超薄鈦殼激光焊接工藝參數(shù)對焊縫成形影響研究

倪先勝 周正干 文雄偉

1.北京航空航天大學(xué),北京,100191 2.清華大學(xué),北京,100084

0 引言

鈦是優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料,具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn),在航空航天、醫(yī)療器械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于鈦金屬具有良好的生物相容性,多數(shù)植入性設(shè)備采用鈦金屬作為外殼材料,并采用適當(dāng)?shù)暮附臃椒ㄟM(jìn)行密封封裝。薄鈦殼在焊接過程中,變形嚴(yán)重,難于控制,且吸氣性強(qiáng)易導(dǎo)致氣孔缺陷。熔化極和非熔化極氬弧焊是鈦及鈦合金板材的傳統(tǒng)焊接方法,焊接工藝成熟,但存在缺陷。氬弧焊時,熔寬及焊縫成形仍不理想,在指標(biāo)要求嚴(yán)格的場合中,達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

相比于其他傳統(tǒng)焊接方法,激光焊接具有能量集中、熱影響區(qū)域小、焊縫成形好、易于自動焊接和監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn),適合于焊接鈦及鈦合金材料。由于鈦及鈦合金具有低熱傳導(dǎo)率和對紅外線光高吸收率等物理特性,故激光焊接鈦及鈦合金更容易得到深穿透焊。激光焊接過程中重要的焊接參數(shù)有脈沖波形、激光功率、焊接速度、離焦量和保護(hù)氣體流量等。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整激光焊接相關(guān)工藝參數(shù),就可以確保重復(fù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的焊縫成形。目前,針對鈦及鈦合金的激光焊接,很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究,但多針對的是厚板超過1mm的情況,涉及密封焊接工藝及性能的研究比較少,且未見到有關(guān)焊接后密封性能的研究[3-6]。

本文利用Nd：YAG脈沖激光器對0.3mm厚的超薄鈦殼進(jìn)行單面密封焊接試驗(yàn),重點(diǎn)研究了激光焊接參數(shù)對焊縫成形的影響,對在不同工藝情況下的焊縫形貌進(jìn)行觀察分析,并對焊接樣品的接頭機(jī)械性能及總體密封性能進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)采用醫(yī)用純鈦TA 0,其成分如表1所示[1]。試驗(yàn)中采用的焊接樣品外形如圖1所示。

表1 TA0的化學(xué)成分

圖1 焊接樣品示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)采用的是英國GSILumonics公司生產(chǎn)的以JK300HP脈沖型Nd：YAG激光器為核心的焊接系統(tǒng)。該激光器最大功率能達(dá)300W,波長為1.06μm,焦距為120mm,焦斑直徑為0.04mm,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)和脈沖輸出。與之相配的是北京精密機(jī)械研究所研制的L2020型高精度數(shù)控機(jī)床系統(tǒng),該系統(tǒng)具有X、Y、Z三個自由度與 A軸,定位精度達(dá)0.01mm。位于Z軸的激光通過光纖傳輸并透射聚焦后到達(dá)工件,焊接過程通過激光器靜止,工作臺相對激光運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。此外,激光系統(tǒng)具有坡起、坡降功能,可在預(yù)定時間內(nèi)逐步增大或減小激光功率,這樣能避免焊縫的起始與結(jié)尾處出現(xiàn)凹坑,產(chǎn)生不利于密封性能的影響。

試驗(yàn)前,對樣品進(jìn)行預(yù)處理,大致流程如下：首先采用氫氟酸、硝酸和水的體積比為1∶6∶30的混合液除去表面氧化膜;其次在凈水中浸泡約30min,隨后在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗3～5min,達(dá)到除油去雜質(zhì)的目的;最后吹干并及時焊接。

鈦是一種極易氧化的金屬,在高溫下會與很多活性氣體發(fā)生劇烈反應(yīng),保護(hù)氣體選用惰性氣體為宜。試驗(yàn)過程中采用雙路高純氬氣對焊接工件高溫區(qū)進(jìn)行保護(hù),樣品采用專用設(shè)計焊接夾具進(jìn)行固定,通過雙側(cè)氣管對吹,焊接前對殼體內(nèi)部注入氬氣,確保樣品的內(nèi)壁及彎角部分亦可實(shí)現(xiàn)保護(hù)。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

焊接試驗(yàn)采用單面熔焊鈦殼樣品的方式,通過改變影響激光焊接的主要參數(shù),如脈沖波形、激光功率、焊接速度、離焦量和保護(hù)氣體流量來獲得一系列的焊縫。焊后,選取特定工藝參數(shù)下的焊接接頭的橫截面,選用三組結(jié)果,分別通過粗磨、精磨、拋光后進(jìn)行宏觀分析,并通過圖像處理技術(shù)綜合計算焊縫熔深及熔寬。隨后,用顯微硬度計測量接頭硬度分布,用掃描電鏡分析顯微組織。最后,對優(yōu)化工藝參數(shù)下的樣品進(jìn)行密封性能測試,驗(yàn)證工藝研究結(jié)果可靠性。

圖2 激光焊接試驗(yàn)平臺

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫的表面形貌

圖3所示為激光密封焊接而成的焊縫正面的形貌。焊縫表面成形美觀,均勻平滑,無明顯缺陷,無明顯余高,焊接接頭的熔合線非常清晰,成形較好。由于是密封焊接,對重復(fù)率有一定的要求,故圖3中可清晰看到致密魚鱗狀條紋。

圖3 密封焊縫正面與橫截面形貌

2.2 激光脈沖波形對焊縫成形的影響

采用Nd：YAG脈沖激光器進(jìn)行密封焊接,脈沖波形對焊接質(zhì)量產(chǎn)生著重要的影響。由于大多數(shù)金屬材料對1.06μm波長的激光反射率較大,當(dāng)高強(qiáng)度的激光入射時,金屬表面會將反射掉較大部分的激光能量。因此,不同的金屬狀態(tài)、材料厚度及性質(zhì)對于激光的反射率和利用率都不一樣,要進(jìn)行有效的焊接就必須輸入不同波形的激光,這樣焊縫處的金屬組織才能在最佳的方式結(jié)晶,形成與基體性能一致的組織,才能形成高質(zhì)量的焊縫。結(jié)合密封焊接與超薄材料的情況,本文采用如圖4所示的設(shè)計波形。波形A為強(qiáng)度不變的平穩(wěn)波形,波形B為帶有增強(qiáng)前置尖峰的遞減波形。兩種波形在各類縫焊中應(yīng)用廣泛[7],都取得了較為理想的焊縫。

試驗(yàn)中,設(shè)計波形的功率、脈沖寬度以及脈沖頻率均一致。在此基礎(chǔ)上,為保證連續(xù)密封焊接的可靠性,激光光斑的重復(fù)率需要超過70%,可以初步確定脈沖頻率與焊接速度,其他如保護(hù)氣體等工藝參數(shù)均保持一致,如表2所示。由此,采用不同波形狀況,而激光平均功率、焊接速度等參數(shù)保持一致,可通過觀察焊縫表面形貌以及橫截面來研究脈沖波形對焊縫成形的影響。

圖4 不同類型脈沖波形設(shè)計參數(shù)

表2 兩種脈沖波形下的焊接工藝參數(shù)

由圖5、圖6可以知道,激光波形的變化或脈沖寬度、單脈沖能量的變化對焊縫形狀、熔深及橫截面積都有著較為明顯的影響。圖5中,波形A參數(shù)下,焊縫外觀呈銀白色,焊縫均勻,可以看到較淺的半球狀的熔斑;波形B參數(shù)下,焊縫外觀粗糙,部分區(qū)域出現(xiàn)飛濺,焊縫周邊有毛刺,且激光熔斑粗大。圖6中,對比兩組波形參數(shù)下焊縫的橫截面及金屬損失來看,波形A參數(shù)下的熔融區(qū)與熱影響區(qū)較大,且熔深較深,而波形B參數(shù)下的接頭處相對前者金屬損失亦較為嚴(yán)重,易導(dǎo)致密封可靠性差。

圖5 焊接完成時的焊縫正面形貌

圖6 焊接完成時的焊縫橫截面形貌

在對超薄材料密封焊時,雖然前置尖峰的脈沖波形有改善反射率和利用率的功能,但由于高重復(fù)率的需要,焊縫由大量的熔斑重疊組成,在光斑重疊區(qū)表面狀態(tài)已發(fā)生變化,且溫度也較高,可能重疊區(qū)仍處于熔融狀態(tài)。因此如采用帶前置尖峰的激光脈沖波形,在尖峰作用期間易出現(xiàn)金屬的高速汽化。伴隨著劇烈的體積膨脹,金屬蒸汽以超聲速向外擴(kuò)張,給予工件大的反沖力,使熔融金屬產(chǎn)生“飛濺”,甚至熔斑可能形成不規(guī)則的孔洞。試驗(yàn)結(jié)果表明,在對超薄鈦殼材料的密封焊接時,應(yīng)該避免帶有前置尖峰的脈沖波形,穩(wěn)定強(qiáng)度的平穩(wěn)波形能產(chǎn)生更為理想焊接的效果。

2.3 激光功率和焊接速度對焊縫成形的影響

薄材料的密封焊接和常規(guī)材料的焊接有很大不同,由于試樣厚度小,其熱容量很小,導(dǎo)熱能力差,受熱亦變形,激光功率與焊接速度對焊縫成形質(zhì)量有著重要的影響[8]。

試驗(yàn)中,在確定采用強(qiáng)度平穩(wěn)的脈沖波形基礎(chǔ)上,分別改變激光功率和焊接速度的大小(激光功率范圍為 40～100W,焊接速度為 200～500mm/min),其他工藝參數(shù)與表2保持一致,進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 激光功率對焊縫熔深和熔寬的影響

圖8 焊接速度對焊縫熔深和熔寬的影響

由圖7和圖8可以知道：隨著激光功率的增加,焊縫的熔深和熔寬增大,熔深接近深熔焊;焊接速度的增大,焊縫的熔寬減少,且出現(xiàn)熔斑紋理逐漸清晰,焊縫的合金損失降低,熔深同時緩慢減小,同時,焊縫區(qū)域深寬比并沒有隨著激光功率或者焊接速度的改變而單調(diào)變化。

焊縫區(qū)域深寬比是衡量焊接質(zhì)量的重要因素,其值越大,所得焊縫焊接質(zhì)量越好,為獲得深寬比較大的焊縫,激光功率和焊接速度的合理匹配是關(guān)鍵。試驗(yàn)結(jié)果表明,在其他工藝參數(shù)不變的情況下,激光功率和焊接速度比值,即激光焊接的線能量(P/v),代表了焊縫上單位面積接受激光照射的能量,它是影響熔池溫度、熔化深度及熔池冷卻速度的主要因素。

此外,由于密封性能的要求,焊縫光斑重復(fù)率(P OR)是決定性參數(shù)。從圖9中同時考慮到脈沖寬度、脈沖頻率及光斑直徑等因素影響[9],一般可由以下公式計算得出：

式中,w為光斑直徑;v為焊接速度;tf為單脈沖持續(xù)時間;tp為脈沖寬度。

圖9 焊縫光斑疊加示意圖

由此可知,在單脈沖能量一致情況下,脈沖頻率與焊接速度是影響焊縫密封性能的重要因素。

在本試驗(yàn)條件下,考慮密封焊接質(zhì)量,兼顧焊縫區(qū)域深寬比最優(yōu)的需求,由圖7、圖8的試驗(yàn)結(jié)果分析可以得出,采用激光功率為80W、焊接速度為400mm/min的焊接參數(shù)使得深寬比大且能較好滿足密封性能影響。

2.4 離焦量對焊縫成形的影響

離焦量是指激光焦點(diǎn)相對于被焊工件表面的位置。對于超薄材料的密封焊接,所需熔深較小,采用負(fù)離焦易造成燒穿、飛濺等現(xiàn)象,而適當(dāng)?shù)恼x焦則可以實(shí)現(xiàn)牢固美觀的焊縫。

本文分別采用了4組不同正離焦進(jìn)行試驗(yàn),離焦量范圍為0～2.5mm,其他工藝參數(shù)與表2保持一致,試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 離焦量對焊縫熔深和熔寬的影響

由圖10可以看出,在激光功率與焊接速度一定的情況下,隨著離焦量的增大,焊縫的熔深減小,同時熔寬在增大,焊縫均沒實(shí)現(xiàn)完全焊透現(xiàn)象。針對焊縫形貌美觀及密封性能要求,離焦量選用0～1mm之間可以得到較好焊縫形貌。

2.5 保護(hù)氣體對焊縫成形的影響

隨著溫度升高,鈦吸收氣體的能力增強(qiáng)。為防止空氣中 N 2、O2、H 2的污染,焊接時要求對焊接區(qū)及溫度高于400℃的區(qū)域進(jìn)行惰性氣保護(hù)。對于氣體保護(hù)的研究主要集中在如何獲得穩(wěn)定均勻的同軸氣流,一部分研究人員利用特殊噴嘴結(jié)構(gòu)吹出保護(hù)氣體,與激光束同軸噴出,作用到保護(hù)區(qū)域,另一部分則主要集中研究側(cè)吹氣體流量對焊縫成形的影響[10]。

試驗(yàn)中,采用雙路側(cè)向保護(hù)氣,為了能夠有效防止焊道因殘余熱量的存在而與空氣發(fā)生反應(yīng),采取焊縫后部跟蹤式的氣體保護(hù)方式,使得焊縫移動方向與氣體流動方向一致。同時采用合適的氣體流量來實(shí)現(xiàn)區(qū)域保護(hù)。文中分別采用三組不同流量氣體進(jìn)行了試驗(yàn),其他工藝參數(shù)與表2保持一致。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同氣體流量下焊縫形貌

由圖11可知：流量低于5L/min時,焊縫出現(xiàn)嚴(yán)重氧化,無法實(shí)現(xiàn)保護(hù);當(dāng)流量在15L/min時,焊縫表面呈現(xiàn)銀白色亮色,保護(hù)效果良好;當(dāng)流量處于30L/min時,焊縫表面紋理消失,呈粗糙狀。由此可見側(cè)吹氣體流量過大會造成焊縫熔池不穩(wěn)定,影響焊縫質(zhì)量。因此,當(dāng)側(cè)吹氣體流量為15L/min時,焊縫保護(hù)效果和成形質(zhì)量最好。

2.6 激光焊接后接頭組織分析

根據(jù)GB4342-84標(biāo)準(zhǔn)要求對焊接接頭進(jìn)行顯微維式硬度檢測。試驗(yàn)選用激光功率80W,焊接速度400mm/min,離焦量為0.5mm,15L/min氬氣保護(hù)氣體密封焊接。檢測前,對試樣進(jìn)行相應(yīng)的拋光處理,便于硬度的精確測量;自焊縫中心位置起向兩側(cè)每隔0.01mm為一個測試點(diǎn),共進(jìn)行了20組測量。檢測結(jié)果如圖12所示。

檢測結(jié)果表明,顯微硬度自基體材料經(jīng)熱影響區(qū)到焊縫區(qū)域呈增強(qiáng)趨勢,即是焊縫區(qū)域的硬度得到增強(qiáng),焊縫區(qū)域硬度相對熱影響區(qū)與基體材料要高。

隨后,焊縫區(qū)域的掃描電鏡試驗(yàn)進(jìn)一步印證顯微硬度測試結(jié)果。激光焊接接頭橫截面可以清楚地區(qū)分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。如圖13所示,母材組織基本是由100%密排六方或者說α型鈦組成,僅有很少量β相,這種組織決定了TA 0具有良好的塑性。隨著距焊縫距離的增大,熔合區(qū)和熱影響區(qū)受熱循環(huán)影響不同而呈現(xiàn)梯度組織結(jié)構(gòu)。焊縫組織基本上為呈針狀的α相魏氏組織,并有很少量β基體;熱影響區(qū)域呈現(xiàn)魏氏組織結(jié)構(gòu)及晶內(nèi)片狀α,以及針狀馬氏體。激光焊接經(jīng)過快速的加熱冷卻過程,而母材自身傳熱較差,焊縫區(qū)域快速冷卻形成魏氏組織甚至馬氏體組織,使得焊縫及熱影響區(qū)顯微硬度明顯高于母材。

圖12 焊縫中心附近顯微硬度測試

圖13 母材與焊縫區(qū)域SEM圖像

2.7 密封性能檢測試驗(yàn)

為保證試樣密封性能,試樣完成焊接之后,都要進(jìn)行密封性能測試試驗(yàn)。本文采用上述工藝參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果,采用平穩(wěn)的脈沖波形、激光功率80W、焊接速度 400mm/min、離焦量 0.5mm、流量15L/min的保護(hù)氣體等參數(shù)的情況下,分別進(jìn)行了6組鈦殼的封裝焊接。焊接完成試樣,并采用氦質(zhì)譜儀分別對試樣進(jìn)行檢漏,檢測漏率均不高于1.0×10-9Pa?m3/s,低于設(shè)計要求,故而滿足置于人體器件的密封性能。

3 結(jié)論

(1)在合適的工藝參數(shù)下,超薄鈦殼的激光密封焊接能獲得較為美觀的焊縫,焊縫均勻,無明顯缺陷。

(2)對0.3mm厚的超薄鈦殼進(jìn)行密封焊接,采用平穩(wěn)的脈沖波形、激光功率80W、焊接速度400mm/min、離焦量為0.5mm和15L/min保護(hù)氣體等工藝參數(shù)下,可獲得滿足密封和機(jī)械性能要求的焊縫。

(3)超薄鈦板脈沖激光焊接后焊縫組織呈針狀的α相魏氏組織;熱影響區(qū)組織呈六方α相為主,同時分布有部分針狀α相。這種組織提高了接頭的性能。

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