超薄鈦殼激光焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形影響研究

倪先勝 周正干 文雄偉

1.北京航空航天大學(xué),北京,100191 2.清華大學(xué),北京,100084

0 引言

鈦是優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料,具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn),在航空航天、醫(yī)療器械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于鈦金屬具有良好的生物相容性,多數(shù)植入性設(shè)備采用鈦金屬作為外殼材料,并采用適當(dāng)?shù)暮附臃椒ㄟM(jìn)行密封封裝。薄鈦殼在焊接過程中,變形嚴(yán)重,難于控制,且吸氣性強(qiáng)易導(dǎo)致氣孔缺陷。熔化極和非熔化極氬弧焊是鈦及鈦合金板材的傳統(tǒng)焊接方法,焊接工藝成熟,但存在缺陷。氬弧焊時(shí),熔寬及焊縫成形仍不理想,在指標(biāo)要求嚴(yán)格的場(chǎng)合中,達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

相比于其他傳統(tǒng)焊接方法,激光焊接具有能量集中、熱影響區(qū)域小、焊縫成形好、易于自動(dòng)焊接和監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),適合于焊接鈦及鈦合金材料。由于鈦及鈦合金具有低熱傳導(dǎo)率和對(duì)紅外線光高吸收率等物理特性,故激光焊接鈦及鈦合金更容易得到深穿透焊。激光焊接過程中重要的焊接參數(shù)有脈沖波形、激光功率、焊接速度、離焦量和保護(hù)氣體流量等。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整激光焊接相關(guān)工藝參數(shù),就可以確保重復(fù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的焊縫成形。目前,針對(duì)鈦及鈦合金的激光焊接,很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究,但多針對(duì)的是厚板超過1mm的情況,涉及密封焊接工藝及性能的研究比較少,且未見到有關(guān)焊接后密封性能的研究[3-6]。

本文利用Nd：YAG脈沖激光器對(duì)0.3mm厚的超薄鈦殼進(jìn)行單面密封焊接試驗(yàn),重點(diǎn)研究了激光焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響,對(duì)在不同工藝情況下的焊縫形貌進(jìn)行觀察分析,并對(duì)焊接樣品的接頭機(jī)械性能及總體密封性能進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)采用醫(yī)用純鈦TA 0,其成分如表1所示[1]。試驗(yàn)中采用的焊接樣品外形如圖1所示。

表1 TA0的化學(xué)成分

圖1 焊接樣品示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)采用的是英國GSILumonics公司生產(chǎn)的以JK300HP脈沖型Nd：YAG激光器為核心的焊接系統(tǒng)。該激光器最大功率能達(dá)300W,波長(zhǎng)為1.06μm,焦距為120mm,焦斑直徑為0.04mm,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)和脈沖輸出。與之相配的是北京精密機(jī)械研究所研制的L2020型高精度數(shù)控機(jī)床系統(tǒng),該系統(tǒng)具有X、Y、Z三個(gè)自由度與 A軸,定位精度達(dá)0.01mm。位于Z軸的激光通過光纖傳輸并透射聚焦后到達(dá)工件,焊接過程通過激光器靜止,工作臺(tái)相對(duì)激光運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。此外,激光系統(tǒng)具有坡起、坡降功能,可在預(yù)定時(shí)間內(nèi)逐步增大或減小激光功率,這樣能避免焊縫的起始與結(jié)尾處出現(xiàn)凹坑,產(chǎn)生不利于密封性能的影響。

試驗(yàn)前,對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理,大致流程如下：首先采用氫氟酸、硝酸和水的體積比為1∶6∶30的混合液除去表面氧化膜;其次在凈水中浸泡約30min,隨后在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗3～5min,達(dá)到除油去雜質(zhì)的目的;最后吹干并及時(shí)焊接。

鈦是一種極易氧化的金屬,在高溫下會(huì)與很多活性氣體發(fā)生劇烈反應(yīng),保護(hù)氣體選用惰性氣體為宜。試驗(yàn)過程中采用雙路高純氬氣對(duì)焊接工件高溫區(qū)進(jìn)行保護(hù),樣品采用專用設(shè)計(jì)焊接夾具進(jìn)行固定,通過雙側(cè)氣管對(duì)吹,焊接前對(duì)殼體內(nèi)部注入氬氣,確保樣品的內(nèi)壁及彎角部分亦可實(shí)現(xiàn)保護(hù)。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

焊接試驗(yàn)采用單面熔焊鈦殼樣品的方式,通過改變影響激光焊接的主要參數(shù),如脈沖波形、激光功率、焊接速度、離焦量和保護(hù)氣體流量來獲得一系列的焊縫。焊后,選取特定工藝參數(shù)下的焊接接頭的橫截面,選用三組結(jié)果,分別通過粗磨、精磨、拋光后進(jìn)行宏觀分析,并通過圖像處理技術(shù)綜合計(jì)算焊縫熔深及熔寬。隨后,用顯微硬度計(jì)測(cè)量接頭硬度分布,用掃描電鏡分析顯微組織。最后,對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)下的樣品進(jìn)行密封性能測(cè)試,驗(yàn)證工藝研究結(jié)果可靠性。

圖2 激光焊接試驗(yàn)平臺(tái)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫的表面形貌

圖3所示為激光密封焊接而成的焊縫正面的形貌。焊縫表面成形美觀,均勻平滑,無明顯缺陷,無明顯余高,焊接接頭的熔合線非常清晰,成形較好。由于是密封焊接,對(duì)重復(fù)率有一定的要求,故圖3中可清晰看到致密魚鱗狀條紋。

圖3 密封焊縫正面與橫截面形貌

2.2 激光脈沖波形對(duì)焊縫成形的影響

采用Nd：YAG脈沖激光器進(jìn)行密封焊接,脈沖波形對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生著重要的影響。由于大多數(shù)金屬材料對(duì)1.06μm波長(zhǎng)的激光反射率較大,當(dāng)高強(qiáng)度的激光入射時(shí),金屬表面會(huì)將反射掉較大部分的激光能量。因此,不同的金屬狀態(tài)、材料厚度及性質(zhì)對(duì)于激光的反射率和利用率都不一樣,要進(jìn)行有效的焊接就必須輸入不同波形的激光,這樣焊縫處的金屬組織才能在最佳的方式結(jié)晶,形成與基體性能一致的組織,才能形成高質(zhì)量的焊縫。結(jié)合密封焊接與超薄材料的情況,本文采用如圖4所示的設(shè)計(jì)波形。波形A為強(qiáng)度不變的平穩(wěn)波形,波形B為帶有增強(qiáng)前置尖峰的遞減波形。兩種波形在各類縫焊中應(yīng)用廣泛[7],都取得了較為理想的焊縫。

試驗(yàn)中,設(shè)計(jì)波形的功率、脈沖寬度以及脈沖頻率均一致。在此基礎(chǔ)上,為保證連續(xù)密封焊接的可靠性,激光光斑的重復(fù)率需要超過70%,可以初步確定脈沖頻率與焊接速度,其他如保護(hù)氣體等工藝參數(shù)均保持一致,如表2所示。由此,采用不同波形狀況,而激光平均功率、焊接速度等參數(shù)保持一致,可通過觀察焊縫表面形貌以及橫截面來研究脈沖波形對(duì)焊縫成形的影響。

圖4 不同類型脈沖波形設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 兩種脈沖波形下的焊接工藝參數(shù)

由圖5、圖6可以知道,激光波形的變化或脈沖寬度、單脈沖能量的變化對(duì)焊縫形狀、熔深及橫截面積都有著較為明顯的影響。圖5中,波形A參數(shù)下,焊縫外觀呈銀白色,焊縫均勻,可以看到較淺的半球狀的熔斑;波形B參數(shù)下,焊縫外觀粗糙,部分區(qū)域出現(xiàn)飛濺,焊縫周邊有毛刺,且激光熔斑粗大。圖6中,對(duì)比兩組波形參數(shù)下焊縫的橫截面及金屬損失來看,波形A參數(shù)下的熔融區(qū)與熱影響區(qū)較大,且熔深較深,而波形B參數(shù)下的接頭處相對(duì)前者金屬損失亦較為嚴(yán)重,易導(dǎo)致密封可靠性差。

圖5 焊接完成時(shí)的焊縫正面形貌

圖6 焊接完成時(shí)的焊縫橫截面形貌

在對(duì)超薄材料密封焊時(shí),雖然前置尖峰的脈沖波形有改善反射率和利用率的功能,但由于高重復(fù)率的需要,焊縫由大量的熔斑重疊組成,在光斑重疊區(qū)表面狀態(tài)已發(fā)生變化,且溫度也較高,可能重疊區(qū)仍處于熔融狀態(tài)。因此如采用帶前置尖峰的激光脈沖波形,在尖峰作用期間易出現(xiàn)金屬的高速汽化。伴隨著劇烈的體積膨脹,金屬蒸汽以超聲速向外擴(kuò)張,給予工件大的反沖力,使熔融金屬產(chǎn)生“飛濺”,甚至熔斑可能形成不規(guī)則的孔洞。試驗(yàn)結(jié)果表明,在對(duì)超薄鈦殼材料的密封焊接時(shí),應(yīng)該避免帶有前置尖峰的脈沖波形,穩(wěn)定強(qiáng)度的平穩(wěn)波形能產(chǎn)生更為理想焊接的效果。

2.3 激光功率和焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

薄材料的密封焊接和常規(guī)材料的焊接有很大不同,由于試樣厚度小,其熱容量很小,導(dǎo)熱能力差,受熱亦變形,激光功率與焊接速度對(duì)焊縫成形質(zhì)量有著重要的影響[8]。

試驗(yàn)中,在確定采用強(qiáng)度平穩(wěn)的脈沖波形基礎(chǔ)上,分別改變激光功率和焊接速度的大小(激光功率范圍為 40～100W,焊接速度為 200～500mm/min),其他工藝參數(shù)與表2保持一致,進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 激光功率對(duì)焊縫熔深和熔寬的影響

圖8 焊接速度對(duì)焊縫熔深和熔寬的影響

由圖7和圖8可以知道：隨著激光功率的增加,焊縫的熔深和熔寬增大,熔深接近深熔焊;焊接速度的增大,焊縫的熔寬減少,且出現(xiàn)熔斑紋理逐漸清晰,焊縫的合金損失降低,熔深同時(shí)緩慢減小,同時(shí),焊縫區(qū)域深寬比并沒有隨著激光功率或者焊接速度的改變而單調(diào)變化。

焊縫區(qū)域深寬比是衡量焊接質(zhì)量的重要因素,其值越大,所得焊縫焊接質(zhì)量越好,為獲得深寬比較大的焊縫,激光功率和焊接速度的合理匹配是關(guān)鍵。試驗(yàn)結(jié)果表明,在其他工藝參數(shù)不變的情況下,激光功率和焊接速度比值,即激光焊接的線能量(P/v),代表了焊縫上單位面積接受激光照射的能量,它是影響熔池溫度、熔化深度及熔池冷卻速度的主要因素。

此外,由于密封性能的要求,焊縫光斑重復(fù)率(P OR)是決定性參數(shù)。從圖9中同時(shí)考慮到脈沖寬度、脈沖頻率及光斑直徑等因素影響[9],一般可由以下公式計(jì)算得出：

式中,w為光斑直徑;v為焊接速度;tf為單脈沖持續(xù)時(shí)間;tp為脈沖寬度。

圖9 焊縫光斑疊加示意圖

由此可知,在單脈沖能量一致情況下,脈沖頻率與焊接速度是影響焊縫密封性能的重要因素。

在本試驗(yàn)條件下,考慮密封焊接質(zhì)量,兼顧焊縫區(qū)域深寬比最優(yōu)的需求,由圖7、圖8的試驗(yàn)結(jié)果分析可以得出,采用激光功率為80W、焊接速度為400mm/min的焊接參數(shù)使得深寬比大且能較好滿足密封性能影響。

2.4 離焦量對(duì)焊縫成形的影響

離焦量是指激光焦點(diǎn)相對(duì)于被焊工件表面的位置。對(duì)于超薄材料的密封焊接,所需熔深較小,采用負(fù)離焦易造成燒穿、飛濺等現(xiàn)象,而適當(dāng)?shù)恼x焦則可以實(shí)現(xiàn)牢固美觀的焊縫。

本文分別采用了4組不同正離焦進(jìn)行試驗(yàn),離焦量范圍為0～2.5mm,其他工藝參數(shù)與表2保持一致,試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 離焦量對(duì)焊縫熔深和熔寬的影響

由圖10可以看出,在激光功率與焊接速度一定的情況下,隨著離焦量的增大,焊縫的熔深減小,同時(shí)熔寬在增大,焊縫均沒實(shí)現(xiàn)完全焊透現(xiàn)象。針對(duì)焊縫形貌美觀及密封性能要求,離焦量選用0～1mm之間可以得到較好焊縫形貌。

2.5 保護(hù)氣體對(duì)焊縫成形的影響

隨著溫度升高,鈦吸收氣體的能力增強(qiáng)。為防止空氣中 N 2、O2、H 2的污染,焊接時(shí)要求對(duì)焊接區(qū)及溫度高于400℃的區(qū)域進(jìn)行惰性氣保護(hù)。對(duì)于氣體保護(hù)的研究主要集中在如何獲得穩(wěn)定均勻的同軸氣流,一部分研究人員利用特殊噴嘴結(jié)構(gòu)吹出保護(hù)氣體,與激光束同軸噴出,作用到保護(hù)區(qū)域,另一部分則主要集中研究側(cè)吹氣體流量對(duì)焊縫成形的影響[10]。

試驗(yàn)中,采用雙路側(cè)向保護(hù)氣,為了能夠有效防止焊道因殘余熱量的存在而與空氣發(fā)生反應(yīng),采取焊縫后部跟蹤式的氣體保護(hù)方式,使得焊縫移動(dòng)方向與氣體流動(dòng)方向一致。同時(shí)采用合適的氣體流量來實(shí)現(xiàn)區(qū)域保護(hù)。文中分別采用三組不同流量氣體進(jìn)行了試驗(yàn),其他工藝參數(shù)與表2保持一致。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同氣體流量下焊縫形貌

由圖11可知：流量低于5L/min時(shí),焊縫出現(xiàn)嚴(yán)重氧化,無法實(shí)現(xiàn)保護(hù);當(dāng)流量在15L/min時(shí),焊縫表面呈現(xiàn)銀白色亮色,保護(hù)效果良好;當(dāng)流量處于30L/min時(shí),焊縫表面紋理消失,呈粗糙狀。由此可見側(cè)吹氣體流量過大會(huì)造成焊縫熔池不穩(wěn)定,影響焊縫質(zhì)量。因此,當(dāng)側(cè)吹氣體流量為15L/min時(shí),焊縫保護(hù)效果和成形質(zhì)量最好。

2.6 激光焊接后接頭組織分析

根據(jù)GB4342-84標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微維式硬度檢測(cè)。試驗(yàn)選用激光功率80W,焊接速度400mm/min,離焦量為0.5mm,15L/min氬氣保護(hù)氣體密封焊接。檢測(cè)前,對(duì)試樣進(jìn)行相應(yīng)的拋光處理,便于硬度的精確測(cè)量;自焊縫中心位置起向兩側(cè)每隔0.01mm為一個(gè)測(cè)試點(diǎn),共進(jìn)行了20組測(cè)量。檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。

檢測(cè)結(jié)果表明,顯微硬度自基體材料經(jīng)熱影響區(qū)到焊縫區(qū)域呈增強(qiáng)趨勢(shì),即是焊縫區(qū)域的硬度得到增強(qiáng),焊縫區(qū)域硬度相對(duì)熱影響區(qū)與基體材料要高。

隨后,焊縫區(qū)域的掃描電鏡試驗(yàn)進(jìn)一步印證顯微硬度測(cè)試結(jié)果。激光焊接接頭橫截面可以清楚地區(qū)分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。如圖13所示,母材組織基本是由100%密排六方或者說α型鈦組成,僅有很少量β相,這種組織決定了TA 0具有良好的塑性。隨著距焊縫距離的增大,熔合區(qū)和熱影響區(qū)受熱循環(huán)影響不同而呈現(xiàn)梯度組織結(jié)構(gòu)。焊縫組織基本上為呈針狀的α相魏氏組織,并有很少量β基體;熱影響區(qū)域呈現(xiàn)魏氏組織結(jié)構(gòu)及晶內(nèi)片狀α,以及針狀馬氏體。激光焊接經(jīng)過快速的加熱冷卻過程,而母材自身傳熱較差,焊縫區(qū)域快速冷卻形成魏氏組織甚至馬氏體組織,使得焊縫及熱影響區(qū)顯微硬度明顯高于母材。

圖12 焊縫中心附近顯微硬度測(cè)試

圖13 母材與焊縫區(qū)域SEM圖像

2.7 密封性能檢測(cè)試驗(yàn)

為保證試樣密封性能,試樣完成焊接之后,都要進(jìn)行密封性能測(cè)試試驗(yàn)。本文采用上述工藝參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果,采用平穩(wěn)的脈沖波形、激光功率80W、焊接速度 400mm/min、離焦量 0.5mm、流量15L/min的保護(hù)氣體等參數(shù)的情況下,分別進(jìn)行了6組鈦殼的封裝焊接。焊接完成試樣,并采用氦質(zhì)譜儀分別對(duì)試樣進(jìn)行檢漏,檢測(cè)漏率均不高于1.0×10-9Pa?m3/s,低于設(shè)計(jì)要求,故而滿足置于人體器件的密封性能。

3 結(jié)論

(1)在合適的工藝參數(shù)下,超薄鈦殼的激光密封焊接能獲得較為美觀的焊縫,焊縫均勻,無明顯缺陷。

(2)對(duì)0.3mm厚的超薄鈦殼進(jìn)行密封焊接,采用平穩(wěn)的脈沖波形、激光功率80W、焊接速度400mm/min、離焦量為0.5mm和15L/min保護(hù)氣體等工藝參數(shù)下,可獲得滿足密封和機(jī)械性能要求的焊縫。

(3)超薄鈦板脈沖激光焊接后焊縫組織呈針狀的α相魏氏組織;熱影響區(qū)組織呈六方α相為主,同時(shí)分布有部分針狀α相。這種組織提高了接頭的性能。

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