航空钛合金激光焊接全熔透稳定性及其焊接物理冶金研究

摘要

轻质高强、高温耐蚀、高比强度钛合金是优秀的航空航天结构材料，焊接在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本方面独具优势，尤其是高能量密度、高焊接精度和高焊接效率的激光焊。因此研究钛合金激光焊对充分发挥钛合金结构重量效率，提高航空结构和武器装备性能及降低制造成本具有重大意义。 薄壁钛合金激光深熔焊过程涉及激光－等离子体－材料相互间的复杂作用、小孔周期性的形成与闭合和熔池动态行为，这一过程可外化为熔池形貌，并最终表现为焊缝成形。BT20、TC4和Ti-23Al-17Nb钛合金薄板的焊缝成形研究表明，激光焊模式并不是通常认为的取决于激光功率密度，还与线能量有关。这说明钛合金激光深熔焊过程的小孔形成、熔池行为和焊缝成形受激光功率密度和线能量双阈值控制。 焊缝成形进一步研究表明，激光功率密度和线能量超过深熔焊全熔透阈值，焊缝呈钉头形或沙漏形，无量纲量背宽比（焊缝的背面宽度和表面宽度之比）可映射全熔透焊过程的稳定性。在所研究条件下，背宽比大于0.4是2.5mm厚BT20钛合金获得稳定激光全熔透深熔焊过程的焊缝成形条件，进而确立出全熔透稳定焊接的激光功率－焊接速度工艺窗和激光功率密度-线能量双阈值曲线。但当激光功率密度和线能量处在钛合金激光深熔焊全熔透阈值附近，全熔透焊过程可出现非表观工艺参数失稳造成的不稳定，形成的焊缝表面均匀，背面交替出现熔透与未熔透。在本质上钛合金激光深熔焊全熔透过程的稳定与穿孔稳定性密切相关，受焊接过程等离子体/金属蒸汽云周期性变化的影响。为此本文提出了穿孔速度应与焊接速度相适应的全熔透深熔焊物理模型，并根据孔壁能量平衡将穿孔速度与激光功率密度、线能量、焊接速度、光束直径、材料性能和板厚联系起来，建立了穿孔速度与穿孔所需激光功率密度间的关系，已知激光能量转换率即可判断工艺参数全熔透焊的稳定性。 在激光焊深熔焊过程，强烈金属蒸汽伴随穿孔形成上下喷发，使孔壁液体金属沿光束轴线快速迁移，同时在孔口形成对熔池具有热辐射的等离子体/金属蒸汽云。小孔开口处熔池金属因金属蒸汽力和等离子体/金属蒸汽云热辐射作用呈现强对流，小孔内的熔池金属则因金属蒸汽膨胀作用对流很小，近孔壁甚至出现层流，这种不均匀熔池流动导致钛合金稳定激光全熔透焊形成沙漏形焊缝，故可将对应的焊接热过程简化为两点一线热源模型，结合焊缝几何分层本文提出了分层线热源激光焊能量转换率计算法，计算结果与试验接近。 咬边和气孔是钛合金激光焊的主要缺陷。咬边难以通过调整焊接工艺参数消除，但采用活性剂激光焊可有效消除咬边。通过孔气微观特征研究揭示出钛合金激光焊可产生两类特征气孔，规则圆形且孔壁光滑的小气孔属冶金特征气孔，乃气体依附“气孔核”聚集长大所致，与焊件表面污染有关；形状不规则且孔壁残留熔池金属流动痕迹的大气孔为工艺特征气孔，是孔壁聚合将小孔局部封闭所致，未熔透和不稳定全熔透焊缝易产生工艺特征气孔。CO2激光焊破碎钛合金表面氧化层能力强，对冶金气孔不敏感，YAG激光焊易产生氢或氩冶金特征气孔。 同常规焊接方法一样，钛合金激光深熔焊焊缝具有联生结晶、外延择优生长的凝固特征，但热影响区应划分为组织粗大的完全相变区、新旧晶粒共存的部分相变区和只有加热痕迹的无相变区，而弧焊热影响区划分为粗晶区和细晶区。研究显示，激光焊焊缝成形特征导致焊缝不同部位的晶粒生长和大小不同，对应的热影响区宽度也不同。全熔透焊缝中部柱状晶由平面晶生长过渡为树枝晶生长，晶粒较小，对应热影响区窄；焊缝上下部柱状晶垂直于熔合线向焊缝表面或背面中心树枝晶生长，晶粒较大，对应热影响区较宽；焊缝中部与上下部相交处的β晶粒生长方向因小孔闭合时的熔池金属回填由与光束轴线垂直变为与光束轴线成一定夹角，生长方向角度的变化与焊缝成形相关。 钛合金激光全熔透焊接头性能研究表明，焊缝宽度、背宽比影响钛合金激光焊焊接接头的塑性和疲劳性能。在所研究条件下，BT20和TC4钛合金激光焊形成焊缝及热影响区硬度高于母材的“硬夹层”焊接接头，抗拉强度与母材一致，塑性和疲劳性能低于母材，焊缝宽度增大则塑性增加。在一定条件下活性剂可提高焊接接头塑性和疲劳性能。650℃真空热处理不影响焊接接头抗拉强度，对塑性的影响与焊缝宽度和背宽比有关，但降低接头疲劳寿命，这证实常规电弧焊焊后真空热处理制度并不适合于激光焊。对于金属间化合物基Ti-23Al-17Nb钛合金激光焊，焊接接头显微硬度呈马鞍型分布，峰值硬度出现在热影响区。所研究条件下的焊接接头拉伸性能很差，焊缝宽度增大接头塑性略增；850℃焊后真空热处理使焊接接头室温和高温拉伸性能有所改善，但仍低于母材；高频感应预热增大焊缝和热影响区宽度，焊接接头拉伸性能改善，其中室温强度和塑性达到母材水平。预热与焊后热处理结合的工艺将有利于Ti-23Al-17Nb钛合金激光焊接头的综合性能。 综合以上研究结果，薄板钛合金激光焊的焊缝成形反映了钛合金激光焊熔池行为和全熔透深熔焊过程的稳定性，可通过背宽比分析稳定全熔透焊的激光功率密度和线能量双阈值，以及焊缝成形条件。而且焊缝成形还决定着焊接接头结晶与组织的均匀性，进而影响焊接接头的力学性能，其中焊缝宽度和背宽比对钛合金激光焊焊接接头的力学性能影响不可低估，还需进一步的基础研究。