TC4鈦合金材料具有比重輕、比強(qiáng)度高、耐蝕等特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，僅用于些特殊工程構(gòu)件上。目前，多采用氬弧焊或等離子弧焊進(jìn)行焊接加工，但該2種方法均需填充焊接材料，由于保護(hù)氣氛、純度及效果的限制，帶來接頭含氧量增加，強(qiáng)度下降，且焊后變形較大。本研究采用激光焊接方法，對(duì)TC4鈦合金的焊接工藝性進(jìn)行研究，以便實(shí)現(xiàn)該種材料的精密焊接，即焊接質(zhì)量好，焊深波動(dòng)和焊接變形小。

1. 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為TC4 (T i26A l24V ) ，化學(xué)成分見表1。
2. 試驗(yàn)條件
激光焊機(jī)為RS2000型軸流CO2激光加工機(jī)，額定輸出功率為2kW，光束模式為基模，反射鏡聚焦，焦距f=127mm，最小焦斑直徑為50.4mm。TC4 鈦合金的板厚為2.0～3.5mm，保護(hù)氣體為高純氦氣。
激光焊接工藝參數(shù)包括：1)激光功率P，W；激光器的功率控制面板示出；2)焊接速度v，m/s；由數(shù)控編程確定；3)離焦量△f，mm； 指光束焦點(diǎn)與工件表面的距離。
3. 試驗(yàn)方法
先進(jìn)行階梯試環(huán)焊接工藝試驗(yàn)，粗找工藝參數(shù)，并初步確定焊接工藝規(guī)范； 焊接平板對(duì)接試樣，利用X2射線探傷儀檢測(cè)焊縫內(nèi)部質(zhì)量，并進(jìn)行金相組織分析； 焊接對(duì)接試環(huán)，用三坐標(biāo)精密測(cè)試儀測(cè)量焊件軸向與徑向焊接變形情況。
結(jié)果與分析
1. 焊接性分析
鈦和鈦合金的焊接性取決于它的物理化學(xué)性能。鈦是一種非常活潑的金屬，由于表面形成致密的氧化膜，使其在常溫下非常穩(wěn)定。但是在高溫下，鈦則有強(qiáng)烈的吸氫、氧、氮的能力； 空氣中鈦在250℃開始吸氫，500℃開始吸氧，600℃開始吸氮。隨著溫度提高，鈦吸收氣體的能力更強(qiáng)。氧、氮都是A相穩(wěn)定元素，當(dāng)其含量較少時(shí)，都作為間隙元素固溶在鈦中，使鈦的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性急劇下降，氮的作用比氧更強(qiáng)。此外，鈦和鈦合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔，形成氣孔的主要因素有焊接工藝不正確、保護(hù)氣體的純度不夠以及接頭污染等。
鑒于鈦的高活性，鈦及鈦合金焊前應(yīng)對(duì)接頭部位進(jìn)行仔細(xì)清理。清理方法為先用機(jī)械方法去除表面氧化皮，然后進(jìn)行酸洗。酸洗液為2%～ 4%HF+30%～ 40%HNO3+ H2O (余量)。最后用清水沖洗干凈并烘干。臨焊前用丙酮或酒精擦洗。清洗后的焊件必須在72h 內(nèi)焊完，否則需重新清理。
2. 焊縫質(zhì)量分析
1) 焊縫氣孔傾向
焊縫中的氣孔是焊接鈦合金最為普遍的缺陷。存在于被焊金屬電弧區(qū)中的氫和氧是產(chǎn)生氣孔的主要原因。激光焊接是在大氣環(huán)境中進(jìn)行的，由于高溫時(shí)鈦對(duì)氣氛的高活性，焊縫中氣孔形成傾向較大。為此，著重就激光焊接焊縫中形成氣孔的工藝因素進(jìn)行研究。
在外徑為Ф70mm 的階梯環(huán)上采用表2 所示工藝參數(shù)進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：
1-1# ： 焊縫成形良好，焊縫較寬，焊縫內(nèi)部有連續(xù)氣孔，焊透；
1-2# ： 焊縫成形良好，與1-1# 相比焊縫變窄，焊縫內(nèi)無氣孔，焊透；
1-3# ： 焊縫成形良好，與1-1# 、1-2# 相比焊縫明顯變窄，焊縫有少量氣孔，但不連續(xù)，基本焊透；
1-4# ： 焊縫成形良好，與1-3# 相比焊縫變窄，焊縫內(nèi)部有大量連續(xù)氣孔，未焊透；
1-5# 、1-6# ： 焊縫中有大量連續(xù)氣孔；
1-7# ： 焊縫中有大量連續(xù)氣孔；
1-8# ： 焊縫中有大量連續(xù)氣孔。
由以上結(jié)果可以看出，激光焊接時(shí)焊縫中的氣孔與焊縫線能量有較密切關(guān)系，若焊接線能量適中，焊縫內(nèi)只有極少量氣孔、甚至無氣孔，如1-2#、1-3#試樣，線能量過大或過小均會(huì)導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)嚴(yán)重的氣孔缺陷，如1-1# 、1-4# 試樣。此外，焊縫中是否有氣孔缺陷還與焊件壁厚有一定的關(guān)系，比較1-2#與1-7# 試樣試驗(yàn)結(jié)果可看出，二者焊接線能量均為100J/mm ，1-2# 試樣壁厚為2. 5mm ，127# 試樣壁厚為3. 0mm ，但1-2# 試樣焊縫無氣孔，而1-7#試樣焊縫有大量氣孔，可見，隨著焊接壁厚的增加，焊縫中出現(xiàn)氣孔的幾率增加。這是由于焊接壁厚增加，熔池體積及深度增加，導(dǎo)致熔池中的氣體更來不及溢出而造成的。據(jù)觀察，激光焊接工藝參數(shù)中，激光功率、焊接速度以及離焦量對(duì)焊接質(zhì)量影響較大，其影響機(jī)理有待更進(jìn)一步研究。
2) 焊縫內(nèi)部質(zhì)量及外觀質(zhì)量
利用平板對(duì)接試樣，采用激光焊接來考察焊縫內(nèi)部質(zhì)量，經(jīng)理化檢測(cè)，焊縫內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)X 射線探傷，參照國(guó)標(biāo)GB3233-87達(dá)到II級(jí)要求，焊縫表面和內(nèi)部均無裂紋出現(xiàn)。焊縫外觀成型良好，無明顯咬邊、裂紋等缺陷，色澤正常。
3.焊深及其波動(dòng)情況
鈦合金作為工程構(gòu)件使用，對(duì)焊深有一定要求，否則不能滿足構(gòu)件強(qiáng)度要求； 而且要實(shí)現(xiàn)精密焊接，必須對(duì)焊深的波動(dòng)加以控制。為此，采用激光焊接方法分別焊接了兩對(duì)對(duì)接試環(huán)，焊后對(duì)試環(huán)進(jìn)行了縱向及橫向解剖，以考察焊深及焊深的波動(dòng)情況，結(jié)果見表3?？梢?，對(duì)于激光焊接，焊縫平均焊深為2. 70mm 左右，焊深波動(dòng)幅度為-3.8%～+5.9%，不超過±10%。
4.接頭變形分析
利用對(duì)接試環(huán)來考察接頭焊接變形情況，檢測(cè)了對(duì)接試環(huán)的徑向及軸向變形。結(jié)果表明，激光焊接的變形很小，徑向收縮變形量為Ф0.03mm～Ф0.10mm，軸向收縮變形量為0.02～0.03mm。
5.焊縫組織分析
經(jīng)理化檢測(cè)，焊縫組織為A+B，組織形態(tài)為柱狀晶+等軸晶，有少量的板條馬氏體出現(xiàn)，晶粒度與基體接近，熱影響區(qū)較窄，組織形態(tài)和特征較為理想。
討　論
1. 鈦合金激光焊接的參數(shù)選擇及研究方向
激光焊接的焊縫成形機(jī)理和焊接效果有截然不同的2 種焊接模式： 熱導(dǎo)焊和深熔焊。在2 種焊接模式之間存在1 種過渡的不穩(wěn)定焊接過程，即存在1個(gè)過渡區(qū)間。因此要獲得良好的焊接質(zhì)量，首先根據(jù)使用要求，確定選用何種焊接模式，然后根據(jù)焊接模式制定合適的焊接參數(shù)，主要有激光功率、焊接速度和焦點(diǎn)位置(離焦量) ，原則上鈦合金激光焊接參數(shù)應(yīng)避開過渡區(qū)間，不能接近臨界值。功率越高，熔深越大，焊接的厚度也越大，但過大的激光功率會(huì)使焊縫外觀變壞，易產(chǎn)生一波一波的突起和空洞。在功率一定時(shí)，焊接速度決定著焊縫單位長(zhǎng)度能量輸入即線能量的大小，隨著焊接速度增大，焊縫線能量降低，熔深和熔寬減少； 焊接速度過大會(huì)使熔深減少，甚至斷弧，在焊縫表面形成焊珠。焦點(diǎn)位于工件表面時(shí)，焊縫余高最大，只有焦點(diǎn)位于工件表面下一定距離處時(shí)，可獲得最大熔深，這個(gè)距離與板厚及所使用的激光功率有關(guān)； 過分的負(fù)離焦或正離焦均會(huì)使激光深熔焊與熱傳導(dǎo)焊交替出現(xiàn)，焊縫成形極不規(guī)則。
由于激光焊接具有能量高度集中、焊縫成形好、操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，鈦合金的激光焊接已日益普及，深入探討與之相關(guān)的問題勢(shì)在必行。目前研究表明，如果鈦合金激光焊接模式為穩(wěn)定的熱導(dǎo)焊，焊縫成形均勻，熔深和熔寬均很小，且?guī)缀醣３植蛔儯?如果為穩(wěn)定的深熔焊，焊縫成形也很均勻，熔深和熔寬明顯大于熱導(dǎo)焊，且在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化。但2 種激光焊接模式之間的過渡區(qū)間大小(即焦點(diǎn)位置、激光功率、焊接速度的臨界值) 以及焊縫氣孔的形成機(jī)理、來源、成分等需更深入地研究。
2.接頭清理和保護(hù)措施對(duì)鈦合金激光焊接的重要性
鈦合金焊件的清潔程度也嚴(yán)重影響其激光焊接質(zhì)量。焊前應(yīng)嚴(yán)格清洗焊件表面，去除氧化膜、油污、灰塵、銹跡和機(jī)械加工留下的冷卻液，甚至包括人手觸摸的痕跡以保證焊件的清潔，防止雜質(zhì)對(duì)焊接接頭的污染。#p#分頁標(biāo)題#e#
在高溫(大于250℃) 時(shí)，鈦及鈦合金有較強(qiáng)的氣體吸收能力。而鈦合金激光焊接時(shí)接頭區(qū)域的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過250℃，所以在沒有保護(hù)措施的情況下，空氣中的有害污染物(氫、氧、氮、碳) 就極易侵入焊接區(qū)，從而造成接頭脆化，產(chǎn)生氣孔，并大幅度降低材料的綜合機(jī)械性能。因此，鈦合金激光焊接時(shí)必須采用保護(hù)措施，通常采用惰性氣體保護(hù)，要合理選用惰性氣體種類及流量，流量過小不能充分保護(hù)焊接區(qū)域，流量過大，會(huì)產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，使保護(hù)氣體與空氣混合，反而造成不良后果。此外，鈦合金激光焊接時(shí)，應(yīng)從三方面對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，即熔池、焊縫后部高溫區(qū)和焊縫背面。
3. 鈦合金激光焊接接頭表面質(zhì)量檢驗(yàn)方法
鈦合金激光焊接接頭表面質(zhì)量，可通過焊縫的顏色來判斷接頭被污染的程度。光亮銀白色的焊縫表明沒有污染存在； 金色或淺粉色表明焊縫受到了輕微的污染，這種情況根據(jù)不同的應(yīng)用和性能指標(biāo)要求，可能被接受也可能被否定； 淺藍(lán)色或深藍(lán)色的焊縫說明污染嚴(yán)重，這樣的焊接接頭在任何場(chǎng)合下都是不合格的。
結(jié)　語
1. 對(duì)于TC4 鈦合金，激光焊接只要工藝參數(shù)匹配合理，可使焊縫內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到國(guó)標(biāo)GB3233-87級(jí)焊縫要求，實(shí)現(xiàn)TC4 鈦合金的精密焊接。
2. 焊接線能量在一定范圍內(nèi)，可使TC4 鈦合金激光焊接的焊縫氣孔減少，甚至沒有氣孔； 而且適中的焊接線能量范圍隨著焊件壁厚變化而改變。