（机械制造及其自动化专业论文）tc4钛合金钢复合激光焊接工艺研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 异种金属之间的焊接由于物理化学性能差异以及焊接时容易生成金属问化 合物，往往存在着难度，是工业界一直重视的一个课题。而热输入量是影响异种 金属焊接接头性能的重要因素之一。热输入量越小，热源性质控制可较为精确， 焊接时热影响区和热膨胀量就越小，残余应力以及出现裂纹的可能性就越小，而 传统的熔化焊接方法一般热输入量都比较大，对热源性质的精确控制比较难，难 以获得良好性能的焊接接头。激光焊接具有高能量密度、快速加热和冷却、焊缝 深宽比大、熟影响区小以及热源可精确控制的特点，使得激光焊接成为焊接异种 金属较为理想的焊接方法。 1 4 钛合金与钢的焊接结构是应用于航空工业的一种重要结构。t c 4 和钢之 间的焊接属于异种金属焊接范畴。但t c 4 钛合金和钢焊接除一般异种金属焊接 时容易出现的问题外，还有其特殊的地方，这就需要对其焊接性进行分析。 本文对t c 4 钛合金和钢异种金属焊接性的研究是以钛和钢的焊接性为基础 的。指出焊接时要用氩气作为保护气体，同时在保证熔透的条件下，严格控制热 输入量以及热影响区，防止金属间化合物t i f e 和t i f e 2 的生成和晶粒过于粗大， 从而提高接头的塑性和强度。 金属间化合物的生成和晶粒粗大与热影响区温度分布有关，同时还与激光焊 接加热和冷却的速度之间相关。因此对激光焊接温度场模拟十分有必要。本文提 出了激光焊接t c 4 钛合金和钢热源模型和高速移动热源解析式，对焊接过程进 行数值模拟，模拟结果与实际结果相接近，说明模型反映了实际情况，可用于激 光焊接异种金属时的数值模拟。 本文应用弹塑性理论建立应力应变场数值模拟模型，预测焊接残余应力和应 交情况。由模拟结果看出，焊接时x 方向存在着较大的变形，可用夹具压紧焊 接材料，防止变形。焊接后存在残余应力，可以减小热输入量，具体做法可以在 保证焊接质量的情况下，减小激光功率，或者增大焊接速度。 本文提出用w e 和正交试验相结合的工艺优化方案，可减少试验次数，使试 验目的很明确。同时分析各工艺参数对焊接质量的影响，为调整各工艺参数做了 理论性的指导。最后按工艺优化路线进行试验，得出最优工艺规范。 关键字：钛合金异种金属焊接激光焊接有限元方法工艺优化 气0 o j 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e l d i n go fd i s s i m i l a rm e t a li so l d e nd i f f i c u l t , b e c a u s eo fd i f f e r e n c ei np h y s i c s ， c h e m i s t r y a n dt h e y 黜e a s i l yc o m i n gi n t ob e i n gi n t e r m e t a l l i ec o m p o u n d sw h e nt h e y a r cw e l d e dt o g e t h e r h e a ti n p u ti so n eo fi m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c tt h eq u a l i t yo ft h e w e l d t h el e s sh e a ti n p u t , t h es m a l l e rt h e r m a le x p a n s i o n , h e a t - a f f e c t e d7 - , 0 1 1 ea n d r e s i d u a l8 t i e s sa r e t h e r ea 阳a l s ol e s sc r a c k s b u tt h eh e a ti n p u to ft r a d i t i o n a lm e l t w e l d i n gm e t h o d si sa l w a y sv e r yl a r g e a n dh a r dt oe o n t x 0 1 t h u st h o s em e t h o d o l o g i e s a r eh a r dt og a i ng o o dw e l d s c h a r a c t e r i s t i c so f t h el a s e rb e a m w e l d i n g a r ch i g hp o w e r d e n s i t y , r a p i dh e a t i n ga n dc o o l i n g , i n e r e s e e n td e p t h w i d t hr a t i oo fw e l d , s m a l lh e a l a f f e c tz o n ea n de a s i l yt oe o n t a o lh e a ti n p u ts ot h el a s e rb e a mw e l d i n gi saf r e e w e l d i n gm e t h o d o l o g yf o rd i s s i m i l a rm e t a lw e l d i n g t h ew e l d i n gb e t w e e nt c 4t i t a n i u ma l l o ya n ds t e e li sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni n a v i a t i o ni n d u s u y i ti sb e l o n gt od i s s i m i l a rw e l d i n g , b u ti ti sm o r et h a nd i s s i m i l a r w e l d i n g t h u sw e n e e dt oa n a l y s i st h ew e l d a b i l i t yo f t c 4t i t a n i u ma l l o ya n ds t e e l i nt h i sp a p e rt h ew e l d a b i l i t yi sa n a l y s e db e t w c e l lt c 4t i t a n i u ma l l o ya n ds t e e l b a s e do nw e l d a b i l i t yo ft c at i t a n i u ma l l o ya n ds t e e l t h er e s u l ts h o wt h a ta r g o ni sa g o o dp r o t e c tg a sa n dc o n t r o l l i n gh e a ti n p u ti sn e c e s s a r yi f t h ew e l dc a l lb ep e n e t r a t e d ， t op r e v e n tc o m i n gi n t ob e i n gi n t e r m e t a l l i ec o m p o u n d s ( t i f ea n dt i f e 2 ) a n de n l a r g i n g o f t h ec r y s t a lg r a i n t h u st h es t r e n g t ha n dp l a s t i co f w e l dc a nb ei m p r o v e d c o m i n gi n t ob e i n gi n t e r m e t a l l i ec o m p o u n d sa n de n l a r g i n go fc r y s t a lg r a i na r e r e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r ei nh e a t - a f f e c t e dz o n e t h e ya l ea l s oi n f l u e n c e db yt h e v e l o c i t yo f t h eh e a t i n ga n dc o o l i n go f t h ew e l d s ot h es i m u l a t i o no f t h et e m p e r a t u r e f i e l di sv e r yn e c e s s a r y ah e a tr e s o u l r c em o d e lf o rl a s e rb e a mw e l d i n gb e t w e e nt c 4 t i t a n i u ma l l o ya n ds t e e li sp u tf o r w a r d a n dt h ea n a l y s i sf o r m u l ai sa l s o 酉v e i lt h e s i m u l a t i o nr e s u l ti sd o s et oe x p e r i m e n tr e s u l t , t h u st h em o d e li sc o r r e c ta n dc a l lb e u s e dt os i m u l a t el a s e rb e a mw e l d i n gd i s s i m i l a rm e t a l i nt h i sp a p e rs t i e s sa n ds t r a i nf i e l dm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n ge l a s t o - p l a s t i c i t y t h e o r y , t of o r e c a s tr e s i d u a ls 1 1 e $ $ a n ds t r a i n t h ed e f o r m i n go f x - d i r e c t i o ni sv e r yl a r g e g a i n e db ys i m u l a t i o no ft h es l l a i nf i e l d s ow ec a l lu s ed a m p i n gf i x t u r et oc o m p a c t t h es p e c i m e n sa g a i n s td e f o r m i n g i no r d e rt or e d u c er e s i d u a ls t r e s s ，w em a yr e d u c e t h ep o w e ro f l a s e rb e a ma n di n c r e a s et h ev e l o c i t yo f t h ew e l d i n g i nt h i s p a p e rw eu s ew em e t h o d o l o g yc o m b i n i n g 、 d 血o r t h o g o n a l t e s tt o o p t i m i z ep r o c e s s t h i sm e t h o dc ：a l t lr e d u c et h et i m e so ft h ee x p e r i m e n t w ea l s o a n a l y s et h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e ro nt h ew e l dq u a l i t y i tg u i d e sh o wt o l 、j ， - h 浙江大学硕士学位论文 a d j u s tp r o c e s s i n gp a r a l a e t e rt e c h n i c a l l y a tl a s tt h ee x p e r i m e n ti sd o n ea c c o r d i n gt o t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d o l o g y , a n dt h eo p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r sa l e g a i n e d k e yw o r d s ：t i t a n i u m - 0 y d i s s i m i l a rm e t a lw e l d i n g1 a rb e a mw e l d i u g f e m p r o e e o p t i m i z a t i o n m l i f ， _ h 以 ，r 学号一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘茎或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝作者签名羊磊签字日翌：少。锌月f p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权韭盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇耳磊 导师签名 签字日期：加i 年f 月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 签字日期：口台年厶月f f 日 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 钛是一种银灰色金属，比重为4 5 l g c m 3 ，比重高于铝而低于钢、铜、镍， 但比强度高于铝合金和高强合金钢。钛合金强度高，密度小，耐腐蚀性能好，既 耐高温，又耐低温，在2 5 3 5 0 0 这样宽的温度范围内都能保持高强度。这 些优点正是航空航天工业所必备的，一直有。航天金属”之称0 , 2 1 。因此飞机上 很多部件都是用钛合金制造的，如机身蒙皮、机身骨架和发动机等。而在钛合金 中以t i 6 a i - 4 v 合金使用最为广泛( 相当我国牌号t c 4 ) 。如f 2 2 所使用材料中 4 1 为钛合金，其中8 6 为t i 一6 a 1 - 4 v 合金。除了使用钛合金外，还用到部分钢 材，自然涉及到t i 6 a i - 4 v 钛合金与钢焊接的问题。 钛合金的一个重要应用实例是制造喷气发动机。美国通用电气公司研制的喷 气发动机，如分别装配在c 5 a 、d c - l o 及b 1 飞机的t f 3 6 、c f 6 、f 1 0 1 型发动 机，平均2 6 ( 重量) 的选材都是钛合金。在大应力和较高温度下工作的零件， 都是用面6 a l _ 4 v 钛合金制造的，如j 5 7 涡轮喷气发动机压气机的转子盘和叶片。 压气机和燃烧室之间的连接就是典型t c 4 钛合金与钢焊接。因此，t c 4 钛合金 和钢的焊接质量成为发动机性能优良与否的关键所在【l 】。 又如在电力工业中，汽轮机的最后一级叶片也是用钛合金制造的，这些叶片 要求高度可靠性，因在蒸汽中受到巨大的离心力，不仅要求有良好的耐腐蚀性， 而且要有较高的强度，钛合金比强度高，因此叶片可以制造得更大。而汽轮机承 受大载荷的构件，一般由钢制造。又如在开发海底油田的工程中，很多工作都是 在含硫，盐水酸性强腐蚀环境中进行的，也需要用到钛合金和钢的焊接结构。 上面的实例是出于性能要求考虑的，实际上，由于钛提取过程复杂，加工成 本高，导致生产成本过高。而钢是应用最广泛的工程材料，具有良好的强度、韧 性、硬度、耐磨性和回火稳定性等性能，更重要的是，钢的成本相对钛合金来说 低得多。钛合金和钢的焊接结构，能够充分发挥出材料各自的固有特性，钛钢 结构可使钢的高强性、高韧性、高硬度、耐磨性与钛合金的低密度、良好的耐腐 蚀性相结合起来；同时又能节约成本，提高经济效益。所以，研究钛合金和钢之 间的焊接具有重大价值。 t c 4 钛合金和钢之间的焊接，属于异种金属焊接的范畴。异种金属的焊接， 是指两种或两种以上的不同金属在一定工艺条件下进行焊接加工的过程。异种金 属焊接的特点是能够最大限度地利用材料各自优点，做到“物尽其用”。但是， 由于异种金属焊接金属间物理化学性能及化学成分的差异，无论从焊接机理和操 浙江大学硕士学位论文 作技术上都比同种材料焊接复杂得多。异种金属焊接时的主要困难如下：l 、焊 接接头因金属间化合物的生成而脆化；2 、因异种金属间物理性能不一样而产生 过大的焊接应力，使热影响区容易产生裂纹，甚至焊缝与母材剥离。要克服这些 困难，就要选择合理有效的焊接方法及焊接工艺。一般传统的焊接方法，由于热 输入量比较大，会使焊接时产生的金属问化合物过多，并且产生过大的残余应力， 往往不能获得良好性能的焊接接头。而激光焊接热源集中，热输入量相对较小， 有可能成为异种金属焊接的良好方法。 激光焊接是六十年代开始出现的一项新技术，是利用高能量密度的激光束作 为热源的一种焊接方法。激光焊接技术具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属，适 用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、 高导热率和物理特性相差很大的金属特别有利【2 7 l 。在各种激光加工中，激光焊 接的增长最快，如日本川崎钢铁公司的激光焊接系统，大大提高焊接质量，而投 资成本仅为其它焊接的2 3 。在汽车制造业中，美国福特汽车公司采用6 k w 激光 加工系统，将冲压的板材拼焊成汽车底架并用s k w c 0 2 激光焊接装置制造新型 a ) ( o d 传动装置，该公司还用带有视觉系统的激光器，将6 根轴与锻压出来的齿 轮焊接在一起，成为轿车自动变速器的齿轮架部件，使生产率大大提高。美国近 年来还采用激光焊接l m m 6 4 m 的钛合金t i 一6 a l 一4 v 。激光焊接工艺不仅使生 产率大大高于其它焊接工艺，而且接头性能优越，所有焊缝强度等于或高于母材， 激光焊接己成功地用于发动机机壳、机翼隔架等飞机零件的生产。在轻工业、电 子工业等工业领域中，激光焊接更得到较大的发展。如显像管电子腔、雄头盒的 焊接都比旧有焊接工艺显著提高了焊接质量。激光焊接的优良特性以及日益广泛 的应用，使得激光焊接有可能成为焊接异种材料的有效方法。 1 2 激光焊接技术发展及应用 激光焊接技术历经了从固体受激物质一气体受激物质一液体受激物质、由脉 冲激光焊接一连续激光焊接、低功率一高功率、薄板一厚件、低速一高速、低频 一高频及低效一高效的历史。激光焊接工艺具有许多独特的优势，如聚集的能量 密度相当高、焊缝狭窄、热影响区小、操作简单、控制容易，不需要真空室等， 可以利用其深熔方式来焊接厚大工件，也可以通过热导方式焊接薄板。激光焊接 的优异性能使其能够方便地应用于许多领域，并日益受到人们的关注。但是，激 光焊接仍有一些不足之处，包括较高的制造与操作成本和较低的能量转换效率， c 0 2 激光器不太适合焊接高反射率材料( 如铜、铝等) ，激光光纤传输的较低效率 限制了多工作台多工件同时焊接的进一步发展与推广，激光焊接的熔深控制及超 薄板的激光焊接工艺仍不成熟，所有这些问题均有待于深入的研究与实践。激光 2 浙江大学硕士学位论文 焊接的应用也随着激光焊接技术的发展而日趋广泛，目前已涉及航空航天、武器 制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。激光焊接 技术发展到今天，其逐步取代电弧焊、电阻焊等传统焊接方法的趋势已不可逆转， 在未来的2 1 世纪中，激光焊接技术在材料连接领域必将起到至关重要的作用。 很多学者将激光加工连同电子束加工和等离子弧加工并称为2 1 世纪最具发展前 景及最有效的加工技术。 目前，几乎所有用于焊接和热处理的固体n d ：y a g 激光器都与光导纤维系 统组合使用，具有革新性的纤维传送系统与n d ：y a g 激光器的结合大大增加了 激光加工系统的方便性与灵活性，这种组合系统对于工业上的多工作台同时加工 及机器人或机械手操纵非常理想。而且n d ：y a g 激光器比c 0 2 激光器更适合于 焊接高反射率材料( 如铜合金和铝合金等) ，这是由于n d ：y a g 激光具有相当短的 波长( 1 0 6 u r n ) ，从而可获得较高的功率密度。值得注意的是，对于相同的平均功率， 脉冲n d ：y a g 激光比连续n d ：y a g 激光可获得更大的熔深【引。在航空工业以及 许多其它应用中，激光焊接能够实现很多类型材料的连接，而且激光焊接通常具 有许多其它传统熔焊工艺所无法比拟的优越性，尤其是激光焊接能够连接航空与 汽车工业中比较难焊的薄板合金材料如铝合金与钛合金等，并且构件的变形小，。 接头质量高，重现性好。激光加工的另一项具有吸引力的应用方面是利用了激光 能够实施局部微小范围加热的特性，激光所具有的这种特点使其非常适于印刷电 路板一类的电子器件的焊接，激光能在电子器件上非常小的区域内产生很高的平 均温度，而接头以外的区域则基本不受影响。用于激发高功率n d ：y a g 晶体的 二极管激光组合的应用是一项重要的发展课题，必将大大提高激光束的质量，并 形成更加有效的激光加工。采用直接二极管阵列激发输出波长在近红外区域的激 光，其平均功率己达l k w ，光电转换效率接近5 0 。 近年来，铝合金和镁合金的激光焊接受到注目，许多学者进行了研究。已对 铝合金车a 2 进行了y a g 激光焊。通常采用高s i 的a l 焊丝进行y a g 激光焊接。 利用3 k w 光纤传送y a g 激光对6 x x x 合金进行焊接，尤其探讨了激光束的匹 配问题，以及间隙许允度及重力的影响，向上、向下及模向焊接都可以。其它， 还进行了各种合金y a g 激光的对接、搭接及t 型接头焊接试验，比较了其焊接 性及各种保护气体下接头的抗拉强度，进行了铸造材和挤出材的y a g 激光焊接， 探讨了气孔生成及各种焊接条件的影响【9 】。 m g 比重比a l 小3 6 ，作为高比强度材料受到注目。有学者对镁合金进行 了脉冲y a g 激光和连续c 0 2 激光焊接试验。还测定了y a g 激光焊接区的硬度 分布，发现h a z 窄，几乎没有软化。对高压d i ec a s t ( h p d c ) 和常压d c 的两种 h z g l ( 9 a 1 ，1 z n ) 合金进行y a g 激光焊接的结果表明，h p d c 焊接区多发生大 气孔，而d c 焊接区( 高功率密度，高速度) 没有大气孔和裂纹。进一步分析发现， 3 浙江大学硕士学位论文 焊缝金属中形成了比r - a l l 2 m g l 7 包围的富m g 的细微等轴树枝晶，使焊接区的硬 度高于母材。对于任何m g 合金，由于m g 和z n 的蒸气压高，焊接中比优先 蒸发使成分发生变化【1 0 j 。 1 3 国内外钛钢焊接研究现状 焊接钛合金和钢存在着巨大的阻碍，但钛钢结构有着广阔的前景( 我们把钛 合金和钢的焊接结构简称为钛钢结构) ，国内外学者对此进行不懈地探索，并能 够在一定的焊接方法、焊接条件下获得较为理想的钛钢焊接接头。 铁在钛中溶解度极低，焊接时焊缝金属中容易形成金属间化合物t t f e 、 t i f e 2 ，使接头金属塑性严重下降，脆性增加；同时，高温下钛易于吸收氢、氧、 氮，使焊接区被这些气体污染而脆化，甚至产生气孔，严重影响焊接质量。为了 克服困难，获得良好的焊接接头，国内外学者进行了大量研究。 1 3 1 固相连接方法 在金属连接过程，母材基本不熔化( 或者只是连接接触面附近一薄层金属被 加热到热塑性状态) ，通过借助外界强大的压力( 或与母材形成互溶体) ，从而使金 属原子达到原予作用间距内以实现金属间的连接，这种连接方法被称为固相连接 方法。 1 爆炸焊接 爆炸焊接是采用爆炸作为能源，利用金属问相互碰撞所产生的冶金特点，使 不同性能的金属产生相互结合的特种焊接方法。 钛和钢的爆炸焊接通常有三种方案：( 1 ) 不加中间层；( 2 ) 加一层中间层； ( 3 ) 加两层不同材料的中间过度层。 在爆炸焊接过程中，受冲击的金属表面层可能有局部熔化、不同比例的混合 和脱开。爆炸后元素在接头区的分布特征与这些元素的溶解度无关。炸药放置在 钛板与钢板之间，焊接区域之间留有间隙，这是为了让焊接板在爆炸压力作用下 被加速到一定飞行速度而设置的。当炸药从一端被引爆时，炸药开始爆轰，爆轰 过程是以稳定的速度( 爆速) 从起爆端传向末端，从而在爆炸产物能量的作用下被 加速，产生强烈的碰撞，钛板和钢板从起爆端至尾端逐渐闭合，碰撞点以稳定的 速度( 平行布置时等于爆速) 传播。碰撞点附近会产生几万m p a 的高压，而被焊材 料的强度与碰撞压力相比是很小的，所以在碰撞点附近的待焊材料完全呈流体状 态，钛、钢板界面则在高压下焊合在一起。用电子探针和x 射线结构分析证明， 在钛与钢的接触区，总存在着t i f e 和t i f e 2 金属化合物。同时还可见到没有扩散 4 浙江大学硕士学位论文 区的过度区域，在熔化处可见到裂纹。钛钢爆炸焊接接头的强度完全取决于爆 炸焊规范。试验证明，在适当的工艺下，不加中间层焊接接头的强度，可以等于 良种金属中强度较差的一种钢的强度。这种焊接接头只允许在温度低于5 0 0 c 时 使用【1 3 1 2 冷压焊 由于在焊接过程中不进行加热而施加强压，使被焊材料的变形较大冷压焊 异种金属的焊接性，主要取决于被焊金属表面状态和被焊金属在压力作用下的压 缩率只有达到一定的压缩率才能实现冷压焊。比较适合薄板之间的焊接。焊接 时的冷作硬化使接头强度提高，塑性降低。用冷压焊焊接l c r l g n i 9 n 不锈钢和 t b l 钛合金，可以获得与钛等强度的焊接接头。 3 楔焊 所谓楔焊是一种特殊的冷压焊，适于焊接塑性相差很大的异种金属。 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢与钛合金楔焊时，加铝或铜作中间夹层，不锈钢零件的端部加 工成1 5 - - - 2 0 。的锥角，钛合金零件要加工成相应形状的凹穴，用氩气保护进行焊 接。加入铝中间夹层时，零件要加热到4 0 0 - 4 5 0 ，加入铜中间夹层时，零件要 加热到7 5 0 - - 8 5 0 。加入厚度为0 1 - - - 0 2 毫米铝和铜双层金属中间夹层进行楔焊 时，因扩大了接触面积，焊接接头的强度超过了钢零件的强度【1 4 1 。 4 热挤压焊 热挤压焊通常是把被焊零件放在抽真空的套管内进行加热，然后挤压成复合 金属的过渡段。t c 2 钛合金与1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的热挤压焊，挤压前要把套装 容器加热到8 0 6 - - 8 7 0 ，挤压时压力为9 0 0 - - 1 1 0 0 m p a 。对试件进行拉伸试验时， 断裂产生在不锈钢上。在钛钢焊接接头中，界面是一条清晰可见的细线。钛钢 焊接接头扩散区宽度与焊接温度、保温时间成正比。通过热挤压可以把工业纯钛 与1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢制成管状的过渡接头。钛与钢之间出现的扩散层，用电子 探针分析证明是t f f e 、t i f e 2 、t i n i 和t i c r 2 等金属间化合物。 5 钎焊 钛及钛合金在焊接过程中高温时易吸收氢、氧、氮等气体而产生脆化，而在 钢和钛及钛合金钎焊时也同样要防止高温时受氢、氧、氮的侵害，钎焊过程必须 在氩或者氦气保护下的炉中进行，可以获得优质的焊接接头。钎料是成功焊接的 关键，如我国学者研制出的a 9 9 5 c u n i l i 钎料，在焊接钛合金和不锈钢后得到与 母材冶金结合良好，钎缝致密的焊接接头。 6 扩散焊 扩散焊是一种压焊方法。将焊件在高温下加压，但不产生可见变形和相对移 动的固态焊接方法即扩散焊。焊接在真空中进行的称为真空扩散焊。采用真空扩 散焊方法焊接钢和钛及钛合金，一般情况下，多采用中间扩散层或复合填充材料 5 浙江大学硕士学位论文 这些中间扩散层材料一般采用v 、n b 、t a 、m o 、c u 等，复合层有v + c u 、c u + n i 、 v + c i 州哂以及t a 和青铜等。最常见的中间扩散层金属是c u 。在高温下，c u 与 噩之间产生扩散，而且铜在钛中具有一定的溶解度。此外，加入铜可以控制碳向 钛中扩散，并且铜具有良好的塑性，有助于形成良好的界面。 1 3 2 熔化焊接方法 熔化焊接方法就是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。常用于 焊接钛合金和钢结构的熔焊有：氩弧焊、真空电子束焊和电弧焊。 1 氩弧焊 钢与钛的氩弧焊焊接主要采用中间过度层，以避免金属间化合物的产生。过 度层可以采用两种方法：一是采用轧制钢钛复合板，二是加入中间层厚 l 1 5 m m 的钛与不锈钢氩弧焊时可采用青铜复合中间层，接头强度 o b 5 8 8 m p a 。也可以采用n i c u 合金作为中间层。 碳钢、不锈钢与钛焊接时，可以采用钒作为中间层。先在钢板上加工出一定 形状的凹槽，然后在凹槽上焊上钒的中间层，再用氩弧焊( 不加丝) 把钛板焊在钒 中间层上，采用这种工艺方法焊接的接头力学性能好，而且还具有良好的塑性。 采用自动氩弧焊焊接c r l 5 n i 5 a i t i 不锈钢与钛合金时，可以选用加钨的钒合金作 为中间金属层。中间金属宽度8 一- 1 0 m m ，厚度为l 1 5 m m ，用直流正接电源，外 加氩气保护。焊接电流为7 0 - 8 0 a ，焊接速度为o 8 3 c m s 。 在焊接钒与钢时，钨极要偏向钒一侧l 陀钨极直径的距离。焊缝含钒量在 6 一1 2 时，焊接接头的弯曲角可达1 4 0 。如果电极偏向钒一侧时，增加钒的 熔化量，焊缝中钒的含量可达4 0 - 4 5 ，焊缝金属中形成稳定的b 相，弯曲角 可达1 5 0 01 8 0 0 。 2 真空电子束焊 电子束焊焊接能量高、穿透能力强，适用于焊接各种难熔金属，还可实现多 种异种金属的直接焊接，例如高熔点的氧化材料、钛及钛合金等难焊金属的焊接。 钢与钛及钛合金的真空电子束焊的最大特点时获得窄而深的焊缝( 1 ：3 至l ：2 0 ) ， 而且热影响区很窄。在真空种焊接，避免了由于钛在高温种吸收氢、氧、氮而产 生的焊缝脆化。在电子束的焊缝中有可能生成金属间化合物，使接头塑性降低。 由于焊缝比较窄，在工艺上加以控制可以减少金属间化合物。因此，钢与钛的电 子束焊接可以获得良好质量的焊接接头。 钢与钛及钛合金真空电子束焊接时，一般选用n b 和青铜作为填充材料，可 以获得不出现金属间化合物的焊缝，接头强度高且具有一定的塑性，焊缝不出现 6 浙江大学硕士学位论文 裂纹和其他缺陷。如果不用中间层焊接时，将获得塑性低的接头，甚至出现裂纹。 这些中间层的合金有v + c u 、c u + n i 、a g 、v + c l m q i 、n b 和t a 等，采用中间层 的焊接工艺比较复杂，一般应用的较少。钢和钛及钛合金的真空电子束焊之前， 必须对钛的表面进行清理，即对端面用不锈钢丝刷或机械加工之后再进行酸洗， 然后用水冲洗干净。 3 电弧焊熔焊e - * f 焊 为避免在钛与钢的焊缝中产生金属间化合物和获得塑性良好的焊接接头，必 须避免熔化金属之间的相互搅拌。用电弧焊加热，使一种金属熔化，另一种金属 表面漫流，形成熔焊钎焊接头。但这种方法使铁在焊缝中的含量大大超过它在钛 中的溶解度，形成金属间化合物，因此焊缝很脆。 1 4 现有焊接方法的优缺点 用于钛钢异种金属焊接的方法比较多，但是由于这些方法本身存在一些问 题以及钛钢焊接的特殊性，使得推广它们存在一定的困难。 1 4 1 固相连接方法的优缺点 固相连接方法能够连接钛钢异种金属主要是通过各种手段使连接发生在母 材金属熔点以下，从而避免焊缝金属间产生铁钛金属化合物，焊接成功率较高。 但是，固相连接存在以下不足：1 焊接生产率低，焊接准备工作较多，比如：楔 焊要求把钢件加工成尖锐的楔形以便能够插入较软的钛件中；2 部分方法对连接 工艺要求较高；3 对焊件的形状和尺寸有一定的要求，比如：爆炸焊适合于小型、 薄板焊件；4 部分方法需要一些特殊的辅助设备或辅助工艺，比如：真空扩散焊 需要真空室；5 改变了工件的原始尺寸。这些缺点，降低了焊接效率同时又提高 了成本。 1 4 2 熔化焊接方法的优缺点 采用熔化焊能够简化部分工艺，从而提高焊接生产率。但是，金属间化合物 的产生仍是这类焊接方法的主要难题，另外，由于线形膨胀系数不同，热应力以 及裂纹都使熔化焊接的主要缺点，因此常规熔化焊接成功率也不是很高。而激光 焊接快速加热和冷却的特性，使得金属之间来不及进行化学反应，就已经冷却到 常温状态下，抑制了金属问化合物的产生；而且激光焊接热输入量小，使得膨胀 量小，出现裂纹的可能性也大大减小。 7 浙江大学硕士学位论文 1 5 课题的方案提出 目前在国内外文献关于钛钢激光焊接方面的报道较少，而更多的报道是关 于不同牌号钛合金的激光焊接以及各种钢的激光焊接。将激光焊接应用于异种金 属焊接( 钛及其合金与钢的焊接) 是非常有意义的。 1 5 1 钛钢金属间化合物的形成 在钛钢焊接的主要问题之一是：焊接接头中出现了脆性金属间化合物。有 作者曾通对异种金属焊接接头的焊缝区显微组织进行详细分析后，认为金属问化 合物相的产生和增长的初始阶段可表述如下： 1 接触金属以不同速度相互扩散； 2 结晶组织缺陷周围出现了局部过饱和固溶体； 3 扩散元素大量集中的缺陷段上形成了新相的第一批晶核； 4 金属间化合物相晶核沿接缝平面横向增长； 5 第一个致密的金属间夹层集结和正常生长； 6 第二个余属间化合物相的第一批晶核产生，第一个金属间夹层继续正常增长 7 依靠夹层的横向生长，第二个金属间夹层晶核集结。 必须指出，焊接接头机械性能主要是取决于金属间化合物相形成的多少。当 金属间化合物i 目j j n 横向生长的初始阶段尚能保持机械性能处于令人满意的水平， 随着此相致密层的出现和正常生长，机械性能迅速下降。 激光焊接的结晶速度比一般熔焊快1 0 - 1 0 0 倍，这就是说，在钛钢金属间化 合物形成之前或刚刚横向生长的初始阶段，焊缝金属己经从高温冷至室温。 1 5 2 激光焊接方法的特点 激光焊接是用光束焊接，所以同电子束焊接有共同点，但也有不同之处。下 面列出了激光焊接的一些主要特点： 1 激光束对金属材料的净化作用。它不会玷污工件，相反会对材料有净化 作用。实践证明，激光焊缝中含0 2 、n 2 、c 量都比母材低，尤其0 2 含量将比母 材低5 0 左右。0 2 、n 2 、c 都会使钛钢焊接接头性能下降，因此激光焊接钛 钢结构一般会使焊缝机械性能的提高。 2 激光深熔焊的小孔效应。激光深熔焊时，采用功率密度在1 0 6e 厘米2 左右的高能量，这时光点下的金属被气化，在蒸汽压下金属表面形成孔穴( 此时 可以忽视材料的反射作用) ，这和电子束焊接时的小孔效应相类似。 3 光爆冲击效益。大功率激光焊接时，金属材料在高功率密度照射下产生 8 浙江大学硕士学位论文 剧烈蒸发的同时还会产生爆破性飞溅，并伴随产生冲击波向孔的深度方向传播， 因而形成对金属的去除作用，促进深细的小孔，这也是激光能够深熔焊的机理之 一 4 焊接熔池侧壁对激光的聚焦效应。在光束穿孔过程中，光束对孔穴侧壁 的入射角通常是较大的，因而材料的反射率都要增高，使孔中光束能量有叠加现 象，导致光束强度的提高，使其有效地传向孔穴的顶端，形成细长的深孔，这种 现象被称为“壁聚焦效应”，这是激光深熔焊的又一机理。正是由于多次反射， 所以激光深熔焊缝的熔合线往往呈弯曲状。 5 激光等离予体效应。在高能激光束的作用下焊接区将产生等离子体羽( 或 等离子体碗) 。激光通过等离子体时，改变了吸收和聚焦条件，有时甚至会出现 激光束的自聚焦和成丝现象，破坏激光的均匀性。等离子体可大量吸收光能而被 加热，加热后的等离子体，对激光的吸收率更高并可使光束散射，因而导致焊接 威力显著降低。 6 功率高能激光焊缝的热影响区窄，焊件的变形和残余应力小。这是因为 功率密度高、焊接速度快、焊接线能量小的缘故。热输入量相对较小是异种金属 焊接得要求之一。 7 与真空电子束焊接相比，激光焊接不受真空室的限制，也没有x 射线危 害，操作比较简单、灵活。 8 各种材料对激光工艺可焊性，在很大程度上取决于材料对激光的吸收能 力和材料的熔化效率。不锈钢和钛的熔化效率大于7 0 ，这样就使得钛钢适合 用激光进行焊接。 根据上面的分析，激光焊接特点满足钛钢焊接要求，有可能成功解决钛钢 焊接时存在问题。因此提出采用激光对钛钢进行可行性研究。 1 5 3 激光焊接解决该问题的可行性分析 根据激光焊接的特点，以下列出采用激光焊接钛钢的潜在优势： 1 ) 热影响区极窄。使受热影响的母材大大减少，同时也使参加钛钢金属间化合 物生成的化学反应的钛、铁量减少。 2 ) 冷却速度极快。激光焊接的结晶速度比一般熔焊快1 0 1 0 0 倍，这就是说，在 钛钢金属间化合物形成之前或刚刚横向生长的初始阶段，焊缝金属己经从高温 冷至室温。 3 ) 无热损伤。激光焊接传到工件表面的能量仅为l o n m 的工件表层所吸收，再 加上作用时间短和冷却速度快，可避免热损伤。 4 ) 热输入小。钛钢焊接的问题之一是由于两种母材金属的热物理性质差异很大 而导致的焊接变形大。激光焊接的热输入很小，从而可以很大程度上减少热变形 9 浙江大学硕士学位论文 和热应力。 5 ) 能量密度高。激光能量高达1 0 9 g m 2 以上这对于高导热率的金属焊接以 及异种金属的焊接特别有利。 此外，采用合理的焊接工艺也可以积极避免一些不利因素。比如，采用对接 接头，将激光束偏在钢母材一侧等。 因此，激光焊接优于其他熔化焊接方法，适合钛钢之间的异种金属焊接。 1 6 本文研究的主要内容 本文主要对t c 4 钛合金钢激光焊接进行研究，分析了t c 4 钛合金和钢激光 焊接性，建立了激光焊接t c 4 钛合金和钢温度场数值模拟模型以及应力场数值 模拟模型，提出工艺优化方案，并对试验进行工艺优化。 本文对t c 4 钛合金和钢异种金属焊接性的研究是以钛和钢的焊接性为基础 的。指出不仅要满足钛焊接和钢焊接时所要求的条件，而且还应该严格控制热输 入量，减少金属间化合物的生成。 本文提出了激光焊接t c 4 钛合金和钢热源模型和高速移动热源解析式，建 立了激光焊接t c 4 钛合金和钢温度场数值模拟模型。并对焊接过程进行数值模 拟，模拟结果与实际结果相接近，说明模型反映了实际情况，可用于激光焊接异 种金属时的数值模拟。 本文应用弹塑性理论建立应力应变场数值模拟模型，预测焊接残余应力和应 交情况。 在进行焊接试验前，本文提出用w e 和正交试验相结合的工艺优化方案，可 减少试验次数，使试验目的很明确。同时分析各工艺参数对焊接质量的影响，为 调整各工艺参数做了理论性的指导。最后按工艺优化路线进行试验，进行焊接质 量检测，得出最优工艺规范。 1 7 小结 本章指出了钛合金和钢焊接的实用意义，分析焊接钛合金和钢存在的困难并 介绍国内外各种焊接钛合金和钢的方法，同时分析各种方法的优缺点。介绍了激 光焊接的特点，与各种焊接方法比较，论证了激光焊接钛合金和钢的优点及可行 性。 在论证了激光焊接钛合金和钢的可行性后，为了更好的分析激光焊接t c 4 钛合金和钢的优越性以及为指导工艺参数的选取，就要对t c 4 钛合金和钢激光 焊接性进行分析。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第2 章t c 4 钛合金钢激光焊接性分析 1 4 钛合金和钢焊接时容易产生金属间化合物，而激光焊接过程中，熔池存 在时间在毫秒级甚至更短，从理论上能够限制金属间化合物的生长，从而极有可 能获得较优的接头性能。分析t c 4 钛合金和钢激光焊接性，可以从理论上指导 实际焊接工艺参数的调整，使熔池存在时间尽量的短一点，避免焊接时缺陷的产 生。 焊接性是材料焊接加工的适应性，指材料在一定的焊接工艺条件下，获得优 质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。为了更好的焊 接钛钢结构，不仅需要分析钛和钢各自的焊接特点及应注意的问题，还要分析 钛和钢相互作用及其相互作用产生的产物对焊接接头性能的影响。 材料的焊接性不仅与其本身的合金类型及成分有关，而且在一定条件下还与 材料焊接的实际情况密切相关。原始或试验条件下能被接受的焊接性能，在特定 的生产条件下则不一定合理，这是由于实际中存在许多限制性因素，如焊接速度、 接头装配以及预热的要求等等。因此，必须重视这些因素对被焊材料冶金性能( 如 开裂、脆化及气孔等的形成趋势) 的影响。虽然激光焊接技术是材料连接的一种 性能优异的方法，通常具有较高的焊接质量，但激光焊接工艺并不是在任何条件 下都是全能的，其优异焊缝性能的保证依赖于某些关键因素的优化，这些因素包 括：接头设计与焊前准备、焊接热循环特性、保护气体的成分和流量、必要时的 预热工艺、填充材料的类型及送丝速度、合金成分的改变以及热影响区的热效应 等。 2 1 钛的焊接性分析 虽然钛及其合金的焊接件已经广泛应用于航空航天、军事和民用产品等产 品，但是钛及其合金的焊接仍然存在着问题。焊接时主要问题有：焊接接头脆化、 焊接接头裂纹、过大的残余应力和焊接变形。 2 1 1 焊接接头的脆化 钛及钛合金很容易受到气体等杂质的污染而产生脆化。造成钛及钛合金焊接 接头脆化的主要元素有氧、氮、氢、碳等。 在常温下，由于表面氧化膜的作用，钛能保持高的稳定性和耐腐蚀性。但钛 在高温下，特别是在熔融状态下时对于气体有很大的化学活泼性。而且在5 4 0 浙江大学硕士学位论文 以上钛表面生成的氧化膜较疏松，随着温度的升高，容易被空气、水分、油脂等 污染，使钛与氧、氮、氢的反映速