项目名称 钛合金的激光焊接
服务单位 现代焊接生产技术国家重点实验室激光加工基础与工程研究室
邮政编码 150001
单位网址 http://weld.hit.edu.cn/~lpt/member/Teacher.htm
联 系 人 研究室
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项目简介
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而在航空航天领域广泛应用。钛合金焊接的主要特点:1)高温时钛对气氛的高活性;2)加热时晶粒长大的倾向大;3)焊接接头冷却时形成脆性相。气体等杂质污染引起的焊接接头脆化、焊接裂纹及气孔是钛合金焊接过程中最易产生的缺陷。
TC4、TA2钛合金激光焊接性能研究
激光焊接TC4和TA2薄板时,采用适当的预处理和保护措施,无论是连续激光焊接还是脉冲激光焊接,均可获得成型好、无气孔的满意焊缝。相比而言,脉冲激光焊可获得更好的焊缝组织,焊缝晶粒更加细小。热输入对焊缝及热影响区组织影响较大,在保证接头性能的条件下,应尽可能减小热输入。图1和图2分别为不同热输入条件下激光焊接钛TC4和TA2薄板的焊缝截面。
 
 
图1 TC4激光焊接的焊缝截面
 
 
图2 TA2激光焊接的焊缝截面
TC4钛合金材料组织主要是原β基体上分布着等轴α,晶粒细小,无明显的晶界,α在β基体上均匀分布,其强度、韧性、塑性、抗拉伸性能好。而焊缝组织呈网状组织,为转变β+针状α′(α′为钛马氏体),焊缝区域晶粒都比较粗大,如图3所示。但拉伸断裂在远离母材位置,焊缝区强度均高于母材(1000~1100MPa)。
TA2钛母材组织主要是由100%密排六方或者说α型钛组成,仅有很少量β相,这种组织决定了TA2具有良好的塑性;焊缝组织基本上呈针状的α相魏氏组织,热影响区组织以密排六方α相为主,同时分布有部分针状α相,如图4所示。这种组织可以提高接头的抗拉强度和塑性,焊缝区强度均高于母材(350MPa左右)。
 
 
     母材组织(500x)焊缝区组织(500x)热影响区组织(500x)
图3 TC4激光焊接的焊缝组织
 
 
      母材组织(500x)焊缝区组织(500x)热影响区组织(500x)
图4 TA2激光焊接的焊缝组织
TC4与ZT4钛合金T型接头激光焊接
蒙皮与骨架结构形式为飞行器实现减重而设计的轻量化、高刚度结构,骨架在蒙皮下方,组成T型结构,焊接时焊缝必须完全穿透蒙皮并在骨架中保持一定深度,接合面宽度对T型接头的抗剪力有重要影响。
激光焊接热源集中、控制精度高,实现此类T型接头紧密接合的具有很大优势,图5所示为激光焊接TC4-ZTC4钛合金T型接头获得的焊缝截面。试验结果表明,采用脉冲激光焊更有利于控制热输入,减少焊接变形,但必须合理选取脉冲频率和占空比两个参量,才能获得令人满意的接头质量。不同工艺参数条件下,激光焊接的接头抗剪力在500~800N/mm之间。 
 
 
(a)高占空比50%     (b)低占空比30%
图5 脉冲激光焊接钛合金T型接头(P=1500W,f=50Hz)
气孔是焊接过程中的主要问题,多出现在焊缝底部,如图6所示。气孔主要是由于熔池中的氢导致,采用严格的化学清洗方法和脉冲波形形状控制可以有效抑制气孔。
 
 
图6 TC4与ZTC4钛合金T形接头激光焊接的气孔
铸态ZTC4钛合金母材的显微组织为原β基体上分布着针状α,整个组
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