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XXXX学院毕业论文（设计）论 文 题 目 钛合金激光焊组织及性能研究专 业 焊接技术与工程 姓 名 学 号 指 导 教 师 二零一四年五月 江苏XXXX学院毕业论文（设计）钛合金激光焊组织及性能研究摘 要本文综述了钛合金激光焊的基本原理、特点和国内外研究现状，并针对4mm的Ti-70钛合金试板进行了钛合金激光焊接工艺试验，研究了工艺参数（激光离焦量、激光功率、保护气流量、托罩位置以及焊接速度等）对焊缝成形的影响，焊后对焊缝的宏观形貌及微观组织进行了观察和分析，以及焊缝硬度的测试，并对所得接头进行拉伸和弯曲的力学性能分析。试验结果表明：在激光焊接过程中激光功率相同，但由于离焦量存在差异会导致堆焊时的熔透产生很大的差别；通过调整焊接参数，以及背面保护、托罩保护等保护措施，最终获得了比较满意的钛合金焊接接头；采用激光焊接，焊缝的热影响区相对传统电弧焊接宽度要窄的多，但在焊缝和母材交界附近存在较明显的过渡不圆滑的现象，容易在此处应力集中；经拉伸后焊接接头的断裂位置都在母材，分析其应力应变曲线可知，两试样的平均拉伸强度b为676 MPa，屈服强度0.2为608 Mpa；背弯90o 后试样完好未发生裂纹和断裂现象，而在正弯试验时发现，当弯曲角度较大时发生断裂现象。关键词：钛合金；激光焊接；力学性能；微观组织Titanium and properties of laser weldingAbstractThis paper reviews the basic principles of laser welding titanium alloys, characteristics and research situation, and 4mm for the Ti-70 titanium alloy test panels for the laser welding process, a study of the process parameters on the effects of weld, weld after weld macro-morphology and microstructure were observed and analyzed, and the weld hardness testing, and from joint to mechanical properties of tensile and bending analysis. The results showed that: in the laser welding process, the same laser power, but because of differences in the amount of defocus lead to penetration when welding a big difference; by adjusting the welding parameters, and the back of the protection, care cover protection and other protective measures, ultimately a more satisfied with the titanium alloy welded joints; the use of laser welding, the weld heat affected zone width compared to conventional arc welding and more to narrow, but near the junction of the weld and base metal there is no smooth transition to the more obvious phenomena, stress concentration here is easy; by stretching the location of the fracture of welded joints in the base material, to analyze the stress-strain curve shows that the average tensile strength of two specimens b to 676 MPa, yield strength 0.2 to 608 Mpa; 90o bend back well after the sample was no crack and fracture phenomena, and in the bend test is found thatwhen the bending angle is larger fracture phenomenonKey words: titanium alloy; laser welding; mechanical properties; microstructure目 录0 引言11 激光焊接简介11.1激光焊接的主要优点及缺点21.2激光焊接热传导31.3激光焊接的工艺参数31.4激光焊接的应用41.5激光焊国内外的发展及研究现状52 钛合金的焊接性分析72.1钛合金的优缺点72.2钛合金的焊接性92.3钛合金的应用103试验材料设备及方法113.1试验材料113.2 试验设备及夹具124试验过程及结果分析134.1 4mm Ti-70板材激光堆焊工艺试验134.2 4mm Ti-70钛合金板材对接接头的纯激光焊接164.2.1 焊缝宏观形貌分析164.2.2 焊接接头拉伸试验性能分析174.2.3 焊缝弯曲试验性能分析184.2.4 焊缝横截面微观组织分析204.2.5 焊缝X射线探伤测试214.2.6 焊缝硬度测试分析22结 论23致 谢24参 考 文 献25钛合金激光焊组织及性能研究0 引言激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池1。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高。1 激光焊接简介激光焊接是近年来增长最快。也是发展最被看好的一项激光加工技术。激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的3，如图1。图1 激光焊接1.1激光焊接的主要优点及缺点激光焊接的主要优点如下：（1） 可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低；（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用； （3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低； （4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥；（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）；（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件；（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料； （8）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1；（9）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件；（10）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰；（11）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制； （12）激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件4。激光焊接的主要缺点如下：（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内； （2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准； （3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接；（4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变；（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现；（6）能量转换效率太低，通常低于10%； （7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑；（8）设备昂贵5。1.2激光焊接热传导激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象6。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来，如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的7。1.3激光焊接的工艺参数（1）功率密度 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104106W/cm2。（2）激光脉冲波形 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大8。（3）激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。（4）离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50200us材料开始熔化，形成液相金属并出现部分汽化，形成高压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时3 试验材料设备及方法3.1试验材料试验中所用板材为Ti-70钛合金，板厚为4mm。其化学成分和室温力学性能如表1所示。激光焊接过程中采用纯氦（99.99）作为侧吹气体抑制等离子体，纯氩（99.99）作为正、背面保护气体和电弧气体。表1 Ti-70钛合金化学成分及其室温力学性能化学成分（）室温力学性能AlZrFeSiCNHOTib(MPa)0.2(MPa)5()2.62.72.01.01.10.020.010.020.0010.070.09其余757.5652.520.5结 论本论文通过采用纯激光焊接的方法对板厚4mm Ti-70板材进行堆焊工艺试验，得出以下结论：（1）采用堆焊方法，通过调整激光离焦量在激光焊接过程中激光功率相同，但由于离焦量存在差异会导致堆焊时的熔透产生很大的差别。（2）（3）.（4）.致 谢本毕业论文是在111老师的悉心指导下完成的。在做毕业论.参 考 文 献1 中国航空材料手册编辑委员会中国航空材料手册M北京：中国标准出版社，2001，74-832 王家淳，沈剑韵，王希哲工艺因素对钛台金激光焊接不稳定性的影响J焊 接,2000,(9):33-453 FTorster,JFdos SantosFractule Behaviour of Laser Beam Welded Titanium AlloysJ. European Conference on Laser Treatment of Materials1998,September 22-23：339-3444 曹春晓 闫渊 林黄旭. 我国航空系统钛合金发展与现状. 钛工业进展J .2002 ,19(4):26-295 ZYang,JWElmer,JWong，TDebroyEvolution of Titanium Arc Welding Macro and MicrostructuresModeling and Real Time Mapping of PhasesJWelding Research，2000，(4)：97-1106.文后参考文献表著录格式示例：（参考文献的字体选择：经管人文类用五号字体）1 普通图书1 唐绪军报业经济与报业经营M北京：新华出版社，1999：1171212 赵凯华，罗蔚茵新概念物理教程：力学M北京：高等教育出版社，1995：56702 期刊中析出的文献3 李炳穆理想的图书馆员和信息专家的素质与形象J图书情报工作，2000（2）：58 4 陶仁骥密码学与数学J自然杂志，1984，7（7）：5273 学位论文5 张志祥间断动力系统的随机扰动及其在守恒律方程中的应用D北京：北京大学数学学院，19984 报纸中析出的文献6 丁文祥数字革命与竞争国际化N中国青年报，2000 1120（15）7 张田勤罪犯DNA库与生命伦理学计划N大众科技报，20001112（7）5 论文集、会议录8 中国力学学会第3届全国实验流体力学学术会议论文集C天津：出版者不祥，199