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，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，更重要的一點就是能夠減小激光自熔焊對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 試驗材料及工藝

文章中所準(zhǔn)備的試驗材料有：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，試驗過程中要注意的一點是需要氫氣的輔助，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 試驗結(jié)果及分析

2.1 填充焊絲對焊縫成形和內(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，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[3]。

2.2 激光功率對焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的影響

要想測試激光功率對焊縫成形和內(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。激光功率的不同會對熔深和焊接的穩(wěn)定性造成影響，從而對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，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，也會出現(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，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。對外部觀察完，還需要利用X射線對焊縫的內(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的三級標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 焊接速度對焊縫成形和內(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，因為當(dāng)焊接速度出現(xiàn)快慢的差別時，產(chǎn)生的熱輸入量也會不同。

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，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出現(xiàn)這種情況，當(dāng)焊接速度在2.4 m/min和3.6 m/min時，焊縫的成形情況良好，基本能滿足人們的需要。

2.4 離焦量對焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的影響

離焦量就是焦點離作用物質(zhì)間的距離，離焦量對焊接質(zhì)量的影響很大。因為離焦量主要會對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，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)部功率密度會比表面密度高，會對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，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，都不會對焊縫內(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。

2.5 光斑間距對焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量的影響

光斑間距會對焊縫成形和內(nèi)部質(zhì)量產(chǎn)生影響，試驗產(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，激光功率就會減小，從而導(dǎo)致激光穿透能力就會弱下來，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)量就會降低，焊縫中心會出現(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的二級標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的焊接工藝顯然不能滿足人們的需要，因此需要對其進(jìn)行優(yōu)化、創(chuàng)新。文章對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.

[2]趙曉龍,王彬,何恩光.2.0mm厚TC4鈦合金激光焊接接頭組織與力學(xué)性能研究[J].熱加工工藝,2017,42(9):209-211.

[3]肖振楠,劉婷婷,廖文和,等.激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金熱處理后微觀組織和力學(xué)性能[J].中國激光,2017,44(9):81-89.

[4]程東海,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.

[5]劉浩東,胡芳友,崔愛永,等.超聲跨態(tài)處理對TC4鈦合金激光焊縫組織晶粒度的影響[J].中國激光,2016,20(8):117-123.