單一氟化物對鈦合金激光焊的影響

許愛平， 董俊慧， 甄甄楊， 張藝程

(內蒙古工業大學，呼和浩特 010051)

0 前言

20世紀60年代，烏克蘭巴頓焊接研究所首次提出了A-TIG焊，即活性劑焊接技術[1-3]。20世紀90年代后, 活性焊接技術逐漸引起人們的廣泛關注，活性劑可以提高母材對激光的吸收能力，因此可以增加焊接熱輸入。活性劑也可以抑制等離子的產生。相比于傳統焊接，活性激光焊可以增加熔深的同時減小熔寬[4-5]。

TC4鈦合金具有密度小、比強度高及優異的綜合力學性能等，已被廣泛應用于航空航天、汽車、冶金、化工等領域[6-8]。但是激光焊對于鈦合金存在反射率大、能力損失問題、熔深不足等問題。于是有人有學者借鑒A-TIG 焊，將活性劑用于激光焊[9-11]。

1 試驗材料及方法

在焊接試驗中，使用5 mm 厚TC4鈦合金，加工母材尺寸為90 mm×30 mm×5 mm，對焊接試樣進行單道激光焊。選取單一氟化物NaF，Na2SiF6，YbF3并取適量的丙酮溶液，使兩者均勻混合調制成糊狀，然后利用扁平毛刷將配制好的活性劑涂覆在待焊試件表面。

2 試驗結果與討論

2.1 激光焊試驗

激光焊試驗的焊接工藝參數為焊接功率2 900 W、焊接速度0.05 mm/min、離焦量0 mm、保護氣流量15 L/min，圖1為活性劑涂覆及無活性劑的熔寬和熔深圖。從圖1中可看出與沒有活性劑相比較，所涂覆活性劑均能降低熔寬和增加熔深，其中涂覆YbF3活性劑深效果最好，降低熔寬16.1%，增加熔深13.9%；其次涂覆 NaF和Na2SiF6活性劑，分別使焊縫熔寬降低11.2% 和13.6%；增加焊縫熔深為8.87%和11.2%。

圖1 無活性劑及涂敷活性劑的熔寬和熔深

2.2 焊接速度的影響

圖2是在焊接功率為2 900 W下，不同焊接速度對焊縫熔深和熔寬的影響。在試驗條件下焊縫熔寬和熔深隨焊接速度的增大而不斷下降。與未涂活性劑焊縫相比，涂敷3種不同活性劑后的熔深和熔寬變化趨勢相同，隨著焊接速度增大，涂覆NaF，Na2SiF6，YbF3活性劑的焊縫熔寬分別是下降了0.3%，4.2%，10.4%；NaF，Na2SiF6，YbF3熔深分別下降1.2%，5.1%，0.8%。熱輸入是影響鈦合金激光焊焊熔深的主要因素,隨著焊接速度增大而熱輸入減小，焊縫熔寬和熔深隨之減小。其次活性劑可能是通過影響熔池流動而增加焊縫熔深的，所以焊接速度增大時，減弱了活性劑對熔池的流動的作用效果，使其在高速條件下的作用效果變得有限。所以降低焊速增大焊接熱輸入，提高熔池溫度及延長熔池結晶時間對熔深的增大是有益的。

圖2 焊接速度對熔寬和熔深的影響

2.3 焊接功率的影響

圖3是焊接速度為0.05 m/min，焊接功率的變化對焊縫熔寬和熔深的影響規律。涂敷3種不同活性劑后的熔深和熔寬變化趨勢相同，3種活性劑的熔寬和熔深都隨焊接功率的增大而增大，其中涂敷YbF3活性劑熔寬增加最少由3.2%增加到3.6%，而熔深增加最多由1.2%增加到3.2%，這是因為熱輸入增加導致活性劑分解或表面張力改變，從而增大焊縫熔深。

2.4 光致等離子分析

選取3種活性劑中YbF3觀察焊接過程中等離子形態，如圖4所示。圖4a中，對于沒有涂活性劑的試樣，孔外金屬蒸汽的形成和噴射更加劇烈金屬蒸汽以更大的強度和里程垂直向上發射。隨屬蒸汽的形成和發射也相應減弱。直到等離子體從內部重新出現和重新噴射，金屬蒸汽才以急劇變化的形狀和發射方向重新出現。圖4b中，可以清楚地看出，涂覆有活性劑的試樣的孔外金屬蒸汽和等離子體在焊接過程中也呈現周期性變化。不同之處在于金屬蒸汽發射明顯減弱，等離子體噴射高度降低。這是因為在激光焊接過程中，由于光誘導等離子體中自由電子的吸附，活性原子轉化為帶負電的粒子。由于負粒子的質量很大，它們的移動速度比自由電子慢，自由電子在等離子體邊緣附近搖擺。最終，一部分負粒子成為自由電子的運動背景，而另一些則消失在大氣中，從而有效地降低了焊接等離子體的電子密度。這在一定程度上削弱和抑制了等離子體的產生和劇烈波動，從而提高了熔池的穩定。

圖4 焊接過程中等離子形態

3 結論

(1)5 mm激光焊焊試驗所選活性劑都可增加焊縫熔深和降低熔寬，涂覆YbF3活性劑深效果最好，降低熔寬16.1%；增加熔深13.9%，其次涂覆 NaF和Na2SiF6活性劑，分別使焊縫熔寬降低11.2% 和13.6%；增加焊縫熔深為8.87%和11.2%。

(2)在不同焊接工藝參數下，各活性劑對焊縫熔深及熔寬的影響不同。在其他焊接工藝參數不變的情況下，3種活性劑焊縫熔深和熔寬均隨著焊接速度的的增大而減少，熔深和熔寬隨焊接功率的增大而增大。

(3)涂敷活性劑之后，活性劑有效的降低了焊接等離子體的電子密度。