BTi6431S钛合金光纤激光焊接成形及稳定性分析 
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1 引言
高温钛合金具有较高的比强度、优异的耐蚀性、良好的热强性和可焊性等优良特性成为航空航天领域的重要结构材料[1]。BTi6431S钛合金是近年来我国自主设计研制开发的新型α合金型高温钛合金,该合金名义成分为Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-3Nb-3Mo-1W-0.2 Si,在650~700 ℃高温具有良好的短时热强度,并在大载荷下具有良好的持久和蠕变性能,可用于650~700 ℃下短时应用的进气道和排气道等高温结构件制造中[2-3]。激光焊接具有能量密度高度集中、热输入小、焊接速度快、焊接变形小、无需真空、柔性高等特点,是航空航天钛合金结构件轻量化、高可靠制造的理想工艺方法之一[4]。
高温钛合金构件服役环境恶劣,对焊接质量要求高。激光焊接过程金属蒸气/等离子体、小孔和熔池稳定性是影响焊接质量的重要因素[5-8]。与传统钛合金相比,高温钛合金元素多,成分复杂,在激光深熔焊过程中更易发生小孔不稳定和熔池剧烈波动的现象,从而影响焊缝成形质量。目前,有关BTi6431S高温钛合金的研究大多集中于对材料本身组织与性能的研究[9-11],关于其激光焊接工艺及焊接过程稳定性的公开报道不多见[12]。本文研究了焊接工艺对BTi6431S钛合金光纤激光焊接焊缝成形特征、气孔、金属蒸气/等离子体特性及稳定性的影响,分析了焊接工艺-焊接过程稳定性-焊缝成形质量三者之间的相关性,为该合金构件激光焊接工艺的优化设计和焊接质量控制提供参考。
2 试验
试验所用材料为BTi6431S轧制板材,板厚为3.0 mm,化学成分如
表 1. BTi6431S合金的化学成分(质量分数,%)
Table 1. Chemical compositions of BTi6431S alloy (mass fraction, %)
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试验采用单一变量原则,分别研究激光功率和焊接速度对平板堆焊焊缝成形、气孔和焊接过程金属蒸气/等离子体特性的影响。激光功率为1.5~4 kW,焊接速度为1.5~4.5 m/min,离焦量为0 mm。试验过程采用MEGA高速摄像仪在距离激光束30 cm,且与水平面呈45°的位置对金属蒸气/等离子体和熔池图像进行采集,采集频率为2000 frame/s。焊接过程采用氩气保护,保护气流量为25 L/min。焊后对焊缝表面成形质量进行检测,并采用X射线检测焊缝内部质量。同时,利用OLYMPUS BX51M型光学显微镜对焊缝横截面形貌进行观察分析,并利用Image J软件对焊缝成形特征尺寸、焊缝气孔率和金属蒸气/等离子体面积进行统计。
3 试验结果与讨论
3.1 焊缝成形特征
图 1. BTi6431S钛合金典型激光焊缝成形。(a)表面形貌;(b)横截面形貌
Fig. 1. Weld appearance of BTi6431S titanium alloys. (a) Surface topography; (b) morphology
以熔宽、背宽比、余高和咬边量作为表征焊缝成形的主要特征参量,采用Image J软件对焊缝成形特征参量进行统计,研究激光功率和焊接速度对焊缝成形的影响,如
图 2. 激光功率对焊缝成形特征参量的影响(v=2.5 m/min)。(a)熔宽;(b)余高和咬边
Fig. 2. Effect of laser power on weld formation characteristic value (v=2.5 m/min). (a) Weld width; (b) reinforcement and underfill
图 3. 焊接速度对焊缝成形特征参量的影响(P=3.5 kW)。(a)熔宽;(b)余高和咬边
Fig. 3. Effect of welding speed on weld formation characteristic value (P=3.5 kW). (a) Weld width; (b) reinforcement and underfill
3.2 焊缝气孔
激光功率和焊接速度对焊缝气孔分布和气孔率的影响如
图 4. 激光功率对气孔分布和气孔率的影响。(a)未熔透焊缝;(b)全熔透焊缝-单个气孔;(c)全熔透焊缝-链状气孔;(d)(e)气孔率
Fig. 4. Effect of laser power on pore distribution and porosity. (a) Lack of penetration weld; (b) penetration weld-single pore; (c) penetration weld-linear pore; (d)(e) porosity
3.3 金属蒸气/等离子体特征
金属材料激光焊接过程中,小孔稳定性是影响焊缝质量的重要因素。蒸发形成小孔的金属蒸气/等离子体的稳定性间接反映了焊接过程小孔的稳定性。
图 6. 不同焊接工艺金属蒸气/等离子体特征。(a)激光功率(v=2.5 m/min);(b)焊接速度(P=3.5 kW)
Fig. 6. Characteristic of metal vapor / plasma of different welding processes. (a) Laser power (v=2.5 m/min); (b) welding speed (P=3.5 kW)
3.4 分析与讨论
从上述研究发现,焊接工艺对BTi6431S钛合金激光焊接焊缝成形、气孔的影响与金属蒸气/等离子体大小和稳定性密切相关。在低激光功率(1.5~2.5 kW)或高焊接速度(3.5~4.5 m/min)下,由于热输入不足,小孔未穿透,金属蒸气/等离子体向上喷发阻力小,喷发面积较大,焊缝产生未熔透缺陷;且小孔和金属蒸气/等离子体始终处于不稳定波动状态,强烈金属蒸气喷发和小孔内部压力失衡导致小孔上方金属液体塌陷,小孔内部的气体被封闭在熔池中,凝固后产生较多气孔。在中高激光功率(3.0~4.0 kW)或中低焊接速度(2.5~1.5 m/min)下,小孔完全穿透,金属蒸气/等离子体穿过小孔从正背面均有喷射,正面喷射面积减小,焊缝全熔透;且小孔深度不变,金属蒸气/等离子体和小孔的周期性波动减小,贯穿的小孔有利于气孔溢出,因此焊接气孔较少。此外,由于BTi6431S钛合金元素含量多,合金元素烧损以及激光的穿透作用,使得焊接过程液态金属汽化强烈,在高激光功率或低焊接速度下,合金元素蒸发所致的反冲压力作用和较多熔化金属的重力作用容易使焊接熔池产生较大咬边和下凹,且低焊接速度下焊缝较大的背宽比(0.9)易使较多保护气体卷入焊缝形成链状气孔。选择中等激光功率(3.0~3.5 kW)和焊接速度(2.5 m/min)匹配以及焊接过程中金属蒸气/等离子体特征在线监测反馈,有利于避免未熔合、咬边和气孔等焊缝成形缺陷。
4 结论
焊接工艺参数对BTi6431S高温钛合金光纤激光焊缝成形特征和气孔的影响与金属蒸气/等离子体形态和稳定性密切相关,中等激光功率(3.0~3.5 kW)和焊接速度(2.5 m/min)匹配时,金属蒸气/等离子体面积及其波动均较小,焊缝成形质量好,宽度适中,气孔率接近零。本文主要探讨了焊接工艺特性对BTi6431S高温钛合金激光焊接稳定性及焊缝成形质量的影响,对于高温钛合金各元素在激光焊接过程中的作用以及对焊接过程稳定性和焊缝成形质量的影响还需深入研究。
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