TC4钛合金薄板T型接头激光焊接工艺研究

制造技术研究航天制造技术19制造技术研究TC4钛合金薄板T型接头激光焊接工艺研究孙燕洁徐艳利李瑞（北京新风机械厂，北京100854）摘要：通过对TC4板材进行两种T型接头的激光焊接试验，分析了酸洗、焊接环境及焊后修复对钛合金激光焊接接头质量的影响，实验结果表明，钛合金激光焊具有较强的气孔倾向，酸洗及焊后重熔并未明显改善接头气孔的情况，但气孔数量对湿度的变化较为敏感。不同焊接试验的结果统计表明，虽然接头存在大量气孔，但只有位于上下两侧板材的贴合面处的这一小部分气孔才会造成受力面积的减小，因此接头整体仍具有较高的抗剪力。关键词：激光焊；钛合金；T型接头；抗剪力LaserWeldingforT-jointsofTC4TitaniumAlloySheetsSunYanjieXuYanliLiRui（BeijingXinfengMachineryFactory,Beijing100854）Abstract：TwokindsofT-jointswereinvestigatedtolearnthelaserweldingtechniquewithTC4titaniumalloysheets.Effectsofacidwash,weldingenvironmentandpost-weldreparationtothequalityoftheweldbeadwerestudied.Experimentalresultsshowthatporositiesarethemaindefectinthetitaniumweldjointwithlaserwelding.Porositiesareverysensitivetothehumidityoftheenvironment,whileacidwashandre-weldedcannotreducethenumberofporositieseffectively.Althoughtherearesomanyporositiesintheweldbead,statisticsofexperimentalresultsshowthattheshearingforceoftheweldjointisveryhigh.Thisprovedthatnotallporositiescanreducetheareaoftheshearingforceworkingon,butporositiesonthesurfacebetweenupsideplateandundersideplateoftheT-jointhavethiseffect.Thus,theintergraljointstillhashighshearingresistance.Keywords：laserwelding；titaniumalloy；T-joint；shearingresistance1引言钛合金具有优越的比强度、塑性和韧性，是追求结构轻质，且服役条件恶劣的航空航天重要件、关键件的首选材料。钛合金在高温下具有极强的晶粒长大倾向，采用传统的焊接方法，焊接热影响区和焊缝内部晶粒粗化现象严重，进而影响接头尤其是热影响区的塑性韧性[1～3]。因此能量密度高、热输入低的激光焊、电子束焊等高能束焊接方法是获得高强度钛合金焊接接头的首选[4]。而由于不受真空室的空间限制，且随着光纤传输的固体激光器和光纤激光器发展，激光焊在加工柔性和生产成本上较电子束焊接有明显的优势[5]。激光焊具有热输入低、速度快、能量集中[6]、便于保护等诸多优势，是近十年发展昀快的焊接方法之一，特别是大功率激光器的面世，大大推动了激光焊接的发展。近年来航天构件不断追求轻质高强，使得激光焊接在航天领域的需求更为迫切。然作者简介：孙燕洁（1968-），高级工程师，焊接专业；研究方向：焊接工艺技术。基金项目：航天二院质量与技术基础资助项目（E08D002）。收稿日期：2010-03-26制造技术研究2010年8月第4期20而，作为一种新兴的焊接方法，激光焊接缺乏针对钛合金相关的焊接标准及质量判定依据，尤其是缺乏航空航天领域的相关标准，在一定程度上限制了该方法在航空航天领域的推广。为了满足轻质高强的要求，航天某部件采用骨架蒙皮焊接结构代替全实体结构，大大降低了部件的重量，但也对该部件的焊缝质量提出了较高的要求。该部件采用激光焊接方法，将多块蒙皮焊在骨架上，形成外形封闭结构，所有焊缝接头形式为连接骨架与蒙皮的T型焊接接头。本文以TC4材料为主，基于该部件典型接头形式，研究了钛合金激光焊接焊前准备、焊接环境、焊后修复等因素对接头质量的影响，旨在为制定钛合金激光焊工艺提供参考。2焊接试验2.1试验材料试验采用TC4薄板T型焊接接头方式。焊前将1mm厚TC4板材加工为100mm×100mm的试片，T型接头底侧采用30mm×100mm×2.5mmTC4板材作为垫板。焊前按照QJ1572－88《钛合金化学酸洗技术条件》进行化学清洗，去除表面油污和氧化层。试验采用的激光加工系统包括德国TRUMPF公司的2.2kW连续YAG固体激光器；直径600µm的30m激光传输光纤；聚焦透镜焦距200mm的焊接头；德国KUKA公司的KR30HA机器人。焊接采用纯度为99.99％的氩气保护，激光脉冲焊接，平均输出功率为750W，焊接速度1m/min，离焦量-2mm。2.2试验方法aT型对接接头bT型穿透接头图1某部件两种典型接头形式示意图根据航天某部件典型接头及其受力方式，设计了试片及力学实验方法。该结构两种主要接头形式见图1，图1a的接头为两板对接，底部有垫板，本文简称为T型对接接头；图1b为上侧板材与下侧板垫板穿透焊接的接头，本文简称为T型穿透接头。该部件工作中的两种接头主要受剪切力，图1所示的贴合面部位的焊缝是接头主要受力部位。由于两种接头在该部件中性能要求相同，本文设计的焊接试片如图2a所示，T型对接焊缝和T型穿透焊缝在试片上平行焊接，焊后将试片加工成宽10mm的拉伸试片，并按图2b所示将上端两条焊缝中间的钛板切开。图2b所示的拉伸实验中，实际受力部位为连接上下板材的贴合面处的焊缝，接头承受剪切力。力学测试可以获得焊缝单位长度的抗剪力，除以贴合面熔宽，即可获得接头抗剪强度。实验中，两条焊缝只有一条发生断裂，因此所得实验结果为两条焊缝中力学性能薄弱的一侧。a焊接试片示意图b力学实验方法图2试片焊接接头形式及力学试验示意图3试验结果3.1酸洗对焊接接头质量的影响为了研究钛合金激光焊中酸洗及酸洗后存放时间对焊接接头质量的影响（见表1），本文进行了对比试验，酸洗后试片存放于烘干炉内，未酸洗的试片在焊前用乙醇除油。制造技术研究航天制造技术21表1酸洗及存放时间对接头质量的影响试片序号酸洗后存放时间/d接头形式单个气孔昀大尺寸/mm100mm长焊缝气孔数量/个100mm长焊缝气孔累计长度/mmT型对接0.51041未酸洗T型穿透0.493.6T型对接0.720621T型穿透0.5228.8T型对接0.4123.635T型穿透0.492.7T型对接0.8206420T型穿透0.5165从表1所示的实验结果可以看出，相同条件下，由于对接间隙的存在，T型对接接头较T型穿透接头的气孔尺寸和数量略有增加。而是否酸洗及酸洗后存放时间长短，对气孔尺寸和数量的影响并不明显。3.2温湿度对焊接接头质量的影响焊接环境是影响焊接气孔的主要因素之一，图3、图4为不同温度和湿度条件下焊接接头气孔的尺寸及数量变化情况。a昀大气孔尺寸b气孔数量图3湿度对接头质量的影响图3为不同湿度下气孔尺寸及数量的变化情况。其中，图3a所示为焊缝内昀大气孔尺寸，可以看出，焊缝中昀大气孔集中在0.5～0.8mm之间，随着湿度的增加，昀大气孔尺寸变化并不明显。从图3b所示的气孔数量变化可以看出，随着湿度的增加，气孔数量呈现出明显的上升趋势。a昀大气孔尺寸b气孔数量图4环境温度对接头质量的影响如图4所示，焊缝昀大气孔随着环境温度的增加而略有上升，但缺陷的数量随着温度的增加变化并不显著。从图3和图4可以看出，钛合金激光焊具有很强的气孔倾向，但在设备允许的范围内，尽可能降低焊接环境湿度，对控制气孔的尺寸和数量将起到积极的作用。00.20.40.60.8120406080湿度/％昀大气孔尺寸/mmT型对接T=20T型穿透T=20T型对接T=25T型穿透T=2501020304020406080湿度/％气孔数量/个T型对接T=20T型穿透T=20T型对接T=25T型穿透T=2500.20.40.60.8112172227温度/℃T型对接湿度50％T型穿透湿度50％T型对接湿度70％T型穿透湿度70％0102030405012172227温度/℃气孔数量/个T型对接湿度50％T型穿透湿度50％T型对接湿度70％T型穿透湿度70％昀大气孔尺寸/mm制造技术研究2010年8月第4期223.3返工重熔对焊接接头质量的影响图5为重熔与未重熔接头组织对比情况，图6为返工重熔对接头质量的影响。a未重熔b三次重熔图5返工重熔接头对比情况00.20.40.60.810123重熔次数昀大气孔尺寸/mmT型对接T型穿透08162432400123重熔次数气孔数量/个T型对接T型穿透a昀大气孔尺寸b气孔数量c抗剪强度d单位长度抗剪力图6重熔次数对接头质量的影响从图5中可以看出，三次重熔后焊缝的形态并未发生变化，但熔池和热影响区的晶粒明显粗化，钛合金晶粒粗化必然会引起其力学性能的下降，上下板材的贴合面熔宽随着焊接次数的增加而略有增加。从图6所示的重熔试验结果可以看出，钛合金激光焊中反复重熔对气孔的尺寸和数量没有明显的改善，而接头的力学检测结果显示，随着重熔次数的增加，接头强度呈现下降趋势。由于多次重熔后焊缝贴合面的熔合宽度有所增加，因此焊缝的单位长度抗剪力并未随着重熔次数的增加而下降。3.4焊接接头缺陷对力学性能影响焊前酸洗、焊接温湿度及焊后重熔试验结果显示，在不同的影响因素下，气孔是钛合金激光焊接接头普遍存在的现象，随着焊接工艺的变化，气孔的尺020040060080010000123抗剪强度/MPa020040060080010000123重熔次数单位长度抗剪力/N·mm-1重熔次数制造技术研究航天制造技术23寸和数量会出现不同程度的波动。图7为上述条件下焊接接头气孔及力学性能检测结果统计。05101520250.30.40.50.60.70.80.91昀大气孔尺寸/mm试片数量/个024681012141015202530气孔数量/个试片数量/个a昀大气孔尺寸b气孔数量0510152025303540455506006507007508008509001000试片数量/个051015202530354005006007008009001000抗剪强度/MP试片数量/个c单位长度抗剪力d抗剪强度图7接头缺陷和力学性能统计根据图7试片质量的统计结果表明，昀大气孔尺寸集中在0.5mm左右，但个别情况出现了1mm的气孔（1个试片样本），气孔的数量分布范围较广。图7b所示结果说明，影响气孔数量的因素较多，在不同焊接条件下气孔数量易出现大范围的波动，实验样本中100mm气孔累计数量从10个以下到30个以上离散分布。从试片的力学性能检测结果可以看出，试片的单位长度抗剪力主要集中在600～750N/mm之间，仅出现一例单位长度抗剪力低于600N/mm的试片，实测结果为595N/mm。而试片的抗剪强度主要分布在500～700MPa范围内，部分试片的抗剪强度甚至达到了900MPa以上。a贴合面处b熔池底部图8不同位置处的气孔试片在力学实验中，断裂部位为上下两侧板材的贴合面部位，因此贴合面的熔宽直接影响了接头的抗剪力。焊缝内处于不同位置的气孔，对接头的抗剪能力影响不同，如图8所示。通常下侧板材并非处于主要受力面，该部位的气孔（见图8b)基本上不影响接头的抗剪能力。而上侧板材内部的气孔对接头抗剪能力影响也很小，但是由于上端板材厚度小，且完全熔透，若存在较大气孔缺陷，力学实验中试片可能在上侧板材部位以