DOI:10.14128/j.cnki.al.20254512.046
中图分类号:TN249
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TC4钛合金激光焊接参数对工艺气孔的影响
0 引言
钛合金因其比强度高、耐蚀性好等一系列优点,在航天、航空领域得到了广泛的应用[1-3]。焊接是航天航空零件加工中的重要手段,可在减轻结构质量的同时降低生产成本[4-6]。与传统弧焊相比,激光焊接具有热输入低、焊接变形小、生产效率高等优点。而针对钛合金零件的焊接,采用脉冲激光焊比连续激光焊接更有优势,这主要是因为以脉冲形式输出的激光能量,能有效降低焊接过程中的热输入,更有利于焊接变形的控制,提高焊接成形质量。
现有研究结果表明,钛合金的激光焊接过程中易产生气孔[7]。激光焊接过程中产生的气孔主要分为两种:一种是氢气孔,为氢形成的气泡来不及逃逸出熔池而形成的气孔[8],氢是由材料表面的水分、油脂和氧化物等在焊接过程中分解产生的[9];另一种是工艺型气孔,匙孔内的金属蒸气向外喷发致使匙孔开口处的蒸气产生湍流,将气体卷入匙孔内部,同时匙孔的不稳定波动导致匙孔出现闭合,由于激光具有焊接速度快、熔池凝固速度快的特点,因此来不及逸出的气泡被快速凝固的熔融金属捕获而残留在焊缝中,形成气孔[10-11]。气孔的存在会降低焊缝的有效工作截面积,严重影响焊接件的强韧性。因此,研究工艺参数对脉冲激光焊接过程中的影响和进一步优化钛合金脉冲激光焊接工艺窗口具有重要意义。
国内外研究人员针对激光焊接过程中气孔的形成和抑制开展了大量的研究工作。针对钛合金激光焊接气孔的相关研究结果表明,工艺型气孔的产生与匙孔的稳定性密切相关。有研究发现双光束激光焊和激光摆动焊能够抑制气孔的产生[11-12]。其中双光束激光焊通过两束激光同时作用于匙孔,扩大匙孔开口的同时增大熔池面积,提高匙孔稳定性的同时还有利于气泡的逸出,从而减少了气孔缺陷[13]。而光束摆动焊接的匙孔稳定性较光束未摆动显著增加,其原理是光束摆动提高了光束与熔池液面的接触面积,金属蒸发增强,匙孔的稳定性得以提高,以此达到抑制工艺型气孔的目的。此外,还有激光离焦量控制法,通过提高离焦量的方法来增大光斑尺寸,进而增大熔池与匙孔尺寸,使匙孔的稳定性有所提高,焊缝内部气泡更易逸出,从而减少气孔[14]。
但双光束激光焊及激光摆动焊需要专用的设备,设备成本较高,且离焦量控制法并未在不同光学配置上实验过。因此,本文针对航空航天领域钛合金薄板非穿透焊接结构,采用不同光学配置,研究了TC4激光脉冲焊接工艺参数对焊缝中工艺型气孔的影响。本文不仅探究了不同离焦量和功率下的焊缝气孔变化规律,而且采用不同光学配置进行实验,分析了TC4激光脉冲焊接中气孔的形成机理和影响因素,为脉冲激光焊接技术在航空航天上的应用积累经验。
1 实验设备、材料及方法
1.1 实验设备
实验采用光纤激光柔性焊接平台如图1所示,平台搭配6 kW IPG光纤激光器(波长1 080 nm),光纤芯径200 μm;焊接头为precitec YW52型焊接头,运动机构为KUKA KR60HA机器人。
图1 光纤激光焊接平台
Fig.1 Fiber laser welding platform
1.2 实验材料
实验材料为8 mm厚TC4钛合金板材,化学成分如表1所示。
表1 TC4钛合金化学成分
Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy
ElementAlVFeSiCNHOTiMassfraction/%5.5000～6.80003.5000～4.50000.09000.03000.01400.01300.00480.050088.1000～91.0000
1.3 实验方法
实验采用平板堆焊的方式进行,实验中固定脉冲频率(40 Hz)及占空比(60%),控制焊缝深度在2.0～5.0 mm范围内,选取离焦量Z、激光功率P、焦斑直径
等工艺参数为主要变量,采取单因素变量法制定实验方案,研究工艺参数对焊缝成形及气孔的影响规律。
如图2所示,为防止在焊接过程中反射光能量过高损坏光学设备,焊接头与法向夹角为10°。规定激光零焦在试板上方为正离焦,零焦在试板下方为负离焦。焊前对TC4试板表面进行机械打磨去除氧化皮、油污等杂质,并采用酒精擦拭备用。焊后对成形焊缝取样,观察和分析焊缝成形质量、宏观形貌及内部气孔数量。
图2 焊接过程焊接头偏角示意
Fig.2 Diagram of welding deflection angle
1.4 焊缝检测及焊接气孔评定方法
采用电火花线切割机在每组焊缝中心位置取宏观金相样及纵向气孔样,制样后测量焊缝熔深及熔宽,通过焊缝t值(深宽比),结合各焊缝中心处的气孔数量来分析气孔规律。纵向气孔样长度统一为40 mm,气孔样研磨到焊缝中心后观察气孔情况,试样取样位置如图3所示。同时,为更好地研究各工艺参数对焊缝质量的影响,定义焊缝熔深b和熔宽a的比值为t,并使用 Image Pro软件对照片上的气孔面积与焊缝面积信息进行采集与统计。本文将焊缝气孔投影总面积与焊缝投影面积的比值作为气孔率,计算公式为:
(1)
(2)
图3 试样取样及测量示意图
Fig.3 The images of selected position and measurement of samples
式中:f为焊缝气孔率,%; Sp为单个气孔的投影面积,mm2;Sw为焊缝投影面积,mm2;t为焊缝深宽比值;a为焊缝熔宽,mm;b为焊缝熔深,mm。
2 结果及分析
2.1 离焦量对焊缝质量的影响
采用焦斑直径0.48 mm的光学配置进行焊接实验,实验中固定激光功率为2 100 W,焊接速度为25 mm/s,根据单一变量法在不同离焦量下的焊缝宏观形貌如图4所示。由图4可知,离焦量Z在-4～+16 mm范围内变化时,焊缝均能获得较好成形,但离焦量Z在+12～+16 mm区间成形焊缝的宏观形貌更为圆滑均匀。与此同时,离焦量Z为+4 mm比Z为-4 mm焊接过程中产生的飞溅更多。这是因为负离焦时激光焦斑位于匙孔内,匙孔内的能量密度更高,熔池反应更剧烈。
图4 不同离焦量下的焊缝宏观形貌
Fig.4 Macroscopic morphology of formed weld with different defocus
图5为不同离焦量下的焊缝截面金相图。由统计结果可知,激光功率为2 100 W时,随着离焦量Z由+4 mm逐渐增大到+16 mm,焊缝熔深逐渐减小,焊缝熔宽先增大再减小,但焊缝t值逐渐减小。对不同离焦量下的焊缝t值进行统计,结果如图6所示。当激光功率一定时,随着离焦量的增大,焊缝t值逐渐减小。
图5 不同离焦量下的焊缝宏观金相图
Fig.5 Macro metallographs of formed weld with different defocus
图6 离焦量对焊缝熔宽、熔深及深宽比的影响
(a)离焦量对焊缝熔宽、熔深的影响;(b)离焦量对焊缝深宽比的影响
Fig.6 Effect of defocusing amount on weld width,depth and depth-width ratio
(a)Effect of defocusing amount on weld width,depth;(b)effect of defocusing amount on depth-width ratio
不同离焦量下成形焊缝的内部气孔状态和气孔率如图7和图8所示。由图7可知,随着焊缝t值的逐渐增大,焊缝气孔率也呈逐渐增多趋势。由气孔率的统计曲线发现,当焊缝t值控制在0.9左右时,焊缝中心处的气孔率显著减低。由于焊缝t值降低,焊缝熔宽增加,熔深降低,匙孔通道变短,较大的离焦量使得焊接过程中的匙孔直径变大,匙孔稳定性有所提高,且较大的匙孔直径更有利于焊缝中的气体逃逸。
图7 焊缝内部气孔状态
Fig.7 Porosity of different welds
图8 不同深宽比下的焊缝内部气孔率
Fig.8 Porosity of different depth-width ratio
综上所述,在大离焦量(Z=+12 mm/+16 mm)条件下成形焊缝的宏观形貌更好,焊缝深宽比值更小,气孔率更低。
2.2 激光功率对焊缝质量的影响
根据前述离焦量实验可知,采用较大离焦量有助于改善焊缝成形及控制焊缝内部气孔率。因此本节实验参数采用离焦量Z=+12 mm/+16 mm,焦斑直径0.48 mm,固定焊接速度为25 mm/s,实验中根据单一变量法在不同激光功率下进行焊接实验。成形焊缝的宏观形貌如图9所示。由图9可知,离焦量Z=+12 mm/+16 mm,激光功率P从2 100 W增大到2 700 W范围内变化时,焊缝均能获得较好成形。
图9 不同激光功率下成形焊缝宏观形貌
Fig.9 Macroscopic morphology of formed weld with different laser power
图10为不同激光功率下成形焊缝横截面宏观金相图。当离焦量Z为+12 mm或+16 mm时,随着激光功率从2 100 W增大到2 700 W,焊缝熔宽、熔深和焊缝t值均呈逐渐增大规律。随着激光功率的增大,激光功率密度升高,匙孔内液态金属的流动作用增强,因而增大了焊缝熔深。然而,当离焦量Z一定时,单纯的增大激光功率,激光的光斑直径不变,激光束在焊缝区域作用的面积无明显变化,导致焊缝宽度变化不明显,因此激光功率对焊缝熔宽的影响要比对熔深的影响小。不同激光功率下的焊缝t值如图11所示,当离焦量一定时,随着激光功率的增大,焊缝t值均逐渐增大。
图10 不同激光功率下成形焊缝宏观金相
Fig.10 Macro metallographs of formed weld with different laser power
图11 激光功率对焊缝熔宽、熔深及焊缝深宽比的影响
(a)激光功率对焊缝熔宽的影响;(b)激光功率对焊缝熔深的影响;(c)激光功率对焊缝深宽比的影响
Fig.11 Effect of laser power on weld width,weld depth and depth-width ratio
(a)Effect of laser power onweld width; (b)effect of laser power on weld depth; (c)effect of laser power on depth-width ratio
不同激光功率下成形焊缝的内部气孔状态和气孔率分别如图12和图13所示。由图12可知,离焦量为+12 mm/+16 mm一定时,随着激光功率的逐渐增加,焊缝t值均逐渐增大,焊缝气孔率也呈逐渐增多趋势。由气孔率的统计结果发现,当焊缝t值控制在0.9左右时,焊缝中心处的气孔率显著降低。由于焊缝t值降低,焊缝熔宽增加,熔深降低,匙孔通道变短,较浅的熔池深度更有利于焊缝中的气体逃逸。
图12 焊缝内部气孔状态
Fig.12 Porosity of different welds
图13 不同深宽比时焊缝内部气孔率
Fig.13 Porosity of different depth-width ratio
综上所述,激光功率在2 100～2 700 W范围内变化时,均能获得良好的焊缝成形。同时离焦量一定时,随着激光功率的增大,焊缝熔宽和熔深均增大,但激光功率的变化对焊缝熔深的影响比对焊缝熔宽的影响更显著。随着激光功率的降低,焊缝深宽比值逐渐减小,从而有助于减小焊缝气孔率。为进一步验证气孔率与焊缝深宽比之间的关系,更换光学配置获得不同的焦斑直径,研究不同焦斑直径下的焊缝成形及气孔率的变化规律。
2.3 激光焦斑直径对焊缝成形及气孔率的影响
为了进一步研究焦斑直径对焊缝质量的影响,分别选用焦斑直径为0.4 mm、0.48 mm、0.6 mm的光学配置进行焊接实验,离焦量Z选定为+4 mm和+12 mm,固定焊接速度为25 mm/s,激光功率固定为2 800 W。
图14为不同焦斑直径下成形焊缝的宏观形貌。当P=2 800 W,=0.4 mm/0.48 mm,离焦量Z=+4 mm/+12 mm时,焊缝边缘均存在一定程度的咬边,且焊接过程中产生的飞溅较大。=0.6 mm时,在+4 mm和+12 mm离焦量下均能获得良好成形。这说明较大的激光焦斑直径有助于改善焊接过程的稳定性,减小飞溅,获得更优焊缝质量。但总体而言,采用三种不同焦斑直径焊接均是离焦量为+12 mm时成形焊缝质量最优。
图14 不同焦斑直径和离焦量下成形焊缝宏观成形
Fig.14 Weld macroforming of different focal spot diameter
图15为不同焦斑直径和离焦量下成形焊缝宏观金相。根据焊缝的宏观金相可以看出,离焦量为+4 mm和+12 mm时,随着激光焦斑直径的增大,焊缝熔宽均是先增大后减小。离焦量+4 mm时,随着焦斑直径的增大,焊缝熔深从3.920 mm逐渐减小为3.009 mm;离焦量为+12 mm时,随着焦斑直径的增大,焊缝熔深从3.385 mm逐渐减小为2.565 mm,但焊缝t值均逐渐减小,且离焦量为+12 mm时的t值总体小于离焦量为+4 mm时的值。不同焦斑直径和离焦量下成形焊缝尺寸的统计结果如图16所示。可以看出,离焦量不变时,随着焦斑直径的增大,焊缝t值逐渐降低。
图15 不同焦斑直径和离焦量下成形焊缝宏观金相
Fig.15 Macro metallography of welds
(a)Z=+40 mm,=0.40 mm;(b)Z =+12 mm,=0.40 mm;(b)Z =+40 mm,=0.48 mm;(d) Z =+12 mm,=0.48 mm;(e) Z =+40 mm,=0.60 mm;(f) Z =+12 mm,=0.60 mm
图16 焦斑直径对焊缝熔宽、熔深、深宽比的影响
(a)焦斑直径对焊缝宽度的影响;(b)焦斑直径对焊缝深度的影响;(c)焦斑直径对深宽比的影响
Fig.16 Influence of focused spot diameter on weld width,weld depth and depth-width ratio
(a)Influence of focused spot diameter on weld width; (b)influence of focused spot diameter on weld depth; (c)influence of focused spot diameter on depth-width ratio
不同离焦量、激光功率下焊缝的内部气孔状态和气孔率如图17和图18所示。离焦量为+4 mm时,随着焦斑直径的增大,焊缝内部气孔率从1.56%逐渐减小到0.70%;离焦量为+12 mm时,随着焦斑直径的增大,焊缝内部气孔率从1.06%逐渐减小到0.17%。且焦斑直径不变时,离焦量较大的焊缝,内部气孔率较低。
图17 焊缝内部气孔状态
Fig.17 Porosity of different welds
图18 不同深宽比焊缝内部气孔率
Fig.18 Porosity of different depth-width ratio
综合来看,随着焊缝t值的增大,焊缝内部气孔率逐渐从0.17%增大至1.56%,当t值为0.91时,焊缝内部气孔率最低。随着焦斑直径的增大,激光功率密度降低,焊接时的匙孔直径变大,焊接稳定性有所提高,同时较小的t值有利于焊接熔池内的气体逸出。
综上所述,焦斑直径较小时,激光功率密度大,焊缝难以获得较小的深宽比值,而选用较大的焦斑直径进行焊接可以获得更优的焊缝成形,更易获得较小的深宽比值,焊缝内部气孔率更低。采用较大的焦斑直径并配合选用较大的离焦量以控制焊缝深宽比在0.9左右时,可有效改善焊缝内部气孔缺陷。
3 分析与讨论
大量的研究结果表明,激光焊接中的工艺型气孔的形成与匙孔效应的稳定状态密切相关[15]。如图19所示,激光焊接过程熔池会形成匙孔效应,但小孔也极不稳定,特别是非穿透型焊缝,高能量激光束在焊接移动过程中,小孔的形态会发生交替的剧烈膨胀与收缩,导致小孔出现周期性地闭合,小孔内未逃逸出的气体残留在熔池内,凝固后形成气孔,这是导致工艺型气孔产生的重要原因之一[16]。因此,优化焊接过程中的参数,提高焊接过程中匙孔的稳定性是控制焊缝中气孔率的关键。
图19 激光焊接过程熔池小孔示意图
Fig.19 Diagram of key holes during welding
在TC4钛合金试板非穿透型激光焊接过程中,便可通过调整工艺参数及光学配置扩大小孔直径,提高焊接过程中小孔的稳定性,抑制小孔产生周期性地闭合,有利于改善熔池中的气孔缺陷[17]。与此同时,适当降低熔池的深度,增加熔池的宽度,使得熔池内的气体逃逸通道变短、变宽,也有助于熔池内的气体逃逸,从而降低熔池凝固后焊缝内的气孔率。
因此,采用较大的离焦量,较小的激光功率以及较大的焦斑直径施焊,获得较小的焊缝深宽比值,可以提高焊接过程中小孔的稳定性,并降低焊缝内的气孔率。
4 结论
本文研究了脉冲激光焊接工艺参数对TC4钛合金试板气孔的影响规律,为钛合金的激光焊接实际应用中提供工艺指导,可以得出以下结论:
(1)当激光功率一定时,随着离焦量的增大,焊缝成形改善明显,焊缝深宽比值逐渐减小,内部气孔率降低,增大焊接时的离焦量有助于降低焊缝内部气孔率。
(2)激光功率的变化对焊缝熔深的影响比对焊缝熔宽的影响更显著。离焦量一定时,随着激光功率的增大,焊缝深宽比值逐渐增大,焊缝内部气孔率逐渐增大。焊接中采用较小的激光功率,有利于降低焊缝气孔率。
(3)离焦量等其他参数不变时,随着焦斑直径的增大,焊缝成形更趋圆滑,焊缝深宽比值逐渐减小,焊缝内部气孔率逐渐降低。焊接时采用较大的焦斑直径,焊缝内部气孔率更低。
(4)采用脉冲激光焊接TC4钛合金试板非穿透型焊缝,焊缝内部气孔率与焊缝深宽比值关系较大,深宽比越小,焊缝内部气孔率越低,将焊缝深宽比值控制在0.9左右时,可有效改善焊缝内部气孔缺陷。
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