异质钛合金激光焊研究现状及存在问题
异质钛合金激光焊研究现状及存在问题
钛合金具有优良的综合性能， 近年来应用越来越广泛。不同钛合金各具特点， 钛合金因其具有低密度、高比强、耐高低温、耐蚀、可焊及无磁等优良的综合性能，在航空、航 天、舰船、化工等领域获得越来越多的应用， 我国对钛合金的需求量更是以每年２０％ ～３０％的速度增加。目前，已发明和应用的不同钛合金在化学成分、显微组织、性能、制造成本以及用途等方面各具特点 。将２种异质钛合金进行混合连接，可最大发挥相应钛合金自身优势性能， 实现制造成本的最低化，对于提升装备综合性能具有重要意义 。激光焊技术具有能量密度高、 深宽比大、 焊后接头焊缝区和热影响区窄、接头残余应力及变形程度小、 焊后加工少甚至不加工以及易实现自动化等优点，已被广泛用于各类金属材料的连接 。 将２种异质钛合金通过激光焊连接成满足使用要求的复合构件，可最大程度地发挥不同钛合金的优势特点， 对于提升装备综合性能具有重要意义。文中综述了近年来国内外关于异质钛合金激光焊的研究现状和成果， 并分析了异质钛合金激光焊存在的问题， 提出了不等厚钛合金连接的结构设计想法，展望了未来发展趋势 为异质钛合金激光焊的研究提供参考。
异质钛合金激光焊接研究现状
不同钛合金各具特点， 例如， 典型的 α＋β 型钛合金ＴＣ４（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ） 是最早开发并成功得到应用的钛合金， 加工技术已较为成熟， 制造成本相对其他钛合金较低， 是迄今为止应用最为广泛的钛合金， 具有中等强度和适用的塑性等综合力学性能；Ｔｉ２ＡｌＮｂ 合金作为一种新型高温钛合金， 具有较高的比强度和比刚度、 耐高温、 抗氧化等特点， 适合在 ６５０～７５０ ℃高温范围内使用， 是最具潜力的新型航空航天用轻质高温结构材料， 但其热加工工艺较难控制， 成品率低， 制造成本较高。将２种异质钛合金通过激光焊连接成为满足使用要求的复合构件， 可最大发挥不同钛合金的优势特点， 例如， Ｔｉ２ＡｌＮｂ 等高温钛合金存在加工工艺难、 制造成本高等缺点， 限制了其应用推广， 如果仅在耐高温部位使用高温钛合金， 而在低温部位使用成本相对较低的ＴＣ４ 等常规钛合金， 既可以保证构件高温性能， 又可以大大降低制造成本。近年来， 国内外研究人员对异质钛合金激光焊的研究大都集中在异质等厚钛合金， 主要集中在 Ｔｉ２ＡｌＮｂ（Ｔｉ－２２Ａｌ－２５Ｎｂ） ∕ＴＣ４（Ｔｉ－６Ａｌ－ ４Ｖ）、 高温钛合金 Ｔｉ２ＡｌＮｂ、 常用钛合金 ＴＣ４ 等与其他钛合金等， 研究了其激光焊工艺， 接头的显微组织、 相组成、硬度、力学性能、断裂特性等性能， 而对于异质不等厚钛合金激光焊方面研究未见到相关报道。
利用激光焊得到了成形良好的异质等厚钛合金 Ｔｉ － ２２Ａｌ － ２５Ｎｂ∕Ｔｉ － ６Ａｌ － ４Ｖ 接头， 分析了接头显微组织和力学性能。结果表明：接头焊缝区主要由 Ｂ２ 相和 α′马氏体相组成， 两侧热影响区显微组织由于母材原始组织不同而不同， Ｔｉ － ２２Ａｌ－２５Ｎｂ 侧热影响区显微组织主要由 Ｂ２ 相、 Ｏ 相 和 α２ 相组成， Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 侧热影响区主要由 α 相、 β 相和 α′马氏体相组成；ＥＤＳ 分析结果表明：由于焊接过程中的剧烈搅拌作用， 焊缝区和热影响区各元素分布基本均匀；由于焊缝区 α′马氏体相较多， 显微硬度最大；室温和 ６５０ ℃ 高温拉伸时断裂均发生在焊缝区。
研究了不同焊后热处理对异质等厚钛合金 Ｔｉ－１５－３∕ＳＰ７００ 激光焊接头组织和性能的影响规律。结果表明：未经焊后热处理的接头焊缝区组织由 β 相组成， 无沉淀相析出， 硬度较低；采用不同温度进行热处理后， 焊缝区硬度升高， 当热处理温度从 ４２６ ℃ 提高到 ４８２ ℃ 时， 焊缝区 β 相 基体中会析出大量针状 α 相， 产生时效硬化现象， 热处理温度继续升高至 ５９３ ℃ 时， 会形成板条状 α 相， 导致硬度降低， 韧性提高。
对异质等厚钛合金 Ｔｉ－２２Ａｌ－ ２５Ｎｂ∕ＴＡ１５ 进行了激光焊， 分析比较了单光束和双光束激光焊接头显微组织和力学性能。结果表明：采用单光束激光焊时， 由于 β 相的存在和接头快速冷却， 焊缝区仅由 Ｂ２ 相组成， 但采用双光束激光焊时， 由于冷却速率的降低， 焊缝区形成了 Ｏ 相组织；单双光束激光焊后， 接头显微硬度分布规律相同， 焊缝区的显微硬度均低于两侧母材的硬度， 但双光束激光焊接头焊缝区显微硬度略高于单光束激光焊接头的；在室温拉伸时， 断裂均发生在焊缝区， 单光束激光焊接头的断口形貌为准解理断面， 而双光束激光焊接头的断口形貌为韧窝状， 双光束激光焊可以提高 Ｔｉ－２２Ａｌ－２５Ｎｂ∕ＴＡ１５接头的强韧性。
研究了飞机结构用异质等厚钛合金 Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ∕ｃｐ－Ｔｉ 激光焊 Ｔ 形接头工艺。结果表明：激光焊工艺参数对接头质量具有较大影响， 焊接过程中采用氩气保护气体， 会影响到接头质量；激光功率较小时， 会产生未焊透等缺陷；激光功率较大时， 焊接缺陷主要是烧伤。
研究了异质等厚钛合金ＴＣ４∕ＴＡ１５ 激光焊接头显微组织和力学性能。结果表明：选用合理的激光焊工艺参数， 可以得到表面均匀、 无焊接缺陷的 ＴＣ４∕ＴＡ１５ 接头；焊缝区显微组织由粗大的柱状晶组成， 含有大量针状 α 相和马氏体 α′相， 焊缝区显微硬度明显高于两侧母材的硬度， 焊缝宽度随着激光功率的增大和焊接速度的降低而变宽；模拟结果显示， 随着应变速率的增加， 焊接接头抗拉强度和屈服强度均提高， 而硬化能力和应变硬化指数则降低， 不同应变速率下拉伸时接头均 在 ＴＡ１５母材侧断裂， 且为韧性断裂。
对异质等厚钛合金 Ｔｉ － １５Ｖ－ ３Ｃｒ－３Ａｌ－３Ｓｎ∕Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 进行了激光焊， 并研究了焊后热处理对接头显微组织和性能的影响规律。结果表明：焊缝区显微组织主要以 α″为主， 伴随少量 α 相和 β 相；当热处理温度为 ４２６ ℃ 时， 焊缝区形成致密的组织， 析出较多细小沉淀相， 使其硬度升高， 随着热处理温度的逐渐升高， 焊缝区逐渐形成了片状和片状 α 相混合组织， 使焊缝区硬度降低。
异质钛合金激光焊接研究现状
国内外研究现状表明， 利用激光焊能量密度高、 深宽比大、 变形程度小等优点， 能够实现钛合金异质接头的可靠连接， 并能够有效降低接头热影响区范围以及焊件的焊后残余应力， 提高焊接质量和效率。
但由于异质钛合金中化学成分不同， 板材原始加工成形工艺复杂且不相同， 对成分变化及热过程敏感。激光焊时高温会使两侧母材热影响区组织发生变化， 母材重熔完全破坏了原有组织平衡状态， 焊缝快速冷却凝固后显微组织与两侧母材存在较大差别， 容易出现粗大组织， 且两侧母材化学成分不同， 导致焊缝组织容易出现不均匀现象。部分异质钛合金在激光焊后， 焊缝区显微硬度明显低于两侧母材的， 出现软化现象。上述问题导致异质钛合金 激光焊构件在后续机械加工和工况使用过程中极易在焊缝处断裂， 最终引起整体部件失效。
同时， 目前国内外对异质钛合金的激光焊大多集中在等厚板材焊接， 未曾发现对不等厚钛合金的激光焊研究与应用。实际工程应用中， 在采用异质材料连接的基础上， 进一步采用不等厚板连接的结构设计， 在强度要求高的部位使用厚板， 在强度要求低的部位使用薄板， 可进一步实现轻量化、 降低制造成本。
“宝鸡盛辉钛业有限公司，主营各种规格钛棒、钛加工件、钛异形件；我们钛棒的材料选用优良材质，符合标准，不偷工减料；我们钛棒的规格多样满足您的需求；我们钛棒的表面光滑、结构稳定、无凹凸、耐酸、耐碱、耐腐蚀、无裂纹。我们的目标是以优异的产品、可靠的质量、优越的终身效能费用比和有效的服务，满足顾客日益增长的需要，质量是我们的自尊心。我们的生产理念：质量至上、用户满意、精益求精、务实创新。 异质钛合金激光焊接研究现状
