發(fā)布日期：2025-9-10 8:56:14
引言
鈦合金由于比強度高､與復(fù)合材料良好的電化學(xué)兼容性，應(yīng)用范圍比較廣，采用鈦合金作為載體，可以在降低載體重量的前提下，提高載體的工作可靠性，延長載體的使用壽命｡在航空航天等領(lǐng)域，鈦合金主要采用焊接結(jié)構(gòu)，其焊接技術(shù)及可焊性已成為世界各國焊接界的重要課題｡
1、鈦合金的特點
鈦合金是一種性能優(yōu)異的合金｡⑴鈦合金是一種高強度､高硬度的材料｡鈦合金具有比傳統(tǒng)金屬更高的強度和更高的承載能力｡因此，鈦合金在航空發(fā)動機､汽車零部件､人造關(guān)節(jié)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景｡⑵ 鈦合金材料的致密性比較差｡這種特性使得它在諸如航天飛行器等輕量化領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢｡減輕飛機的重量，不但可以提高燃料利用率，而且可以使飛機的有效載荷增大，從而提高飛機的綜合性能｡⑶鈦合金也有很好的抗腐蝕性能｡能抗酸､堿､鹽等多種腐蝕介質(zhì)的腐蝕｡因此，可以用來制作抗腐蝕的管道､容器､外科手術(shù)儀器等 [1]｡
2、 鈦合金激光焊技術(shù)類型
2.1 脈沖激光焊
脈沖激光焊接是一種通過激光脈沖在焊縫表面形成高能脈沖的方法｡脈沖激光具有較高的峰值功率，可快速熔融､汽化鈦合金，并產(chǎn)生 “小孔” 效應(yīng)，可實現(xiàn)深熔焊｡脈沖激光焊接具有熱影響區(qū)小，焊縫組織細(xì)化，接頭綜合性能好等特點｡但是，脈沖激光焊接的速率比較低，只適合于薄厚板的焊接｡
2.2 連續(xù)激光焊
連續(xù)激光焊接是一種采用連續(xù)激光輸出等功率的激光焊接技術(shù)｡連續(xù)激光器輸出功率穩(wěn)定，焊接速率高，適合大面積焊接｡與脈沖激光焊接比較，連續(xù)激光焊接的焊接表面比較粗糙，需對其進行后處理｡
2.3 復(fù)合激光焊
復(fù)合激光焊接技術(shù)是一種利用脈沖激光與連續(xù)激光相結(jié)合的焊接技術(shù)｡適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)脈沖與連續(xù)激光的功率及脈寬，可得到較好的焊接質(zhì)量及焊接質(zhì)量｡該方法綜合了脈沖激光焊接與連續(xù)激光焊接的優(yōu)勢，適合于各種類型､壁厚的鈦合金零件的焊接 [2]｡
3、鈦合金激光焊存在問題
3.1 焊縫氣孔問題
焊接氣孔是鈦合金激光焊接研究的熱點和難點｡焊接氣孔產(chǎn)生的原因很多｡⑴由于鈦合金自身的化學(xué)特性，它對氣孔非常敏感｡鈦合金中的雜質(zhì)如氧､氮和合金元素的揮發(fā)均可引起氣孔的產(chǎn)生｡⑵焊接工藝條件也是影響焊縫處氣孔形成的主要因素｡當(dāng)激光功率太大或太小時，會造成熔合不均，產(chǎn)生氣孔的危險增大｡如果控制不好，則會引起熔池內(nèi)的滯留時間過長或過短，同時還會出現(xiàn)氣孔｡另外，保護氣的選用及流速對焊接接頭的防護效果也有一定的影響，從而對焊接中氣孔的產(chǎn)生有一定的影響｡⑶ 對焊接環(huán)境進行了分析｡如果有潮氣､污物或其它雜質(zhì)，則會在焊接時產(chǎn)生氣孔｡焊接之前，一定要保證作業(yè)環(huán)境干凈､干燥，盡量避免產(chǎn)生氣孔｡⑷材料表面處理對焊接氣孔也有一定的影響｡對焊縫進行正確的前處理與清洗是十分必要的｡焊縫中存在大量氣孔，嚴(yán)重影響了焊縫的質(zhì)量與使用性能，因而研究氣孔的產(chǎn)生機理是提高焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵｡
3.2 焊接裂紋問題
鈦合金激光焊接時出現(xiàn)的裂紋是目前急需解決的問題｡⑴鈦合金具有很高的化學(xué)活性，在焊接時極易與氧､氮等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成脆性相對較大的脆性相，提高了焊縫的開裂風(fēng)險｡同時，由于其導(dǎo)熱系數(shù)小，在焊接過程中極易形成大的溫度梯度，從而引起焊縫內(nèi)部應(yīng)力集中，從而引起焊縫開裂｡⑵激光焊接的高能量密度及快速升溫降溫特性，使其在極短的時間內(nèi)經(jīng)受強烈熱循環(huán)，極易發(fā)生熱開裂｡而激光束在焊接過程中，熔深小，極易產(chǎn)生不熔合等缺陷，使裂紋擴展更加嚴(yán)重｡⑶對焊縫開裂也有較大的影響，主要是焊接參數(shù)的選取｡在實際應(yīng)用中，由于激光功率､焊接速度和光斑直徑等因素的影響，會產(chǎn)生開裂｡在鈦合金激光焊接過程中，焊縫開裂是最常見的一種缺陷，其產(chǎn)生的原因很多，嚴(yán)重時甚至?xí)鸷附拥氖?#65377;
3.3 變形問題
鈦合金在激光焊接時，容易產(chǎn)生塑性變形，從而降低焊縫的質(zhì)量與使用性能｡在實際應(yīng)用中，由于焊縫幾何尺寸的變化，使得工件的加工精度下降，甚至達不到使用要求｡分析了鈦合金在激光焊接過程中產(chǎn)生的變形問題｡⑴鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，但激光焊接熱輸入集中，熱膨脹與收縮不均，造成焊縫變形，嚴(yán)重影響其性能｡鈦合金材料的比熱特性決定了其在焊接時極易聚集在焊縫附近，導(dǎo)致焊縫處溫度急劇上升｡焊接完成后，焊縫進入冷卻階段，焊縫及周邊區(qū)域因熱膨脹系數(shù)不同而出現(xiàn)不同程度的收縮，造成焊縫變形｡⑵焊接時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也是引起焊縫變形的一個主要因素｡激光焊接過程中，焊縫在受熱､冷卻過程中會發(fā)生不均勻的熱､冷，并會形成殘余應(yīng)力｡在焊接過程中，焊接接頭中的殘余應(yīng)力高于接頭的屈服極限，將引起焊接接頭的變形｡焊接過程中的殘余應(yīng)力與焊接工藝參數(shù)､焊件幾何尺寸及約束條件密切相關(guān)｡⑶焊接變形對焊件的結(jié)構(gòu)設(shè)計也有一定的影響｡若被測構(gòu)件的組織設(shè)計不當(dāng)､焊縫布局不當(dāng)，則會造成焊件在焊接時的應(yīng)力分布不均，進而產(chǎn)生變形 [3]｡
4、鈦合金激光焊技術(shù)優(yōu)化措施
4.1 有效解決焊縫氣孔問題
焊縫氣孔會使接頭的強韌化程度下降，如何有效地解決這一問題，是提高鈦合金激光焊接質(zhì)量的關(guān)鍵｡⑴選用合適的焊材｡選用優(yōu)質(zhì)的母材及線材是降低焊接缺陷的重要措施｡選用高純度､低氣體含量的鈦合金，焊接時要保證焊條的表面沒有氧化物層和污物｡另外，選擇合適的焊絲直徑及工藝參數(shù)對提高焊縫質(zhì)量具有重要意義｡⑵做好焊接前的準(zhǔn)備。焊前，母材表面應(yīng)完全清除，清除油脂､氧化物及其它雜質(zhì)｡同時要保證焊縫處的干燥，避免濕氣在焊縫處生成｡⑶對焊接過程中的工藝條件進行優(yōu)化｡為了有效地降低焊縫中的氣孔，必須對其進行優(yōu)化｡在此過程中，適當(dāng)增大激光功率､增大焊接速率，有利于加快熔池的凝固，縮短氣體滯留時間｡通過對焊接溫度､保護氣流量的適當(dāng)控制，可以減少焊縫中的氣孔｡⑷ 使用惰性氣體進行防護｡采用惰性氣體 (如氬) 對焊縫進行保護，可有效避免焊縫被大氣中的氧､水蒸汽污染｡另外，還可以通過增加氣體流量和增加氣體覆蓋率等措施來改善焊接質(zhì)量｡⑸焊接后的表面處理。焊接結(jié)束后，必須對焊縫做好后處理｡采用退火､熱處理等方法，可有效地消除焊接接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力，從而降低氣孔的產(chǎn)生｡
4.2 改善焊縫裂紋問題
鈦合金在焊接時，極易產(chǎn)生裂紋等缺陷，嚴(yán)重降低了接頭的質(zhì)量與使用性能｡要解決這個問題，可以采取如下措施:⑴要從根本上解決焊接裂紋的問題，就必須優(yōu)化焊接工藝｡適當(dāng)?shù)剡x取激光功率､速度及光斑尺寸等工藝參數(shù)，此外，通過預(yù)處理及后熱處理，也能減輕焊接應(yīng)力，改善接頭的韌性｡⑵選用適當(dāng)?shù)暮附z對解決焊接裂紋問題也起著重要作用｡焊絲與鈦合金基體具有較好的相容性，能改善焊接接頭的強韌化程度，降低開裂幾率｡另外，在焊接過程中加入少量的稀土元素，如稀土，對焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)有一定的改善作用｡⑶焊接件的前處理也很重要｡在焊接過程中，通過清除工件表面氧化物､雜質(zhì)等，可以有效地改善焊接質(zhì)量，降低焊接裂紋｡另外，通過對焊縫的保護，如惰性氣體的保護等，可以有效地避免焊縫的氧化，從而提高焊縫的質(zhì)量｡通過上述幾個方面的研究，可以有效地解決焊接裂紋問題，從而改善焊縫的質(zhì)量與性能 [4]｡
4.3 改善焊縫變形問題
鈦合金在焊接時極易發(fā)生焊縫變形，針對該問題，從以下幾個方面的解決:⑴合理地選擇焊接工藝參數(shù)；通過對各工藝參數(shù)的優(yōu)化，可減小線能量，減小焊縫變形｡如降低激光功率､提高焊接速率，可加速焊接過程中的熱損失，減少變形；⑵合理的焊接次序?qū)p少焊接變形也起到了一定的效果｡多道焊縫的焊接應(yīng)遵循一定的次序，以防止因熱集中引起的過度變形｡另外，還可以采用對稱焊接和分段焊接的方式，使得焊接過程中的應(yīng)力分布更均勻，從而降低了焊接變形｡⑶采用預(yù)處理､后處理等方法，對解決焊接變形問題也是一種行之有效的方法｡在焊接之前，對被測構(gòu)件進行合適的預(yù)熱處理，可以有效地減小焊縫中的溫度梯度，減小焊縫中的應(yīng)力｡焊接后的熱處理可以有效地消除殘余應(yīng)力，提高接頭的組織與性能，降低變形量｡⑷采用先進的焊鉗及約束設(shè)備，對焊接變形問題也有明顯改善｡該設(shè)備能有效地約束被焊構(gòu)件的變形，從而確保了焊接的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性｡通過仿真計算，預(yù)先對焊接工藝進行優(yōu)化，實現(xiàn)對焊接變形的有效控制，進而提升接頭的質(zhì)量與可靠性｡
4.4 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)
⑴焊接速率對焊接質(zhì)量起著決定性的作用｡焊接速率太高，焊縫不均勻，缺陷增多，而焊速太低，又會使線能量增大，使材料變形加劇，晶粒長大｡所以，在實際應(yīng)用中，要結(jié)合鈦合金材料的厚度及焊接工藝，選用合適的焊速，才能保證焊縫的穩(wěn)定與質(zhì)量｡⑵ 激光功率的選取對焊縫質(zhì)量有很大的影響｡隨著激光功率的增大，焊縫的加熱影響區(qū)增大，從而增大了焊縫的厚度｡所以，在滿足焊接強度要求的同時，要適當(dāng)調(diào)節(jié)激光功率，以防止因溫度過高而引起的材料變形及性能退化｡⑶光斑直徑對焊縫寬度及熔透有較大的影響｡光斑直徑越小，焊縫越窄，但也就越難實現(xiàn)｡因此，在對其進行優(yōu)化時，應(yīng)從提高焊接質(zhì)量､提高焊接效率的角度出發(fā)，選取適當(dāng)?shù)墓獍咧睆?#65377;⑷保護氣的種類及流速也是影響焊縫質(zhì)量的主要因素｡氬､氦是一種常見的焊接保護氣，能有效地避免焊接過程中的氧化､污染，并能有效地改善焊接的質(zhì)量和純度｡在焊接時，要結(jié)合鈦合金材料的特點及焊接需要，選用適當(dāng)?shù)谋Ｗo氣，控制好流速，保證焊縫周圍的惰性氣氛｡⑸還應(yīng)進一步優(yōu)化焊接節(jié)點的設(shè)計｡通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以降低焊縫的應(yīng)力集中程度，改善焊縫的強度，延長焊縫的疲勞壽命｡在進行焊縫設(shè)計時，要綜合考慮材料物理性質(zhì)及焊接技術(shù)，選擇合適的坡口形式､焊縫形狀等參數(shù)，才能達到最好的焊接效果｡通過對各工藝參數(shù)的合理選取與調(diào)節(jié)，可有效地提高焊縫的質(zhì)量與效率，以適應(yīng)各行業(yè)對鈦合金焊縫的要求｡
5、鈦合金激光焊研究展望
目前，在鈦合金焊接方面已有了一些發(fā)展，但是仍然存在很多問題｡比如，鈦合金對激光的吸收能力差，在焊接時對能量的要求也比較高；此外，激光焊接的溫度較高，極易導(dǎo)致鈦合金發(fā)生氧化､滲氮，從而降低焊接質(zhì)量｡未來鈦合金激光焊的發(fā)展如下:⑴ 探索新的激光源及焊接技術(shù)，以增加鈦合金對激光的吸收能力，減少對能量的消耗｡如利用新的光源如光纖､半導(dǎo)體激光器等，并與脈沖激光､復(fù)合激光等先進的焊接技術(shù)相結(jié)合，可有效地提高焊接的效率與質(zhì)量｡⑵研制一種適合于鈦合金激光焊接的氬氣保護工藝，以減輕焊接過程中的氧化､滲氮｡通過對保護氣組成及流速的控制，可以有效地避免鈦合金的氧化､滲氮，從而改善接頭的強韌性｡⑶將計算機仿真與智能控制技術(shù)應(yīng)用于鈦合金焊接領(lǐng)域，為今后鈦合金焊接研究提供了新的思路｡利用有限元分析方法，對焊縫溫度場､應(yīng)力場及變形狀態(tài)進行了預(yù)測，從而對焊接工藝進行優(yōu)化；該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測､調(diào)節(jié)焊接工藝，確保焊接質(zhì)量穩(wěn)定｡⑷激光焊接鈦合金需要與材料､機械等多個學(xué)科相結(jié)合 [5]｡
6、結(jié)語
隨著航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸬男枨罅吭絹碓酱螅瑢ζ浜附庸に囂岢隽烁叩囊?#65377;通過對鈦合金激光焊的深入研究，可有效地提高其焊接效率､質(zhì)量､降低制造成本，促進其在上述行業(yè)中的推廣應(yīng)用，對促進鈦合金焊接質(zhì)量､促進相關(guān)行業(yè)發(fā)展､促進我國制造水平的提高，也是一項十分有意義的研究課題｡為此，應(yīng)該加強對鈦合金激光焊的研究，為其更廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)｡
參考文獻
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[3] 楊環(huán)宇，徐信坤，巴現(xiàn)禮。低功率激光 - 雙電弧焊接鈦合金中厚板工藝及機理 [J]. 機械制造文摘 (焊接分冊),2023 (3):1-8.
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（注，原文標(biāo)題：鈦合金激光焊研究現(xiàn)狀與展望）
tag標(biāo)簽:復(fù)合激光焊,鈦合金精密成形,能量調(diào)控,缺陷抑制,先進激光焊接