TC4鈦合金雙光束激光填絲焊成型工藝研究

朱曉歐

（遼寧理工學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

焊接技術(shù)在許多領(lǐng)域都起到非常重要的作用，但隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)的焊接工藝越來越滿足不了人們生產(chǎn)、生活的需要，人們利用鈦金屬穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，良好的耐高溫、耐低溫、抗強(qiáng)酸、抗強(qiáng)堿，以及高強(qiáng)度、低密度等特點(diǎn)，發(fā)明了一種TC4鈦合金雙光束激光填絲焊成型工藝，這種工藝在航空航天、汽車、石油化工、醫(yī)藥、造船等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

它較傳統(tǒng)的焊接成形工藝操作更簡便，焊接速度更快、效率更高，且經(jīng)過此工藝處理過的縫隙表面更平整、美觀，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝存在的焊縫連接不完整、邊緣咬邊、根部不規(guī)則、氣孔、裂紋等不足之處，更重要的一點(diǎn)就是能夠減小激光自熔焊對(duì)毛坯和夾具裝配精度的要求，降低了焊接成本，節(jié)約了資源。

本文利用激光填絲焊接方法，對(duì)TC4鈦合金雙光束激光填絲焊成型工藝進(jìn)行深入研究，以期為焊接工藝的發(fā)展和創(chuàng)新提供一些借鑒和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及工藝

文章中所準(zhǔn)備的試驗(yàn)材料有：0.5毫米厚的鈦合金板材，并把其加工、處理成長10厘米、寬5厘米的長條狀；直徑為1毫米的TC4鈦合金焊絲，輔助兩塊板材的焊接；在把兩塊板材進(jìn)行焊接之前需要利用化學(xué)試劑對(duì)其進(jìn)行清洗，去除表面的污漬和氧化膜，然后烘干備用。試驗(yàn)中采用激光填絲焊接系統(tǒng)，激光器為IPG-YLS 4kW光纖激光器，焦距為100毫米的激光雙光束焊接頭、波長為1000納米，最小光斑直徑0.5毫米。

此外，還要把送絲嘴和保護(hù)氣噴嘴以一定角度固定在激光頭上，然后以前置送絲的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中要注意的一點(diǎn)是需要?dú)錃獾妮o助，來保護(hù)熔池和焊縫不被高溫破壞[2]。

圖1 TC4鈦合金雙光束激光填絲焊示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 填充焊絲對(duì)焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的影響

TC4焊絲的穩(wěn)定性較強(qiáng)，可以對(duì)焊接過程起到“保駕護(hù)航”的作用，在一定程度上可以加速焊接縫隙的成形。焊接過程中，填充材料的使用，很好的阻止了焊接裂紋的形成。不同送絲速度下雙光束激光填絲焊接頭的焊縫成形情況。不同的送絲程度下，焊縫成形的情況可以得出，用傳統(tǒng)方法把兩塊板材焊接到一起時(shí)，焊縫表面凹凸不平，存在較多的氣孔，且存在嚴(yán)重的下塌和裂紋現(xiàn)象。但是在加入焊絲之后，就彌補(bǔ)了傳統(tǒng)焊接工藝的不足，表面比較平整，沒有氣孔，且無裂紋生成。試驗(yàn)結(jié)果表明：在參數(shù)數(shù)值不變的基礎(chǔ)上，無論怎么調(diào)整送絲速度，都能獲得成形較好的焊縫。填絲焊試片經(jīng)x射線探傷，內(nèi)部氣孔情況均滿足Q/QJB222-2013標(biāo)準(zhǔn) I級(jí)[3]。

2.2 激光功率對(duì)焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的影響

要想測試激光功率對(duì)焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的影響，首先除了激光功率大小的不同外，要保證其余所有參數(shù)條件都相同。

不同功率下雙光束激光填絲焊接頭的焊縫成形情況。激光功率的不同會(huì)對(duì)熔深和焊接的穩(wěn)定性造成影響，從而對(duì)兩塊板材之間的焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量造成影響。當(dāng)激光功率的大小在3.4kW時(shí)，所產(chǎn)生的能量不滿足焊接條件，出現(xiàn)了未焊透的情況，導(dǎo)致極易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象[4]。當(dāng)激光功率過大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致焊縫下塌且高度不夠，影響正常使用。

激光功率的大小必須調(diào)整到恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光功率是3.8 kW功率時(shí)，進(jìn)行焊接，焊縫成形率較高，且形狀良好，沒出現(xiàn)下塌，不平整等情況。對(duì)外部觀察完，還需要利用X射線對(duì)焊縫的內(nèi)部情況進(jìn)行探查，探查結(jié)果發(fā)現(xiàn)已經(jīng)焊透的焊縫內(nèi)，氣孔數(shù)量較少，符合Q/QJB222–2013一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而未焊透的焊縫內(nèi)氣孔較多，焊接質(zhì)量只能達(dá)到Q/QJB222-2013的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 焊接速度對(duì)焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的影響

焊接速度也是影響焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，因?yàn)楫?dāng)焊接速度出現(xiàn)快慢的差別時(shí)，產(chǎn)生的熱輸入量也會(huì)不同。

不同焊接速度下接頭焊透所需的最小激光能量及焊縫成形情況。當(dāng)焊接速度為1.2m/min時(shí)，產(chǎn)生的最小功率為3.3kW，焊縫的成形情況，下塌現(xiàn)象嚴(yán)重，其原因就是速度過低，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱能量較小，造成了熔池又不僅大還寬，因此使得會(huì)熔化出的過多的金屬量，給熔池造成了太大的壓力，超出了其承載量，表面張力就會(huì)很難固定住熔池中的液態(tài)金屬，最后下滑，導(dǎo)致焊縫塌陷嚴(yán)重[5]。但是只要控制好焊接速度就不會(huì)出現(xiàn)這種情況，當(dāng)焊接速度在2.4 m/min和3.6 m/min時(shí)，焊縫的成形情況良好，基本能滿足人們的需要。

2.4 離焦量對(duì)焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的影響

離焦量就是焦點(diǎn)離作用物質(zhì)間的距離，離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響很大。因?yàn)殡x焦量主要會(huì)對(duì)兩塊板材表面的激光光斑大小產(chǎn)生影響，從而間接影響焊接熔深的深度、焊縫熔寬的寬度以及焊縫橫截面形狀的生成。不同離焦量下激光雙光束填絲焊連續(xù)焊透所需的最小激光能量及焊縫成形情況。當(dāng)離焦量設(shè)置為-2mm時(shí)，焊接完成后，焊透的功率最小，焊縫的成形情況較好，表面平滑，品質(zhì)較高。

其較成功的原因是-2mm為負(fù)離焦，其材料的內(nèi)部功率密度會(huì)比表面密度高，會(huì)對(duì)板材的焊縫周圍造成更強(qiáng)的熔化和氣化，使激光能量能傳遞到板材內(nèi)部的更深處，因此用較小的離焦量就能獲得更大的熔深，最后焊縫成形質(zhì)量較好，滿足了人們的需求。

而當(dāng)離焦量為+2 mm的正離焦時(shí)，產(chǎn)生的焊透功率過大，導(dǎo)致熔化的金屬量加大，超出了焊縫的承載量，不但不能焊透，反而加大了焊縫的熔寬度，最后使得焊縫的正面幾乎沒有余高。此外，需要X射線對(duì)其焊縫內(nèi)部進(jìn)行探傷，其探傷結(jié)果是，無論離焦量多大，都不會(huì)對(duì)焊縫內(nèi)部造成較大的影響，內(nèi)部產(chǎn)生的氣孔情況均滿足Q/QJB222-2013標(biāo)準(zhǔn)工級(jí)。

2.5 光斑間距對(duì)焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的影響

光斑間距會(huì)對(duì)焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量產(chǎn)生影響，試驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)果表明，隨著光斑間距的不斷加大，所需要的焊透功率就越大，從而所需要的能量也就越大。

產(chǎn)生這種情況的原因是光斑間距與激光功率的密度成反比，當(dāng)光斑間距加大時(shí)，激光功率就會(huì)減小，從而導(dǎo)致激光穿透能力就會(huì)弱下來，因此光斑間距的距離也是有一定限制的，一旦超過0.3 mm后，焊縫的成形質(zhì)量就會(huì)降低，焊縫中心會(huì)出現(xiàn)凹陷。而采用傳統(tǒng)的焊接工藝進(jìn)行焊接，氣孔較多，焊縫成形質(zhì)量低，只達(dá)到了Q/QJ B222 -2013的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的焊接工藝顯然不能滿足人們的需要，因此需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化、創(chuàng)新。文章對(duì)TC4鈦合金雙光束激光填絲焊成型工藝進(jìn)行了研究，探討了在不同的條件下對(duì)焊縫成形情況的影響，結(jié)論如下：與傳統(tǒng)工藝相比，利用TC4鈦合金雙光束激光填絲焊成型工藝焊接板材后，其焊接表面平滑，成形狀況良好，對(duì)其影響因素有激光功率、焊接速度以及光斑間距。此外雙光束填絲焊也能有效抑制裂紋的產(chǎn)生。與單光束填絲焊相比，雙光束填絲焊可以減少焊縫內(nèi)部氣孔的數(shù)量。

[1]張萍,劉德波,師建行,等.TIG增材制造TC4鈦合金力學(xué)性能及工藝參數(shù)的影響規(guī)律[J].焊接,2015,35(10):45-48.

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[4]程?hào)|海,范朝,陳益平,等.置氫TC4鈦合金激光焊接接頭縱向焊縫超塑變形性能研究[J].稀有金屬材料與工程,2017,67(2):515-519.

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