工業(yè)純鈦TA2板激光焊接工藝

李興宇 ，李 芳 ，2，華學(xué)明 ，2，王 敏 ，2

（1.上海交通大學(xué)上海市激光制造及材料表面改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.先進(jìn)船舶與深海勘探協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240）

0 前言

由于水資源的稀缺，海水淡化已成為21世紀(jì)我國(guó)的一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)。在海水淡化裝置中，換熱器、傳熱管至關(guān)重要，這些部件的傳統(tǒng)用材不銹鋼、鎳基合金、銅合金等不能完全滿足服役環(huán)境耐蝕、力學(xué)性能及輕質(zhì)化要求，而工業(yè)純鈦TA2具有優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的塑韌性和較高的比強(qiáng)度，成為海水淡化裝置熱換器的首選材料[1-2]。目前在實(shí)際生產(chǎn)中，純鈦的焊接多采用TIG焊，但是焊接速度較慢導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低，且TIG焊接接頭組織粗大，塑性大幅下降。而激光焊接具有熱輸入量小、焊接速度快、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且焊接鈦時(shí)具有相當(dāng)?shù)娜嵝?，因此有必要進(jìn)行工業(yè)純鈦的激光焊研究。在此對(duì)0.9 mm工業(yè)純鈦TA2板進(jìn)行激光焊接工藝研究，以獲得激光功率、焊接速度、離焦量和激光入射角度對(duì)成形的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為0.9 mm工業(yè)純鈦TA2薄板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 工業(yè)純鈦TA2化學(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為IPG YLS-10000多模光纖激光器和KUKA KRC2焊接機(jī)器人，焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，采用側(cè)吹氬氣和背部開(kāi)保護(hù)氣槽的方式對(duì)焊接區(qū)域正面和背面進(jìn)行保護(hù)，焊接過(guò)程如圖2所示。

圖1 焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 焊接過(guò)程示意

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 焊前清理

實(shí)驗(yàn)前，利用剪板機(jī)將母材切割成200 mm×60 mm的板材，由于鈦具有較高的活性，母材表面會(huì)附著一層氧化膜，并且由于板材表面會(huì)附著油污，若在焊接過(guò)程中進(jìn)入焊縫會(huì)造成熔合不良、接頭強(qiáng)度損失等問(wèn)題，因此需對(duì)母材進(jìn)行嚴(yán)格的焊前清理。具體步驟為：①利用高速旋轉(zhuǎn)的鋼絲輪打磨母材表面，直至露出金屬光澤；②將母材放在3%HF+30%HNO3+67%H2O溶液中酸洗；③用清水清洗干凈母材表面，再在烘干箱中100℃×1 h烘干。

1.3.2 焊接工藝實(shí)驗(yàn)

在前期工藝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光功率、焊接速度、離焦量和激光入射角度對(duì)焊縫成形均有一定的影響，因此利用正交試驗(yàn)法來(lái)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程[3-4]，以研究各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表2～表4所示。

表2 正交試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)完成后根據(jù)表3中的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫接頭進(jìn)行評(píng)分，分別對(duì)每一個(gè)因素進(jìn)行單因素分析，以探究其對(duì)焊縫成形的具體影響。

表3 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表4 不同參數(shù)下的焊縫成形得

研究激光功率對(duì)焊縫成形的影響時(shí)，選定焊接速度5.1 m/min，離焦量+5 mm，激光入射角度+4°，激光功率分別為1400W、1600W、1 800 W、2000W、2200W、2400W、2600W和3000W；研究焊接速度對(duì)焊縫成形的影響時(shí)，選定激光功率2 000 W，離焦量+5mm，激光入射角度+4°，焊接速度分別為5.7 m/min、5.4 m/min、5.1 m/min、4.8 m/min、4.5 m/min、4.2 m/min；研究離焦量對(duì)焊縫成形的影響時(shí)，選定激光功率2 400 W，焊接速度4.8 m/min，激光入射角度+4°，離焦量分別為-1mm、+1 mm、+3mm、+5 mm、+7 mm、+9 mm；研究激光入射角度對(duì)焊縫成形的影響時(shí)，選定激光功率1 600 W，焊接速度4.8 m/min，離焦量+5 mm，激光入射角度分別為-8°、-4°、+4°、+8°。

1.3.3 焊后分析測(cè)試

實(shí)驗(yàn)完成后，利用線切割將焊縫沿橫截面切取15 mm×5 mm金相試樣，制作鑲塊，然后進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕，所用腐蝕試劑成分體積比為HF∶HNO3∶H2O=5∶10∶85，在光學(xué)顯微鏡下觀察分析焊縫形貌。

2 結(jié)果分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得出20條焊縫成形，其中為避免過(guò)于頻繁地調(diào)節(jié)離焦量和激光入射角度（減小誤差），以表4的順序依次進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，整理匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果和焊縫成形的評(píng)分，并根據(jù)不同參數(shù)下焊縫成形得分計(jì)算出得分綜合平均值和各因素影響的極差值。其計(jì)算方法以激光功率對(duì)成形的影響為例進(jìn)行說(shuō)明。

（1）綜合平均值的計(jì)算。

為了便于理解和分析，分別用ⅠA，ⅡA，ⅢA，ⅣA，ⅤA表示因素 A（激光功率）取第1、2、3、4、5 水平時(shí)相應(yīng)的焊縫成形得分之和，即

為了比較因素A不同水平激光功率的優(yōu)劣，引入 KA1，KA2，KA3，KA4，KA5，分別成為因素 A激光功率相應(yīng)水平的綜合平均值，其中

（2）極差的計(jì)算。

某一個(gè)因素不同水平的綜合平均值分布范圍越大，說(shuō)明該因素不同水平下焊縫成形得分的波動(dòng)較大，故該因素很可能是影響焊縫成形的主要因素；反之，若某個(gè)因素在不同水平下焊縫成形的得分變化不大，則該因素很可能對(duì)焊縫成形的影響不明顯。此處用極差來(lái)描述某一因素不同水平下焊縫成形得分的分散程度大小。同樣以因素A激光功率為例，用因素A的各個(gè)綜合平均值中的最大值減去最小值得到因素A的極差，用RA表示，即RA=KA5-KA1=3。

由表4可知，RA=RB=3最大，RC=1.75次之，RD=1.6最小，說(shuō)明激光功率和焊接速度對(duì)焊縫成形的影響最大，其次為離焦量，再次為激光入射角度。在后續(xù)的單因素實(shí)驗(yàn)分析時(shí)可以參考此順序，首先選定激光功率為研究變量，然后研究焊接速度等因素。

2.2 單因素分析

2.2.1 激光功率對(duì)成形的影響

在焊接速度5.1 m/min、離焦量+5 mm、激光入射角度+4°的情況下，改變激光功率所得的焊縫成形如圖3所示。

由圖3可知，隨著激光功率的增大，由1 400 W和1 600 W時(shí)的未焊透，到1 800 W時(shí)的臨界焊透，最后功率達(dá)到2 000 W后可全部焊透。這是因?yàn)樵谄渌麉?shù)不變的情況下，激光功率的增大代表著熱輸入量的增大。從各條焊縫的宏觀成形可以看出，在功率達(dá)到2 000 W時(shí)，雖然實(shí)現(xiàn)了全熔透，但出現(xiàn)非常嚴(yán)重的咬邊現(xiàn)象，而在激光功率繼續(xù)增大時(shí)，咬邊現(xiàn)象呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，直至功率增大到2 600 W時(shí)咬邊缺陷幾乎可以忽略，這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)電弧焊中咬邊缺陷的規(guī)律相反。分析認(rèn)為是由于小孔的存在，在剛好能焊透的功率下，熔池中心溫度與熔池邊緣溫度差別較小，中心和邊緣的表面張力差值較小，而該表面張力差值正是液態(tài)金屬向邊緣鋪展的動(dòng)力，加之此時(shí)沒(méi)有填充金屬，小孔向下挖掘的力相對(duì)較大，因此熔池產(chǎn)生塌陷，導(dǎo)致咬邊較為嚴(yán)重；而當(dāng)激光功率增大，熱輸入也增大，此時(shí)熔池中心表面張力減小，而熔池邊緣表面張力幾乎不變，因此表面張力差值增大，而形成小孔向下挖掘的力幾乎不變，故此時(shí)液態(tài)金屬更容易向焊縫兩邊鋪展，因此表現(xiàn)出咬邊現(xiàn)象減弱，直至幾乎沒(méi)有咬邊[5]。

2.2.2 焊接速度對(duì)成形的影響

在激光功率2 000 W、離焦量+5 mm、激光入射角度+4°的條件下，改變焊接速度所得的焊縫成形如圖4所示。

由圖4可知，開(kāi)始并未出現(xiàn)咬邊，當(dāng)焊接速度增大到4.5 m/min，出現(xiàn)明顯咬邊，一直增大至4.8 m/min時(shí)咬邊仍很?chē)?yán)重，而繼續(xù)增大焊接速度至5.4 m/min以上時(shí)則無(wú)法完全焊透。焊接速度較快時(shí)容易產(chǎn)生咬邊，這是因?yàn)楹附铀俣却髸r(shí)，熱輸入量小，冷卻速度快，液態(tài)金屬來(lái)不及向焊縫兩邊填充就已凝固，因此表現(xiàn)為較為嚴(yán)重的咬邊。

2.2.3 離焦量對(duì)成形的影響

在激光功率2 400 W、焊接速度4.8 m/min、激光入射角度+4°的條件下，改變離焦量所得的焊縫背面成形如圖5所示。

由圖5可知，負(fù)離焦量（-1 mm）時(shí)，背面飛濺量很大；而采用正離焦量進(jìn)行焊接時(shí)，背面飛濺明顯減少，并且隨著正離焦量的增大，背面飛濺越來(lái)越少，直至+5 mm時(shí)已基本無(wú)飛濺。粗略統(tǒng)計(jì)所選區(qū)域的飛濺個(gè)數(shù)，所得飛濺量對(duì)比如圖6所示。變化原因?yàn)椋寒?dāng)離焦量為-1 mm時(shí)，激光聚焦于薄板背面，使背面接收到的激光能量密度很大，背面金屬蒸發(fā)強(qiáng)烈，引起熔池底部劇烈波動(dòng)，產(chǎn)生大量飛濺，而隨著正離焦量的增大，作用于材料表面的激光束光斑直徑增大，激光能量密度減小，熔池波動(dòng)減小，飛濺減少。

圖3 不同激光功率的焊縫成形（焊接速度5.1 m/min，離焦量+5 mm，激光入射角度+4°）

圖4 不同焊接速度的焊縫成形（激光功率2 000 W，離焦量+5 mm，激光入射角度+4°）

圖5 不同離焦量的焊縫成形（激光功率2 400 W，焊接速度4.8 m/min，激光入射角度+4°）

圖6 飛濺量對(duì)比

2.2.4 激光入射角度對(duì)成形的影響

在激光功率1 600 W、焊接速度4.8 m/min、離焦量+5 mm的條件下，改變激光入射角度，所得焊縫成形如圖7所示。

圖7 不同激光入射角度的焊縫成形（激光功率1600W，焊接速度4.8 m/min，離焦量+5 mm）

可以看出，在其他工藝參數(shù)相同的情況下，當(dāng)激光前傾入射時(shí)，即激光入射角度分別為-4°或-8°時(shí)，出現(xiàn)未焊透的情況；但當(dāng)激光后傾入射時(shí)，即激光入射角度分別為+4°或+8°時(shí)，可以焊透。這是因?yàn)榧す馇皟A入射時(shí)，激光照射到小孔前壁，在小孔內(nèi)部形成多重反射，激光被充分吸收；而激光后傾入射時(shí)，激光在小孔內(nèi)部較難形成多重反射，激光吸收率低，如圖8所示。

3 結(jié)論

（1）在焊接速度、離焦量和激光入射角度一定的情況下，隨著激光功率的增大，從開(kāi)始的未焊透到實(shí)現(xiàn)全熔透，但全熔透后出現(xiàn)非常嚴(yán)重的咬邊現(xiàn)象；而在激光功率繼續(xù)增大時(shí)，咬邊現(xiàn)象反而開(kāi)始有減小趨勢(shì)。

（2）在激光功率、離焦量和激光入射角度一定的情況下，焊接速度較小時(shí)未出現(xiàn)咬邊，而當(dāng)焊接速度增大至4.5 m/min時(shí)，出現(xiàn)明顯的咬邊。焊接速度較快時(shí)容易產(chǎn)生咬邊是因?yàn)楹附铀俣却髸r(shí)，熱輸入量小，冷卻速度快，液態(tài)金屬來(lái)不及向焊縫兩邊填充就已凝固，因此表現(xiàn)為咬邊較為嚴(yán)重。

圖8 激光前傾后傾在小孔內(nèi)壁反射情況

（3）在激光功率、焊接速度和激光入射角度一定的情況下，采取負(fù)離焦量焊接時(shí)，背面飛濺量很大；而采取正離焦量進(jìn)行焊接時(shí)，背面飛濺明顯減少，并且隨著正離焦量的增大，背面飛濺越來(lái)越少，直至+5 mm時(shí)已基本無(wú)飛濺。

（4）在激光功率、焊接速度和離焦量一定的情況下，當(dāng)激光前傾入射時(shí)出現(xiàn)未焊透的情況，而當(dāng)激光后傾入射時(shí)卻可以焊透。這是因?yàn)榧す馇皟A入射時(shí)，激光照射到小孔前壁，在小孔內(nèi)部形成多重反射，激光被充分吸收；而激光后傾入射時(shí)，激光在小孔內(nèi)部較難形成多重反射，激光吸收率低。