后的钛合金壳体表面成形美观、没有气孔、裂纹、夹渣、熔合不良等焊接缺陷。图3是堆焊层的微观组织形貌，可以发现，焊缝区由若干相互平行的长针状α'马氏体贯穿整个柱状晶，在柱状晶内部相互平行的α'马氏体之间还会形成细小的二次α'马氏体，最终焊缝区呈网篮状，组织分布均匀，没有产生晶粒过大的组织。
实施例二：本实施例进行激光填充钛带堆焊试样，本实施例选用尺寸规格为300mm×300mm×30mm的TC4钛合金板，具体的，先进行打磨和酸洗，在体积占比(2～4)％HF+(30～40)％HNO3+H2O(余量)的酸溶液中浸泡15min～20min，然后用清水冲洗烘干，去除表面油污和氧化物。使用夹具夹紧基板，设置激光束与钛带送进方向夹角为40°，焊带与堆焊方向角度为30°，钛合金焊带宽度为3mm，厚度范围为1mm，所述堆焊修复方法中需要的激光束功率范围为3500W；激光束射入待堆焊TC4钛合金焊带表面，与焊带的光带间距范围控制在+1mm；由自主研发设计的送气装置和送带装置向待焊钛合金表面送入，其中，所述送气装置输入的保护气体为He，气体压力为0.6MPa；为避免激光反射熔化气体送入装置，其与激光束距离为2mm，激光束作用于焊带的光斑半径为1.5mm，焊带的送进速度为0.9m/min，焊接速度为3m/min；所述保护气体为纯度99.99％的He，保护气压力为0.6MPa，焊接过程中，激光束采用顺圆摆动模式，摆动频率为180Hz；摆动幅度为4mm，所述激光束的焦距为+425mm，堆焊层表面形貌示意图如图4所示。修复后的钛合金壳体表面成形美观、没有气孔、裂纹、夹渣、熔合不良等焊接缺陷。图5是堆焊层的微观组织形貌，可以发现，焊缝区由若干相互平行的长针状α'马氏体贯穿整个柱状晶，在柱状晶内部相互平行的α'马氏体之间还会形成细小的二次α'马氏体，最终焊缝区呈网篮状，组织分布均匀，没有产生晶粒过大的组织。
本发明将钛合金焊带熔覆堆焊于待修复TC4钛合金板表面，堆焊熔覆效率高、堆焊成本低，堆焊后的熔覆层具有耐腐蚀、耐磨损、硬度高、成形美观等优点。同时，摆脱了对焊剂的依赖，依靠惰性气体保护对焊接熔池金属进行保护，降低了生产成本，也杜绝了由于焊剂质量问题而给焊接过程带来缺陷的概率，对于提升核潜艇的修复效率及质量将会具有重要的实际应用意义。

Claims (7)

1.一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，其特征在于，所述TC4钛合金壳体堆焊修复方法包括以下步骤：
S100、将待修复TC4钛合金板进行打磨和酸洗；
S200、对酸洗后的TC4钛合金板进行冲洗和烘干，去除表面油污和氧化物；
S300、使用夹具夹紧基板，将待修复TC4钛合金板放置在基板上，设置激光束与焊带送进方向夹角为40°～45°，焊带与堆焊方向角度为30°～35°，焊带宽度为2mm～10mm，焊带厚度范围为0.5mm～2.0mm，需要的激光束功率范围为2500W～4500W；
S400、送带装置和送气装置向待修复钛合金板的表面送入焊带和保护气；
S500、激光束射入待堆焊TC4钛合金的焊带表面，与焊带的光带间距范围控制在+1mm～+3mm，并以圆形摆动的方式运动对待堆焊TC4钛合金进行堆焊，直至完成修复；
在S100中，酸洗过程具体为：在酸溶液中浸泡15min～20min，酸溶液的组成为：2％-4％的HF、30％-40％的HNO3、余量为H2O；
在S400中，所述保护气为He，气体压力为0.5MPa～0.7MPa。
2.根据权利要求1所述的一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，其特征在于，在S400中，送气装置与激光束距离为1.5mm～2.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，其特征在于，在S400中，焊带的送进速度为0.8m/min～1.0m/min，焊接速度为3.0m/min～4.0m/min。
4.根据权利要求1所述的一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，其特征在于，在S500中，激光束作用于焊带的光斑半径为1.0mm～2.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，其特征在于，在S500中，激光束采用顺圆摆动模式，激光摆动频率为100Hz～200Hz，摆动幅度为1.0mm～5.0mm，所述激光束的焦距为+425mm。
6.根据权利要求5所述的一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，其特征在于，在S500中，堆焊过程中产生熔覆层，熔覆层厚度范围在1.2mm-2.0mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种TC4钛合金壳体堆焊修复方法，其特征在于，所述焊带为钛带。
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