钛合金活性剂激光焊工艺研究

1、毕业设计（论文）题 目： 钛合金活性剂激光焊工艺研究 学 院： 航空制造工程学院专业名称： 焊接技术与工程班级学号： 10034111学生姓名： 尹丛志指导教师： 王杰 二O一四 年 六 月 毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：钛合金活性剂激光焊工艺研究II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：设计要求：1.设计钛合金活性剂激光焊实验方案； 2.按照方案完成钛合金活性剂激光焊实验；3.完成实验数据的分析、处理、并得出结论。III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：1. 检索文献，翻译外文资料一篇，完成开题报告 2014.3.102014.3.282. 根据设

2、计钛合金活性剂激光焊实验方案 2014.3.292014.4.5 3. 按照方案完成钛合金活性剂激光焊实验 2014.4.62014.4.14 4. 完成实验数据的分析、处理、并得出结论 2014.4.152014.6.2 5. 完成实验数据的分析、处理 2014.6.32014.6.18 、主 要参考资料：1 周金亮.铝合金活性剂激光焊工艺研究D.济南：山东大学.2012.2 陈辉.激光焊接关键技术的研究D.济南：山东大学.2012.3 刘凤尧,林三宝,杨春利,吴林.活性化TIG焊中活性剂和焊接参数对焊缝深宽比的影响J.焊接学报,2002, 23(2): 5-8.4 黄勇.铝合金A-TIG焊

3、活性剂研制及熔深增加机理研究D.兰州：兰州理工大学,2003.6.5 Pascal P,Jacques S. Effect of activating fluxes on the penetration capability of the TIG welding arc: Study of fluid-flow phenomena in weld pools and the energy concentration in the anode spot of A-TIG arc plasmaJ. Materials Science Forum,2003,426-432. 航空制造工程 学院（系）

4、 焊接技术与工程 专业 100342 班学生（签名）： 日期： 自 2014 年 3 月 10 日至 2014 年 6 月 18 日指导教师（签名）： 助理指导教师(并指出所负责的部分)：焊接工程 系（室）主任（签名）：学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完

5、全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学科技学院可以将本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和汇编本学位论文。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期：钛合金活性剂激光焊工艺研究 学生姓名：尹丛志 班级：10034111 指导老师：王杰 摘要：活性剂最开始被用于钨极氩弧焊接技术中，称为A-TIG，后来逐渐应用在了激光焊接、等离子焊接、埋弧焊接等其它焊接方法中。由于活性剂可以降低电子密度，可以通过活性剂吸收激光焊产生的等离子体中的电子来降低等离子体的密

6、度，从而达到增加熔深的目的。 采用数控YLS6000光纤激光焊接系统对TC4钛合金进行了活性剂激光焊的试验研究。采用控制变量的试验方法，使活性剂的添加作为单一变量，其余焊接功率为800W、离焦量为+7mm、焊接速度为0.015m/s、保护气体流量等参数控制不变，分两组进行对比试验。通过对比试验研究了活性剂对焊缝熔深的影响，并对焊缝外观、缺陷、显微组织进行了观察与分析。试验结果表明：在激光功率800w，焊接速度0.015m/s,离焦量+7mm，保护气氩气保护，焊缝正面保护气体的压力为4.2MPa，焊缝背面保护气体流量为10L/min的工艺参数下，活性剂的涂覆使得激光焊接TC4钛合金的熔深明显增加

7、，熔宽明显变窄，这与预期相一致； 在与上述相同参数下，观察到焊前涂有活性剂的焊缝表面保护效果更好，弧坑面积更小但不如未涂有活性剂的表面平整；而且活性剂的添加使得焊缝及热影响区组织更加细小。关键词：活性剂 激光焊 TC4钛合金 熔深 指导老师签名：Laser welding of titanium active agents Student name:Congzhi Yin Class:10034111 Supervisor:Jie WangAbstract: The most active agents began to be used for TIG welding technique, c

8、alled A-TIG, then gradually applied in laser welding, plasma welding, submerged arc welding and other welding methods. Since the active agents may decrease the electron density, the plasma can absorb laser light generated in the welding by an active agent to reduce the electron density of the plasma

9、, so as to achieve the purpose of increasing penetration.Using CNC YLS6000 fiber laser welding system for experimental research TC4 titanium alloy laser welding of the active agent . The test method of the control variable , so the active agent is added as a single variable , the other welding power

10、 800W, the defocus amount of -3, the welding speed is 0.02m / s, shielding gas flow rate control parameters constant, divided into two groups comparison test . By comparing the experimental study of the effects of the active agent of weld penetration , and weld appearance , defects , microstructure

11、was observed and analyzed. The results showed that: the laser power 800w, the welding speed 0.015m / s, shielding gas argon gas positive pressure protection for the weld 4.2MPa, the back shielding gas welding process parameters 10L/min flow activity coating agent such that the laser welding of titan

12、ium alloy TC4 significantly increased penetration , weld width becomes narrower , which is consistent with expectations ; same parameters as in the above , the protective effect was observed before welding the weld surface active agent coated with a more well, craters smaller area , but not if not c

13、oated with a smooth surface active agent ; and add active agent makes the weld and heat affected zone is more dense .Keywords: Active agents TC4 titanium penetration laser welding Signature of Supervisor:目 录1 引言1.1 本文研究的目的和意义11.2 课题研究的背景21.2.1 钛合金焊接现状21.2.2 钛合金活性剂激光焊接研究现状31.3 本文的研究内容72 实验材料、设备及方法2.1

14、 实验设备72.2 实验材料122.3 实验方法132.3.1 试样焊前表面清理132.3.2 涂敷活性剂132.3.3试样焊前装夹压紧142.3.4 焊接参数142.3.5 已焊试样的金相制取153 实验结果及分析3.1 焊缝外观质量163.2 焊缝熔深与熔宽变化193.3 X射线检测223.3 金相显微镜分析233.4 本章小结234 结论24参考文献25致 谢26南昌航空大学学士学位论文1引言1.1本文研究的目的和意义钛是20世纪5060年代发展起来的一种新型金属。钛合金具有很好的比强度、抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能，综合性能非常优异，它是一种很有发展潜力和应用前景的新兴材

15、料。二十世纪五六十年代，钛合金主要是用来发展航空发动机用的高温钛合金以及机体用的结构，七十年代耐蚀钛合金被开发出来，并得到应用，1980年以后，随着技术的发展，钛合金得到了进一步研究与发展。耐热钛合金的发展和研究，使钛合金在航空结构的使用方向从发动机的不受热部分逐步向发动机的受热部分慢慢推进。结构钛合金的发展方向向着高强度、高塑行、高强高韧方向发展。钛合金结构虽然具有上述如此好的性能，但是距钛及其合金大量应用在民用工业中还有很长的路要走，价格昂贵、成形性不好及焊接性能差等问题制约了它的普及。近年来由于钛合金近净成形技术及电子束焊、等离子弧焊、激光焊等现代焊接技术的蓬勃发展，钛合金的成形及焊接问

16、题逐步被解决，其广泛应用最大制约只剩下了经济性的问题。随着新型材料和制造工艺的发展，先进的焊接技术有效的降低了金属耗损，减轻了大结构工件的负重，各种焊接技术有着广阔的发展潜力。二十世纪七十年代，高功率连续波形(CW)激光器被开发出来。二十世纪八十年代，随着千瓦级激光器的商业化推出，包括激光焊接在内的激光加工技术得到了迅猛发展。现在常用于焊接的工业激光器有CO2气体激光器，YAG激光器和光纤激光器几种。与传统的焊接方法相比，激光焊接由于其能量密度高、焊接速度快、焊接热输入小的特点，成为一种高效、精密、低变形的焊接方法。激光焊接钛合金有着无与伦比的优势，但目前来说，激光焊接涉及影响钛合金焊接质量的

17、气体保护、气孔问题和光致等离子体控制等方面的工艺问题, 迫切需改进和完善。活性剂焊接是近几十年来发展起来的用于增大焊接熔深,改善焊缝成形和焊接质量的新型焊接技术。活性剂最开始被用于钨极氩弧焊接技术中，后来逐渐发展应用在了激光焊接、等离子焊接、埋弧焊接等其它焊接方法中。二十世纪六十年代，乌克兰巴顿焊接研究在TIG焊时，发现在母材金属的表面涂敷化合物进行焊接可以使钛合金的焊缝熔深增加。七十年代，以氧化物和氟化物组成的活性剂在焊接制造得到了应用，主要用于焊接不锈钢。随着对A-TIG活性剂焊接机理的深入研究，活性剂在其他焊接方法上的应用也引起了重视。活性剂可以降低电子密度，我们可以通过活性剂吸收激光焊

18、产生的等离子体中的电子来降低等离子体的密度，从而达到增加熔深的目的。1.2课题研究的背景 1.2.1钛合金焊接现状钨极氩弧焊是目前焊接钛及其合金最常用的焊接方法,主要用来连接薄板和进行打底焊，选用合适的工艺参数的话即可实现较为良好的焊接质量。但是其问题是焊接效率低、容易产生焊件变形、焊缝组织不够细小；气孔以及钨夹杂等焊接缺陷容易发生；焊接过程中气体保护不良会影响焊缝质量等。目前A-TIG焊方法得到了国内的重视, 该方法不禁可以增大焊接熔深，还可以改善焊缝成形和焊接质量，是一种提高焊接生产效率的新技术。活性焊剂对钛合金焊缝成形的影响非常明显，在其他条件相同下不仅可以增大焊缝的熔深，减小熔宽，减少

19、焊接时的热输入，还能够使晶粒变得细小，但是活性剂配方的研制是该项技术需要攻破的一大难题。 真空电子束焊焊接钛合金具有一系列的优点，其焊接焊缝外观质量好、熔宽窄、其深宽比大、焊件变形小，而且焊缝及热影响区组织致密、接头强度高、焊缝和热影响区保护效果好、焊接的效率很好。但是焊缝中由于是穿孔焊易出现气孔，结构大小受到设备大小的限制，不能进行大批次的焊接生产，但对小工件其在质量方面具有无与伦比的优势。焊接钛合金时，激光焊在质量和效率都要好于其他焊接方法。激光焊对于钛及钛合金的薄板及精密零件的焊接方面有着天然的优势。但激光焊也有一些不足，穿透力没有电子束焊接的强。虽然激光焊接有很多优点，但是激光焊接钛合

20、金焊接表面容易被氧化，复杂的试件清理程序影响焊接效率，焊接产生的光致等离子体控制等都存在很多的问题, 还需要进一步的研究改善。钛合金焊接方法优缺点对比见下表1.1。表1.1 钛合金焊接方法对比主要参数TIG焊接电子束焊接激光束焊接等离子束焊接熔深范围/mm0.550.52000.5200.110焊接速度慢极快快一般焊缝变形大极小小发生最大输出/kw610015（60）100设备大小小极大极大中等圆周焊接简单困难困难可行1.2.2钛合金活性剂激光焊接研究现状 国内外学者已经对钛合金活性剂激光焊做了很多的研究。主要体现在活性剂对等离子体影响，对焊缝成形的影响以及对气孔等缺陷产生的影响。 陈俐，巩水

21、利等采用北京航空制造工程研究所的FT-01型A-TIG焊钛合金活性剂，激光器为美国PRC公司4KW快速轴流连续CO2激光器，研究了活性剂对离焦量，焊接速度，焊接功率作用的影响。其研究结果表明活性剂的涂敷使焊缝咬边缺陷明显减小，而同样的焊接工艺参数，活性剂使得钛合金激光焊全熔透焊缝熔深增大熔宽变窄，焊缝表面熔宽减小而中部熔宽增大，但是如果激光功率过高，活性剂对钛合金激光焊接会产生不好的影响，焊缝背宽比减小，表面熔宽增大，这可能是因为金属汽化过程产生了太多蒸汽从而造成了试板对激光吸收减少。 活性剂改善钛合金激光焊焊缝成形的作用效果以及形成机理表现在以下三个方面。 (1)活性剂改善钛合金对激光能量的

22、吸收。由于化合物对激光反射率远远高于钛合金，因此在钛合金表面涂敷由化合物组成的活性剂，会减少对激光的反射，从而增加钛合金对激光能量的吸收，因此能增大焊缝熔深，减少熔宽，而且降低激光深熔焊焊接时的激光功率。 (2）活性剂影响熔池表面张力。激光深熔焊由于存在匙孔易产生气孔，当熔池表面存在活性元素时，熔池表面张力系数降低，这有利于激光小孔形成过程中液体金属的流动，这样可以使用较小的功率即可穿孔，提高了激光的熔透性，同时也促进小孔周围的金属向着更深处流动，使焊缝上部熔深变深和焊缝中部熔宽增大。 （3）活性剂使得光致等离子体密度降低。对于激光焊，焊接过程虽然没有电场的作用，但是会有光致等离子体的产生，光

23、致等离子体会受到活性剂的影响。图1.1是Howse利用高速摄影对TA15 钛合金CO2激光焊过程等离子体形态的观察，对比发现等离子体形状为橄榄球形，有活性剂的等离子体云体积和漂移范围缩小，这可能是由于活性剂元素的电负性降低了等离子体的电离度4。图1.1 钛合金CO2激光焊过程的等离子体形态（激光功率1650W，焊接速度1.4m/min，离焦量-0.5mm）欧阳捷，陈俐等通过对TC2钛合金YAG激光焊技术进行了试验研究在焊接时加入活性剂对改善焊缝咬边的影响。并对涂敷活性剂和未涂敷活性剂的焊缝进行抗拉强度试验，来研究活性剂对钛合金激光焊缝强度的影响。图1.2为加入活性剂前后焊缝截面成形的对比。从图

24、1.2中可以明显看出加入活性剂以后咬边现象明显改善,说明加入活性剂以后基本上消除了焊缝的咬边现象4。 (a) 未加入活性剂 (b) 加入活性剂 图1.2 加入活性剂前后焊缝截面成形的对比表1.2 为不同工艺参数下涂敷活性剂与否焊接接头强度的变化。从表1.2 可以看出加入活性剂以后焊接接头的性能有所提高，所以加入活性剂以后可以改善焊接接头的强度、延伸率和断面收缩率。表1.2 不同工艺参数下加入活性剂前后焊接接头强度的变化巩水利等利用ATIG活性剂研究了钛合金激光活性剂焊接，结果表明，活性剂的涂敷有效减少了咬边的产生，对焊缝的成分不会产生影响，表明添加活性剂提高了接头的疲劳强度。通过下表的性能分析

25、可以看出，活性剂的添加对接头的抗拉强度几乎没有影响，但是通过伸长率和抗弯强度可以看出其塑性得到提升，如表1.3所示。表1.3 TC4钛合金CO2激光焊接头的力学性能抗拉强度/MPa伸长率（%）抗弯强度/MPa无活性剂94411.42046有活性剂94312.082210田锦等采用氧化物(SiO2、CrO3、Ti02、B203)和氟化物(NaF、CaF2)作为表面活性剂用激光焊机为ROFIN-SINAR 850型横流式CO2激光器进行了多组钛合金活性剂激光焊接实验。研究不同活性剂配比成分对钛合金激光焊接的影响2。焊后结果表明，使用活性剂配方为氟化物NaF和CaF2占总质量分数的50左右，氧化物S

26、i02和TiO2占总质量分数的30左右，其余为其它氧化物，可以使激光焊接焊缝熔深明显增大。说明活性剂对等离子体有一定的抑制作用。钛合金活性剂激光焊接的焊缝组织细小致密。使用活性剂后，焊缝组织的显微硬度没有受到影响，而且显微硬度比基体要高2。吴明亮等主要针对钛合金TC4材料进行了A-TIG焊消除气孔效果的研究。结果表明, 所选用的四种活性剂均对消减钛合金焊接气孔有影响, 影响效果从好到差依次为: NaF>CaF2>YF3>MgF2。分析原因为四种活性剂都使电弧中氢的分压降低, 从而减少了熔池中氢的来源。但是活性剂消除气孔主要原因还是冶金作用生成HF从而降低氢元素含量的结果25。

27、1.3本文的研究内容为了研究钛合金活性剂激光焊，满足钛合金激光焊接在实际工程应用中的需求，本文开展了以下两方面的研究：(1) 对钛合金分为涂敷与不涂覆活性剂进行多组对比试验，研究活性剂对激光焊接焊缝熔深的影响。(2) 在上述基础上，观察其他焊缝外观特征、气孔及金相组织，研究活性剂是否对这些因素产生影响。2 实验材料、设备及方法2.1实验设备本试验用到的设备主要是一套数控激光焊接系统。包括如下：表2.1数控激光焊接系统序号设备名称1KUKA-KR16-2机器人2YLS6000光纤激光焊接系统3KRC2机器人控制柜4TLA6000龙门式机器人滑轨5WP1000头尾架翻转变位机6MA1000水平回转

28、变位机7系统操作台8激光焊接头 高功率光纤激光焊接系统一般包括以下几个基本单元：1.传输光纤/操作光纤 2.光闸/光纤耦合器 3.激光模块 4.激光模块电源 5.制冷机组 6.控制接口 7.监控软件。图2.1 IPG光纤激光器系统图2.2 IPG光纤激光器内部结构 图2.3制冷机组与光纤作为当前新兴的激光焊接工艺技术，光纤激光焊接机与其他激光焊接技术相比有很多的优势。系统各组成技术规格如下。 1.YLS6000光纤激光器的各项技术规格如下表所示。表2.2 YLS6000光纤激光器的技术规格额定输出激光功率额定激光输出范围功率输出不稳定度波长光束质量BPP最大脉冲频率额定输入电流额定功率6000

29、W600-6300W2%1070nm8mm·mrad1000Hz43A24KW 2.YW52标准激光焊接工作头的各项技术规格如下表所示。表2.3 YW52标准激光焊接工作头技术规格聚焦焦距准直焦距光纤接口模式光纤直径焦点直径200mm150mmQBH200um0.27mm 3.特制激光焊接工作头特制激光焊接工作头专门用于典型件的焊接，技术规格如下。聚焦焦距准直焦距光纤接口模式光纤直径焦点直径150mm150mmQBH200um0.2mm 表2.4 特制激光焊接工作头技术规格 焊接工作头安装在KUKA-KR16-2机器人机械臂上。KUKA-KR16-2机器人悬挂安装在TLA6000龙门

30、式机器人滑轨上。图2.4KR16机器人本体KR16的各项性能参数如下表所示。表2.5 KR16性能参数负载(指第6轴最前端P点负载）16公斤手臂/第1轴转盘负载10/20 公斤总负载46公斤运动轴数6法兰盘（第6轴上）DIN ISO 9409-1-A50安装位置地面/墙壁/天花板重复精度+/-0.05mm控制器KRC2自重235公斤作业空间范围14.5立方米每个轴的运动参数运动范围运动速度轴1+/-185°156°/s轴2 +35°/-155°156°/s轴3+154°/ -130°156°/s轴4+/-350&#

31、176;330°/s轴5+/-130°330°/s轴6+/-350°615°/s 库卡控制编程器为LCD彩显，实物图见图2.5。 图2.5 KRC2控制柜和库卡控制编程器2.2 实验材料本次实验采用的的材料是：TC4钛合金试板150mm（长）×50mm（宽）×2.5mm（厚）两块，热处理状态为退火状态，保护气为氩气。表2.6为TC4钛合金的主要化学成分，表2.7为TC4钛合金的力学性能。表2.6 TC4钛合金的主要化学成分化学成分AlVFeSiCNHOTi质量分数（%）5.53.50.0960.030.010.0130.00

32、480.05余量表2.7 TC4钛合金的力学性能抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（%）室温密度（g/cm3）熔点（）Si沸点（）热导率（W·m-1·K-1）9248698.674.45153835355.442.3 实验方法2.3.1 试样焊前表面清理为保证焊接质量，焊接前应对待工件进行认真的清理，分如下步骤：（1）机械清理采用锯床切割下料的工件，边缘不平整而且还有很多毛刺。需要去除毛刺，再用砂纸认真打磨待焊表面，去除氧化层，使焊接面光滑平整，露出金属光泽。（2）化学清理首先进行酸洗去除钛合金的表面氧化层，然后进行水洗，去除酸液，再用丙酮或无水酒精等擦拭工件待焊部

33、位及其两侧的手印、灰尘、有机物质以及表面的油污等。2.3.2 涂敷活性剂 焊件表面清洗干净后，在其中一块试板上涂敷活性剂，活性剂颗粒应均匀，可先用球磨机进行研磨, 然后放入乙醇溶剂中搅拌成悬浊液，不要太稀。然后用2cm扁平毛刷把悬浊液均匀涂抹在试板的表面,使涂覆的厚度保持均匀, 尽可能地保证焊接条件的一致性。等酒精挥发后, 细微的活性剂粉末就会形成一层密闭盖层盖在待焊焊道的表面。如下图2.6所示。图2.6 活性剂涂敷实物图2.3.3试样焊前装夹压紧 由于所选钛合金为2.5mm薄板，薄板结构由于刚性较小，焊接时易产生翘曲变形，需要整体夹紧，另外钛合金在高温下很活泼，能够与氮、氢、氧等发生反应，会

34、降低材料的塑性和韧性，是材料硬而脆，因此在焊接钛合金时对气体保护的要求较高。夹具应能保证背面保护有一定的密封性，以保证气体流量。如图2.7所示。 由于本实验不讨论保护气对钛合金焊接的影响，每组实验钛合金试板正反面均采用氩气保护，焊缝正面保护气体的压力为4.2MPa，焊缝背面保护气体流量为10L/min。图2.7 钛合金试板装夹实物图2.3.4 焊接参数 （1）焊接功率及焊速由于本次试验要研究的是活性剂对激光焊接焊缝熔深的影响，所用试板为2.5mm薄板，如果采用激光深熔焊，试板必然焊穿，则无法对熔深进行对比观察，所以本实验选用激光热导焊方法。焊接功率统一选用800w，焊接速度为0.015m/s。

35、 （2）离焦量 激光焊接离焦量即焦点离开焊接接触面的距离，由于激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点后激光会分布在一个平面上，功率密度分布相对均匀。 离焦分为正离焦与负离焦两种方式。正离焦即焦平面要在试板的上面，负离焦即焦平面要在试板的下面。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，宜用正离焦。本次试验离焦量设为+7mm。 （3）保护气体 由于需要保护焊缝不被氧化，而且激光焊时金属的蒸汽和液滴会污染保护聚焦的镜片，所以保护气体是不可缺少的。气体的流量也应该得到控制，如果流量太小，则起不到应有的保护作用；如果气流量太大，则熔池不稳定，焊缝会不均匀不平整，甚至

36、会产生吹孔，使焊缝的质量降低。 气体喷口的口径、喷嘴与试板之间的距离决定了保护气体的流量。而且保护气体流量会影响等离子体的密度。由于本次试验不讨论保护气体对熔深的影响，综合考虑，每组实验钛合金试板正反面均采用氩气保护，焊缝正面保护气体的压力为4.2MPa，焊缝背面保护气体流量为10L/min。2.3.5 已焊试样的金相制取焊完后的试样如图2.8所示。图2.8 焊完后的试样首先切取试样，切取时要注意不能破坏焊缝的原始状态，为了使后面的分析工作简单，切取试样时，横截面不能离焊缝太远，尽量靠近焊缝。由于本试验试样为薄板，不容易手工磨制，所以需要进行镶嵌，试样在专用的镶嵌机上进行，镶嵌时在压模内加热加

37、压，保温一定时间后取出。磨样时用力方向要一致，而且用力要均匀，根据试样选择合适的砂纸，磨制时砂纸从粗到细。经过砂纸细磨后的试样表面，仍存有轻度的表面加工磨损和细痕，故需进行抛光，这样才能满足显微组织的观察的要求。选择合适的抛光布和研磨液，且在抛的时候可适当加入一定量清水。最后进行腐蚀，腐蚀液为1mlHF 2mlHNO3 25mlH2O配比制成，腐蚀时间10s左右。然后用清水冲洗，在用电吹风吹干。最终试样如图2.9所示。 图2.9 制备好的金相试样3 实验结果及分析3.1 焊缝外观质量本实验共有2组实验，六条焊缝，未添加活性剂的试板为A组，有三条焊缝分为A1，A2，A3，添加活性剂的试板为B组，

38、有三条焊缝分为B1，B2，B3。图3.1为各焊缝中段焊缝外观形貌。图3.2为各焊缝收弧处形貌。图3.1与图3.2图片均为焊完5分钟内摄像。图3.3为各焊缝截面图。本实验主要分析讨论咬边，表面光洁度，熔渣，弧坑，熔宽稳定性。图3.1各焊缝中段焊缝外观形貌 如图3.1所示A组焊缝颜色为暗灰色，B组焊缝有光亮的银白色金属光泽，由于钛合金容易被氧化，钛合金被污染的程度不一样，氧化后焊缝的表面的颜色也会随之变化。根据国家标准GB/T13114991的标准，焊缝污染程度有重到轻为：灰色、蓝色、紫色、深黄色、淡黄色。焊缝外观质量最好的是银白色，当焊缝外观为银白色时，说明焊缝保护较好没有被氧化。所以此结果说明

39、涂覆有活性剂的试板焊缝的保护较好。 焊接过程中激光会使活性剂气化，可能是因为活性剂的蒸汽在焊缝表面充当了保护气，从而使得焊缝保护效果变好。另一种原因可能是活性剂高温下产生的某种物质与外界氧化气体发生反应，从而达到对焊缝的保护。 从图3.1中还可以看出，涂敷有活性剂的试板焊接完成后在焊缝的旁边有一道熔渣，这是焊接时高温使活性剂熔融形成的，在此后对试板的清理过程中发现此熔渣可较容易的清除，只需要用小铁铲便可铲掉，不会影响表面外观。 图3.1中焊缝的熔宽稳定性较好，并无太大变化。只是有一些小波动，此种现象应该是由于机器人本身精度所造成的。 图3.2 各焊缝收弧处形貌如图3.2所示，对比A组和B组弧坑

40、处图片，发现涂敷有活性剂的试板上的弧坑面积更小。众多对活性剂对焊缝成形影响机理的研究理论中有一种“表面张力”理论认为：“熔池金属流动状态对焊缝的熔深起到相当大的作用，一般的焊缝金属熔池的表面形成从熔池中心向熔池周边的表面张力流，结果得到浅而宽的焊缝；当熔池金属中存在的某种微量元素使熔池液态金属的表面张力降低，并且温度系数变为正值，从而使熔池金属的表面张力流变为从熔池周边向着熔池中心，通过液态金属的流动使热量更容易传向熔池底部，使熔池底部的加热效率提高，形成更大的熔深4。”由此理论我们可猜测收尾弧坑面积缩小的原因是涂敷有活性剂后焊接时生成某种微量元素，使熔池液态金属的表面张力数值降低并转变为正的

41、温度系数，从而使熔池金属形成从熔池周边向着熔池中心的表面张力流，从而缩小了弧坑面积。但由于本次试验并未着重研究弧坑问题，没有对弧坑影响进行附加的实验研究，活性剂对其影响机理尚待进一步研究。3.2 焊缝熔深与熔宽变化本实验在金相显微镜下拍摄了焊缝截面十倍放大图，如下图所示。 图3.3 各焊缝截面图图3.3为十倍显微镜下焊缝截面的宏观图。由图可知本次试验A、B两组实验焊缝均未出现明显咬边。观察上图即可发现熔深有明显增加，此次试验在显微镜下用图像采集软件对焊缝的熔深和熔宽进行了测量和记录。并计算了深宽比（深宽比=熔深/熔宽）。记录数据可见下表3.1。表3.1 各焊缝熔深及熔宽数据记录组别熔宽（mm）

42、熔深（mm）深宽比A11.580.460.291A21.640.490.299A31.700.520.306A组平均值1.640.490.299B11.390.640.460B21.420.670.472B31.330.760.571B组平均值1.380.690.501 表3.1数据即在激光功率800w，焊接速度0.015m/s,离焦量+7mm，保护气氩气保护，焊缝正面保护气体的压力为4.2MPa，焊缝背面保护气体流量为10L/min的焊接参数下测得。由上表数据可以看出焊缝熔深有明显增加，焊缝熔宽明显变窄，熔深增加百分比(（B1-A1)/A1)及熔宽减少百分比（A1-B1)/A1)见下表3.2

43、。表3.2 深宽变化百分比对比组熔深增加百分比熔宽减少百分比深宽比增加百分比1组39.1%12.0%58.0%2组36.7%13.4%57.8%3组46.2%21.7%76.6%平均40.6%15.7%64.1%由表3.2可以看出熔深增加平均百分比可达40.6%，熔宽增加率为15.7%。分析认为熔深增加主要与活性剂抑制了等离子体有关。 在活性焊剂TIG 焊中，电弧收缩的观点认为活性剂可以吸附等离子中的电子，那么就活性剂可能通过与等离子体中电子结合来减低等离子体的密度。由于光致等离子体折射率小于1, 激光焊接时激光从空气进入等离子体时就会发生散射。等离子体存在于焊缝的上方本身会吸收激光的能量,

44、而且等离子体密度越大, 对激光的吸收就越多, 散射也越多。研究表明，焊接未涂覆活性剂的试板焊接时, 等离子体的密度相对较大, 激光穿过等离子体时发生了散射, 因而到达工件上时光斑变大,从而功率密度也会变低。而另一组由于试板涂敷了活性剂, 激光光束照射试板，使活性剂原子蒸发后俘获了光致等离子体中的自由电子，形成了带负电荷的负离子。形成的负离子由于重量大 游动速度变慢就会游移在等离子体的周边。负离子包围在等离子体周边对其有压缩作用，同时由于边壁效应使激光散射的能量没有散失。这些影响使得入射激光束的耦合作用加强，从而使得激光得到了更好的吸收，并且抑制了等离子体对激光束的折射、散射等影响，从而使得到达

45、工件表面的激光能量密度变多,光斑的直径变得更小，单位区域内增加的热量自然会增多，最终使焊接熔深增加，焊接熔宽变窄。3.3 X射线检测 钛合金极易被空气中的水分、油污等污染, 从而吸收了氧、氮、氢、碳等杂质, 使焊接接头性能明显降低, 使其容易在焊接时产生气孔。而且由于活性剂的加入很多元素，使熔池的流动性降低, 冶金反应复杂化等都增加了气孔的产生概率，因此我们在研究涂敷活性剂对钛合金焊接增加熔深研究的同时必须研究对各种缺陷的影响和消除, 以得到具有良好综合性能的实用焊缝。本实验对焊缝进行了X射线检测，检测结果底片拍摄如图3.4。图3.4 试板进行X射线检测底片摄像利用X射线检测宏观气孔，观察发现

46、未涂有活性剂的A组试板共有3个不明显气孔，而涂敷有活性剂的B组试板有1个可见气孔。从结果来看，在此功率下，并没有产生足够数量气孔以说明问题。若想研究活性剂对气孔的影响还需更多组功率下的数据，以及对试样进行多处切样观察显微气孔的数量。从另一方面来说，在800W功率下，涂敷活性剂并未增加钛合金对气孔的敏感性，说明其在增加熔深的同时，并未增加气孔缺陷的倾向。3.3 金相显微镜分析 图3.5为涂有活性剂的B组试样焊缝微观组织照片和未涂有活性剂的A组试样焊缝微观组织照片对比图，A组焊缝形成了典形的网篮状组织。而B图焊缝组织更为细小致密，其HAZ晶粒要比基体的细小, 组织形态及特征较为理想。图3.5 A组

47、与B组焊接区金相显微组织 ×1003.4 本章小结 本章通过对在焊接功率为800W、焊接速度为0.015m/s、离焦量为+7mm，采用氩气保护，焊缝正面保护气体的压力为4.2MPa，焊缝背面保护气体流量为10L/min工艺条件下的焊缝外观，深宽比，气孔及金相组织等进行了分析。分析可知活性剂在可增加熔深的同时，并未伴随其他焊接缺陷的增加。4结论课题对TC4钛合金进了活性剂激光焊工艺研究，采用控制变量法研究了活性剂对焊缝熔深的影响，并对焊缝外观、缺陷、显微组织进行了观察与分析，得出以下结论：(1) 在在激光功率800w，离焦量为+7mm，焊接速度0.015m/s，保护气氩气保护，焊缝正面

48、保护气体的压力为4.2MPa，焊缝背面保护气体流量为10L/min的工艺参数下，活性剂的涂覆使得激光焊接TC4钛合金的熔深明显增加，熔宽明显变窄，这与预期相一致。(2) 在与(1)中相同参数下，观察到焊前涂有活性剂的焊缝表面保护效果更好，但不如未涂有活性剂的表面平整，活性剂的添加使得焊缝及热影响区组织更加细小。参考文献1 马立彩. 激光焊活性影响等离子体的初步研究J. 电焊机, 2005年7月, 35(7).2 田锦,刘金合. 钛合金活性剂激光焊接的初步研究J. 热加工工艺, 2008, 37(5).3 高福洋,廖志谦. 钛及钛合金焊接方法与研究现状J. 航空制造技术, 2012(23/24).4 陈俐,巩水利,姚伟. 活性剂对钛合金激光焊焊缝成形影响J.