工業(yè)純鈦激光自熔焊接工藝及氣孔形成機理研究

張 峰,杜永勤,祝曉輝,李瑞峰,葉昕寧,祁 凱

(1.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003) (2.南京寶色股份公司, 南京211178)

商業(yè)純鈦中應(yīng)用最為廣泛的是工業(yè)純鈦TA2,其具有優(yōu)異的耐蝕性和比強度,特別是對氯離子具有較強的耐蝕性[1]．在與氯離子接觸的設(shè)備中,為了避免接觸部分發(fā)生腐蝕,對材料的選擇非常嚴格．因此,使用工業(yè)純鈦TA2作為設(shè)備制造的原材料,不僅可以延長設(shè)備壽命還能降低維護成本,具有較高的經(jīng)濟意義．

目前,鈦及鈦合金的焊接一般采用鎢極氬弧焊、等離子弧焊和激光焊等[2-4],由于激光焊接具有能量集中、熱輸入小、焊縫成形好、生產(chǎn)效率高等顯著優(yōu)勢[5],因此,激光焊接必將成為鈦及鈦合金焊接研究今后的主導(dǎo)方向[6]．但激光焊接接頭中氣孔的存在是激光焊接中較為常見的缺陷,文獻[7]研究激光焊接不銹鋼時發(fā)現(xiàn),焊縫內(nèi)部氣孔形成的主要原因是從熔池上方和底部卷入空氣所致,提出加強正面保護和采用背面止口的辦法來消除氣孔．文獻[8]對鋁合金激光深熔焊氣孔形成機理進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋁合金激光自熔焊焊縫中存在分布特征和形貌特征不同的兩類氣孔,即冶金類氣孔和工藝類氣孔．文獻[9]對鈦合金激光未穿透焊氣孔形成的機理進行了研究,根據(jù)氣孔的位置分布及尺寸大小,提出將鈦合金激光焊接氣孔分為I型氣孔和II型氣孔,并闡述了未穿透激光焊接過程中I型氣孔形成的機理．文獻[10]研究了鈦合金在熔化焊過程中形成氣孔的機理,發(fā)現(xiàn)即使在焊縫中氫含量很高,當(dāng)焊接時,焊接參數(shù)進行優(yōu)化和對接接頭端面完美對齊,焊縫中產(chǎn)生的氣孔可以得到控制．國內(nèi)外對激光焊接鈦合金過程中產(chǎn)生氣孔問題[11-12]的研究較多,但對工業(yè)純鈦激光自熔焊的基礎(chǔ)性研究較少,且尚無關(guān)于其過程中產(chǎn)生氣孔問題的相關(guān)報道．

文中采用光纖激光焊接自熔焊對接2 mm厚的工業(yè)純鈦TA2,觀察焊縫中氣孔分布和形貌特征,研究不同工藝參數(shù)下焊縫對氣孔的敏感性規(guī)律以及氣孔形成機理,為控制TA2激光自熔焊焊縫的氣孔率提供理論依據(jù),從而達到提高焊接接頭性能的目的．

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用工業(yè)純鈦TA2,幾何尺寸為120 mm×60 mm×2 mm,化學(xué)成分如表1．試驗前,對試樣表面的氧化膜及油污進行處理,本實驗同時采用機械清理和化學(xué)清理,先用不銹鋼鋼絲打磨清理鈦材表面氧化物,使之表面為銀白色,再用丙酮清洗,最后用酒精沖洗并烘干待用．將清理后待焊對接試板放置于焊接平臺上,并用焊接夾具固定好,進行激光焊接試驗,如圖1．

表1 工業(yè)純鈦TA2的化學(xué)成分

圖1 工業(yè)純鈦TA2激光焊接示意圖

1.2 試驗設(shè)備及方法

本試驗采用的激光器為IPG公司生產(chǎn)的YLS-6000-S2T型光纖激光器,其輸出功率最大可達6 000 W,工作穩(wěn)定性小于2%,輸出的激光波長為1 075±5 nm,焦距為310 mm,焦點處的光斑直徑為350 μm．試驗中保護氣采用純度99.99%氬氣,保護方式為正面保護和背面保護,正面為四管同時側(cè)吹保護,增加焊后焊縫高溫區(qū)免受污染,背面為雙側(cè)進氣層流保護．

試驗采用激光自熔焊對接的焊接形式,激光焊接工藝參數(shù)如表2,焊后對每道對接焊縫沿垂直于焊接方向線選取3個不同的位置切割,經(jīng)研磨、拋光后制備成分析試樣,腐蝕劑為氫氟酸硝酸溶液(HF ∶HNO3∶H2O=2 ∶1 ∶17)．借助金相顯微鏡、超景深三維顯微分析系統(tǒng)VHX-900對焊縫橫截面宏觀形貌進行觀察,分析氣孔分布及形貌特征,并計算出不同工藝參數(shù)下焊縫的平均氣孔率(氣孔率是指焊縫橫截面內(nèi)氣孔面積占焊縫橫截面中心區(qū)域面積的百分比)．通過CAD軟件測算氣孔直徑及焊縫橫截面中心區(qū)域面積．采用JSM-6480型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察氣孔的內(nèi)壁特征．

表2 TA2板材激光焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊縫氣孔分布與形貌特征分析

工業(yè)純鈦TA2激光自熔焊對接接頭變形小,焊縫較窄,在肉眼觀察下焊縫表面連續(xù)均勻,成形良好,表面無任何裂紋及氣孔,且顏色為銀白略淡黃色,背面銀白色．從試樣1得到的焊縫橫截面,通過超景深三維顯微鏡觀察宏觀形貌得到TA2焊縫中的氣孔分布圖,如圖2,可以看出,激光自熔焊工業(yè)純鈦TA2焊縫中分布著比較規(guī)則的圓形氣孔,主要沿著焊縫中下部熔合線附近分布,而靠近焊縫底部的氣孔較小,氣孔的尺寸范圍是從50～200 μm，極少發(fā)現(xiàn)更大尺寸的氣孔．

圖2 TA2焊縫中的氣孔分布

通過金相顯微鏡對焊縫橫截面進行觀察,可以看出焊縫中氣孔呈較規(guī)則的圓形和橢圓形,如圖3．

圖3 TA2焊縫中圓形和橢圓形氣孔

圖4為焊縫中氣孔的掃描電鏡微觀組織形貌,從圖中可以發(fā)現(xiàn),焊縫中氣孔較規(guī)則的圓形氣孔,且氣孔內(nèi)壁較光滑．在激光焊接過程中產(chǎn)生氣孔有兩種途徑:一種是由于激光束引起熔池金屬劇烈波動,引起熔池匙孔瞬間失穩(wěn)而產(chǎn)生的工藝類氣孔;另一種是激光焊接在焊縫金屬冷卻過程中,由于氫的溶解度急劇下降析出氫氣,而激光焊接本身具有快速冷卻凝固的特征,使析出的氫氣孔來不及逸出而存在于焊縫中．從圖中可以觀察到,焊縫中的氣孔產(chǎn)生于后者,符合氫氣孔所具有的特征,形狀規(guī)則、尺寸較小以及內(nèi)壁光滑等特點．

圖4 焊縫中氣孔的SEM形貌

圖5為氫在高溫鈦中的溶解度曲線[13]．由前文可知,激光焊接工業(yè)純鈦TA2焊縫中氣孔一般分布在焊縫中下部熔合線附近,主要原因是這種氣孔的形成與氫在鈦中的溶解度密切相關(guān)．從圖5中可以發(fā)現(xiàn),氫在鈦中的溶解度隨溫度升高而降低．氫在鈦中溶解度在鈦的凝固點1 668 ℃附近有一個陡降,降低約140 mL/100g．激光焊接工業(yè)純鈦TA2的冷卻過程為非平衡結(jié)晶過程,鈦在熔融狀態(tài)時,由于冷卻速度較快,氫的溶解度差引起氫的析出較少,氣泡數(shù)量少,也可能有少量氣泡來不及逸出造成氣孔存在．當(dāng)熔池溫度降到凝固點時,由于溶解度的陡降,氫析出量較多,因熔池邊緣溫度較低,比熔池中部對氫有更高的溶解度,熔池中部的氫容易向熔池邊緣擴散,故熔合線附近容易為氫過飽和而產(chǎn)生氫氣孔,如圖2．氫氣孔存在于焊縫中下部的原因是:一方面,由于氫氣泡體積小,浮力相對較小,逸出速度較低．而液態(tài)鈦凝固時,隨著冷卻溫度快速下降,導(dǎo)致鈦金屬粘度急劇加大,使氫氣泡難以浮出;另一方面,板材下部與工裝面接觸,導(dǎo)致板材下部散熱快,冷卻速度大,進一步使氫氣泡來不及上浮逸出．所以在焊縫中下部沿熔合線附近發(fā)現(xiàn)氫氣孔存在．

圖5 氫在高溫鈦中的溶解度曲線

2.2 激光功率對氣孔的影響

采用焊接速度為30 mm/s,激光功率為1.75～2.5 kW,對TA2進行激光自熔焊對接驗．試驗前,對待焊工件表面進行清理,排除油脂、水分和氧化物等污染因素對氣孔產(chǎn)生的影響．試驗時均使用氬氣作為保護氣體,正面氬氣流量為50 L/min,背面氬氣流量為20 L/min,激光光束離焦量0．焊后所得TA2焊縫表面成形均良好．試驗結(jié)束后,借助超景深三維顯微鏡對截取4組不同激光功率下3個位置的橫截面進行觀察,并通過CAD軟件測算出4組不同激光功率條件下焊縫的平均氣孔率,結(jié)果如圖6．

由圖6可以看出,當(dāng)激光功率為1.75 kW時,焊縫的平均氣孔率較小,其值為6.32%,因為此時激光功率較低,熔池存在的時間較短,因此氫的擴散不充分,部分氣泡核雖存在但來不及長大形成氣泡,所以焊縫中平均氣孔率較小;隨著激光功率升高到2.0 kW時,熔池液相存在的時間逐漸增長后,氫向氣泡核擴散,有利于氣泡的形成,于是焊縫的平均氣孔率呈上升趨勢,并出現(xiàn)峰值,其值為8.98%;進一步提高激光功率,即焊縫的熱輸入增加,熔池液相存在時間得到進一步延長,從而有利于焊縫中的氣泡逸出熔池，所以焊縫的平均氣孔率急劇降低；當(dāng)激光功率升至2.5 kW時,焊縫的平均氣孔率出現(xiàn)最小值,其值為0.51%．

2.3 焊接速度對氣孔的影響

采用激光功率為2.0 kW,焊接速度分別為25、30、35和40 mm/s,并測算TA2焊縫的平均氣孔率,結(jié)果如圖7．

由圖7可以看出,當(dāng)焊接速度為25 mm/s時,焊縫的平均氣孔率較小,通過測量其數(shù)值為2.18%,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:當(dāng)焊接速度較慢時,即焊縫的熱輸入較大,在熔池冷卻過程中,液態(tài)鈦凝固速度較慢,從而熔池液相存在時間較長,熔池中存在的氫有足夠的時間完成氣泡的形核、長大,并有利于大多數(shù)氣泡上浮逸出熔池,最終殘留在焊縫中的氫氣孔較少;隨著焊接速度的提高,即焊縫的熱輸入變小,液態(tài)鈦凝固速度逐漸變快,熔池中存在的氣泡很難來得及上浮逸出,最終只能殘留在焊縫內(nèi)部形成氫氣孔,于是焊縫的平均氣孔率有明顯上升趨勢；當(dāng)焊接速度為30 mm/s時,焊縫的平均氣孔率達到最大值,其數(shù)值為8.98 %;而隨著焊接速度的進一步提高,焊縫的平均氣孔率呈下降趨勢,這是由于焊接速度不斷增加,焊縫熱輸入繼續(xù)變小,導(dǎo)致熔池液相存在的時間縮短,熔池中存在的氫來不及擴散聚集成氣泡就被凝固在焊縫中,此時生成氫氣孔的傾向反而減小,當(dāng)焊接速度為40 mm/s時,焊縫的平均氣孔率降到最小值,為1.05%．

2.4 焊縫中氣孔形成影響因素分析

在焊接過程中,對于焊縫中形成的氫氣孔而言,氫可能來自母材、保護氣和空氣中的水分以及焊件表面氧化膜等．另外,影響氫氣泡的形核、長大、逸出的因素都會影響焊縫中氣孔的形成[14]．而氫的擴散程度增加引起生成氣孔傾向增大以及熔池液相存在時間越久引起生成氣孔的傾向反而減小是TA2焊縫的平均氣孔率的主要控制因素．

當(dāng)熱輸入較小時,此時熔池液相存在時間短,氫來不及擴散聚集成氣泡,從而焊縫的平均氣孔率較低．因此,在這一階段,適當(dāng)增加焊接速度或降低激光功率,焊接熱輸入相應(yīng)減小,氫在焊縫中由焊縫向近縫區(qū)擴散程度及靠近熔合線的固態(tài)母材中的氫向熔池擴散程度[15]都減小,即使有氣泡核存在,也來不及長大形成氣泡,因此焊縫的平均氣孔率逐漸降低,如圖8．此時焊縫的平均氣孔率受氫的擴散程度的控制．

當(dāng)熱輸入較大時,此時熔池液相存在時間長,氫有充足的時間向氣泡核擴散并長大成為氣泡上浮逸出,從而焊縫的平均氣孔率較低．因此,在這一階段,適當(dāng)增加焊接速度或降低激光功率,焊接熱輸入則相應(yīng)減小,熔池液相存在時間也相應(yīng)減小,大量氣泡來不及逸出熔池而留在熔合線附近,因此焊縫的平均氣孔率逐漸升高,如圖8．此時焊縫的平均氣孔率受熔池液相存在時間的控制．

在以上兩種控制因素的共同作用下,文中焊接熱輸入在50～66.67 J/mm時,焊縫的平均氣孔率呈上升趨勢,此時焊縫的平均氣孔率受氫的擴散程度的控制;焊接熱輸入在66.67～83.33 J/mm之間時,焊縫的平均氣孔率呈逐漸下降趨勢,此時平均焊縫的氣孔率受熔池液相存在時間的控制;而在焊接熱輸入為66.67 J/mm時,這兩種控制因素都有利于氣孔形成,因而焊縫的平均氣孔率最高,達到了8.98 %．

圖8 焊縫的平均氣孔率影響因素率

3 結(jié)論

(1) 工業(yè)純鈦TA2焊縫中氣孔一般分散存在,主要沿著焊縫中下部熔合線附近分布,其形狀呈規(guī)則的圓形或橢圓形、尺寸小、內(nèi)壁較光滑,符合氫氣孔的特征,氣孔的形成與氫在鈦中的溶解度密切相關(guān)．

(2) 當(dāng)焊接速度一定時,隨著激光功率的增大,焊縫的平均氣孔率呈先上升后下降的趨勢．當(dāng)激光功率一定時,隨著焊接速度的增大,焊縫的平均氣孔率呈先明顯上升后下降的趨勢．當(dāng)激光功率為2.0 kW,焊接速度為30 mm/s時,焊縫的平均氣孔率達到最大值8.98%．

(3) 2 mm厚TA2的焊縫平均氣孔率由兩種控制因素決定,首先是氫的擴散程度增加引起生成氣孔傾向增大,另一方面是熔池液相存在時間越久引起生成氣孔的傾向反而減小;當(dāng)焊接熱輸入為66.67 J/mm時,這兩種控制因素都有利于氣孔形成,焊縫的平均氣孔率達到最大值8.98%．

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