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激光束焊接TC4鈦合金的研究進展
作者:管理員    發布于:2018-11-02 13:50:15    文字:【】【】【


 

        由于鈦合金具有較高的比強度、耐腐蝕性、蠕變性能以及與碳纖維復合材料較好的相容性,因此,廣泛應用于航空、航天、船艇、汽車、化工和生物醫學等領域。當工作溫度高于130℃或當使用不同的材料導致最終部件的過量時,鈦合金也可以代替鋁合金,例如用于波音商用飛機747和757的起落架。在所有的商業用鈦合金中,作為α+β兩相鈦合金的代表Ti–6Al–4V具有優異的物理和機械性能,并且能夠進行熱處理強化或者熱機械加工,因此被廣泛應用。

 

       但是,由于原材料比較貴,以及由鈦合金的高強度,低導熱性和高化學反應性引起的成形和機械加工過程比較復雜,這就造成鈦合金比較貴。在航空航天領域的應用,考慮到減重,就需要用焊接代替機械連接;為了降低成本,就需要用焊接來代替整體鍛造。基于這些原因,焊接在降低成本和提高生產產量方面就變得非常有意義。并且Mendez和Eagar的報告也指出,航空航天工業的趨勢是廣泛使用焊接代替鉚接以達到降低重量和成本。顯然,只有保證所生產的接頭質量,焊接才能夠代替像成形和機加工之類的傳統制造技術。

 

        目前,很多熱源被考慮用來進行鈦合金的焊接。然而,采用傳統的熔焊方法對鈦合金進行焊接時,焊速較慢、焊件變形較大、焊縫組織較粗大;焊縫中會產生氣孔以及夾雜等焊接缺陷;焊接過程易出現氣體保護不良而影響焊縫質量等諸多缺點,在一定程度上限制了焊接鈦合金的應用。

 

        相比電弧焊,束流加工能夠更加匯聚熱源,有更高的能量密度,能使熔池區域形成更窄更深的焊縫。激光焊接作為一種新的高能量焊接最近發展很快,主要是利用受激輻射的光束作為焊接熱源,加熱母材形成熔池最后冷卻凝固形成焊縫的一種焊接方法。

 

       作為高能束流焊接技術中的一種,因其具有能量密度集中、焊縫成形好、焊接速度快、焊接精度高、易實現自動化、生產效率高、焊接設備裝置簡單,不需要真空室等優點,廣泛應用到各個工業領域。例如,早在20世紀70年代初,美國海軍聯合裝備部和愛迪生焊接研究所就對飛機和裝甲車等武器裝備進行了激光焊接技術的研究,利用15 kW的CO2激光器對飛機制造中的各種材料、零部件進行了焊接試驗、評估及工藝的標準化。Li等人也證明激光束是鈦合金的高質量焊接能源。wang[7]等人發現即使測試溫度升至450℃,激光焊接Ti-6Al-4V板材也能達到良好的機械性能。

 

       因此,針對激光焊接TC4鈦合金的焊縫形成機理、工藝參數對焊接質量影響規律的研究進展進行了總結,并展望了激光焊接鈦合金的發展趨勢,為激光焊接鈦合金的發展提供了參考。

 

 激光束焊接的原理與特點

 

按照激光作用在焊件上的功率密度,可以把激光焊接分為激光熱導焊和深熔焊兩種基本的焊接方式。熱導焊的功率密度小于104~105 W/cm2,其熔深淺、深寬比小。深熔焊的功率密度大于105~107 W/cm2時,金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”,其焊接速度快、深寬比大。

 

① 激光熱導焊

 

        激光熱導焊就是利用低功率密度長時間的照射金屬表面,使金屬表面融化,然后再將表面吸收的熱能以熱傳導的方式傳入材料內部,使固液界面慢慢的向底層推進,最終實現對焊件的焊接。激光熱導焊焊接的材料重新凝固后一般是焊點或者焊縫。熱導焊時,為了確保焊材融化充分同時不能汽化,需要通過對激光功率和焊接速度的控制來嚴格的控制焊件表面的溫度,使之介于材料熔點和沸點之間,才能保證熱導焊的焊接質量。

 

     熱導焊采用的低功率密度的激光光斑,加上金屬對激光的吸收率低大部分的激光會被金屬焊件反射。因此采用熱導焊的焊件熔深淺、焊點小、熱影響區小、焊件變形小、精度高、焊接質量很好但是焊接速度慢。熱導焊一般應用在精密儀器儀表,要求低變型的精密零部件及電子元件薄板上的精密加工。

 

      熱導焊的原理為,激光輻射加熱待加工表面(激光能量被表層10~100nm的薄層所吸收),表面熱量通過熱傳導向內部擴散,通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等激光參數,使工件熔化,在兩材料連接的部分形成熔池。在激光束向前運動后,熔池中的熔融金屬隨之凝固,形成焊縫。

 

      熱導焊一般用脈沖激光器。材料僅表面附近被加熱到熔點以上較低的溫度,激光能量大部分被金屬表面反射,光的吸收率較低,因此熔深較淺,通常在lmm~2mm之間,主要用于儀器儀表、電池外殼、電子元件等薄(1mm左右)、小零件和結構的焊接。

 

② 激光深熔焊(小孔焊)

 

       激光深熔焊的原理及激光輻照下材料表層熔化過程示意圖如圖1.2所示。其過程是在高功率密度激光的連續照射下,在極短時間內,金屬表面溫度升高到沸點,迅速熔化,甚至汽化或蒸發,形成等離子體。金屬蒸汽以一定的速度逸出熔池時對液態金屬產生反沖壓力,使熔池表面下沉形成凹坑。金屬蒸氣的持續逸出導致凹坑逐漸加深,最終在熔池中形成細長的小孔。當金屬蒸汽的反沖壓力與液態金屬的表面張力和重力平衡后,小孔形狀和尺寸趨于穩定。熱量從孔壁向外傳遞,有利于材料對激光的吸收,促進小孔周圍的金屬熔化,形成熔池。金屬的持續蒸發導致小孔向前移動,同時由于表面張力使后面的小孔消失,小孔前面的母材會被高能激光熔化,在壓力梯度和溫度梯度的作用下繞過小孔,在小孔的后面重新凝固形成焊縫。在焊接中可以形成焊縫很窄但是很深的焊縫。這種焊接模式適合在不填絲的情況下高速焊接厚板(達到50mm) 。

 

        激光深熔焊過程中,小孔壁始終處于高度波動狀態,小孔前壁較薄一層熔化金屬隨壁面波動向下流動,小孔前壁上的任何凸起位置都會因受到高功率密度激光的輻射而強烈蒸發,產生的蒸汽向后噴射沖擊后壁的熔池金屬,引起熔池的振蕩,并影響凝固過程熔池中汽泡的溢出。

 

         焊接過程中,匙孔的波動會引起焊接的不穩定性,從而影響工件的整體質量。匙孔波動的主要原因如下: a、出自匙孔的蒸汽流速很快,接近聲速,因此可以聽到混亂的噪聲。頸口處高速流動的蒸汽會產生一個低氣壓區,促使頸口關閉,這是匙孔波動的原因之一。 b、匙孔內金屬的強烈蒸發,甚至形成噴射,這種無規律的蒸發引起了液態金屬的快速抖動,也會造成匙孔的波動。但是,焊接過程中匙孔的不穩定性主要是匙孔前壁局部金屬的蒸發造成的。

 

      由于小孔的形成與激光能量的吸收相關,而熔焊過程中形成的等離子體會影響材料對激光的吸收。因此,有必要明晰等離子體的形成過程及其對激光的吸收。等離子體位于熔池上方的激光傳輸通道上,它對激光會產生反射、散射以及吸收,還會對激光產生負透鏡效應。其吸收的光能可通過以下三種渠道傳至工件:等離子體與工件接觸面的熱傳導;等離子體輻射易被金屬材料吸收的短波長光波;材料蒸汽在等離子體壓力下返回凝聚于工件表面。如果等離子體傳至工件的能量大于等離子體吸收所造成的工件接收光能的損失,則增強工件對激光能量的吸收。反之,減弱工件對激光的吸收。等離子體呈周期震蕩,對激光能量具有屏蔽作用(吸收、折射),減少激光入射到工件表面的能量密度,并影響光束的聚焦效果。

 

        等離子體具有周期性,其通過吸收和散射入射光,影響了激光的能量傳輸效率,大大減少了到達工件的激光能量密度,導致熔深變淺;由于等離子體對入射激光的折射,使得激光通過等離子時,波前發生畸變,改變了激光能量在工件上的作用區。

 

        可以通過以下方法抑制等離子體:a、激光擺動法:激光加工頭沿焊接方向來回擺動,在匙孔出現后,等離子形成以前,將光斑瞬時移至熔池的后緣; b、脈沖激光焊接法:調整激光的脈沖和頻率,使激光的輻射時間小于等離子體的形成時間; c、低氣壓焊接:采用減壓焊接,當氣壓低于某一程度時,材料表面及匙孔內金屬蒸汽密度較小,等離子體減弱; d、側吹輔助氣體:一種是采用輔助氣體吹散等離子體;另一種是用導電性好、電離能高的氣體抑制環境氣體的電離和壓縮金屬離子蒸汽。

 

      通過以上分析可知,相對于熱導焊,深熔焊有以下優點:

 

a、焊縫深寬比較大。因為熔化金屬圍繞小孔形成并向下延伸,促進了能量吸收;

 

b、材料熱輸入低,熱影響區和變形小。因為小孔溫度非常高,所以熔化過程非常快;

 

c、熔池氣體容易逸出,焊縫致密。因為充滿高溫蒸氣的小孔有利于熔池攪拌和氣體逸出,焊后高速冷卻使焊縫組織細化,強度提高;

 

d、焊縫組織純凈,污染少。因為非金屬元素和夾雜物的充分逸出降低了雜質含量,改變了其尺寸及其分布;

 

e、焊接速度快,生產效率高。

 

        焊接接頭的質量和性能取決于焊接幾何形狀,焊接期間的熔池行為,焊接區域和熱影響區域的冶金以及焊接缺陷。在焊接期間發生的化學和冶金行為的復雜性可能導致在使用中的焊縫的隨后的故障,大約45%的焊接缺陷的原因是由于不良的工藝條件[10]。因此,重要的是理解工藝參數對焊接質量的影響機理。

 

        為了獲得可接受的焊接輪廓和令人滿意的機械性能,焊縫形狀的控制是必要的,因為焊縫的機械性能受焊縫形狀的影響。影響焊接金屬凝固行為的焊縫形狀受焊接參數和輸入工件的相應熱量]的影響。因此,有必要理解包括激光功率,焊接速度和散焦距離在內的焊接參數對焊縫形態的影響以及確定焊接缺陷的來源。然后可以確定焊接參數的最佳組合,確保所需的焊接質量和性能,并且最小化焊接缺陷。

 

        影響激光焊接的主要工藝參數有:激光功率、焊接速度、焦點位置、激光功率密度等。焦點位置直接影響激光功率密度;對熔深要求較高和熔池要求較大時,宜采用負離焦。焊接薄板時,宜采用正離焦,此時焊縫成形較好。

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