鈦合金激光焊接技術(shù)的探究

摘 要：近年來，鈦合金焊接得到了各界廣泛的關(guān)注。文章主要對鈦合金的化學(xué)特性與焊接特點(diǎn)，以及激光焊接技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行了簡單的介紹，并總結(jié)了鈦合金激光焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了鈦合金激光焊接技術(shù)的影響因素。并提出，解決這些不利因素，才能提高鈦合金焊接的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鈦合金；激光焊接技術(shù)；機(jī)械

引言

鈦合金這種結(jié)構(gòu)材料，以其優(yōu)良的特性廣泛的應(yīng)用于石油化工行業(yè)。它的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在小密度、高比強(qiáng)度、良好的塑韌性、良好的耐熱性、良好的耐腐蝕性以及較好的可加工性等。適合于鈦合金的焊接方法有許多種，例如：鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、摩擦焊、電阻焊等等。其中，鈦合金焊接經(jīng)常使用的焊接方法主要是鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊這兩種焊接方式。但是，利用這種焊接方式在焊接的接頭形成的晶粒比較的粗大，而且具有較差的機(jī)械性能，氬弧焊接頭性能不能夠滿足使用要求。而且焊縫組織還經(jīng)常需要進(jìn)行焊后熱處理，導(dǎo)致了焊接效率的降低。然而，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，鈦合金的焊接方法采用日益成熟的激光焊接技術(shù)受到了越來越多的重視。

1 鈦合金焊接的特點(diǎn)以及激光焊接技術(shù)的簡介

1.1 鈦合金

鈦合金具有很強(qiáng)的化學(xué)性，溫度越高，其化學(xué)活性就越強(qiáng)，而且，在固體狀態(tài)下，還能吸收空氣中的氫氣、氧氣和氮?dú)獾葰怏w。而吸收了這些氣體的純鈦，在焊接時(shí)，焊接的接頭的強(qiáng)度被提高了，但是其塑韌性卻降低了。

鈦具有很高的熔化溫度、較大的熱容量和電阻系數(shù)以及比鋁或鐵低的熱導(dǎo)率。因這些特性，鈦的焊接熔池尺寸和溫度都很大、很高，由于熱影響區(qū)金屬在高溫下的停留時(shí)間比較長，所以，使得焊接的接頭處于過熱的狀態(tài)，形成的晶粒就會變的又粗又大，降低了接頭的塑韌性。因此，在焊接的時(shí)候，要注意采用小電流、高焊速的焊接方式[1]。

1.2 鈦合金焊接的特點(diǎn)

鈦合金的焊接特性主要是有合金的成分以及微觀結(jié)構(gòu)這兩個(gè)因素決定的。例如：α鈦合金就具有很好的焊接性能，接頭的強(qiáng)度以及塑韌性都比較的理想。而β鈦合金的焊接性能就比較差。但是，在退火和固熔狀態(tài)下的某些α+β鈦合金也是可以焊接的，在焊后還要進(jìn)行時(shí)效的處理。穩(wěn)定的α+β鈦合金由于在焊縫和熱影響區(qū)時(shí)發(fā)生了相的轉(zhuǎn)變，造成了其再焊接時(shí)容易脆化的現(xiàn)象。

鈦合金的加熱溫度，達(dá)到了α向β轉(zhuǎn)變的臨界溫度時(shí)，晶粒是以晶界突跳式位移的方式長大的。晶粒慢慢長大，速度卻逐漸變緩，但是在溫度繼續(xù)升高的作用下，晶粒長大的速度又會慢慢的加快。就一般情況來說，鈦合金在焊接時(shí)，焊接的接頭形成的晶粒都比較的大，也顯得很粗。鈦合金焊接時(shí)晶粒的尺寸和晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)，受到加熱溫度的影響和在此溫度下的停留時(shí)間，以及近縫區(qū)的冷卻速度的影響。焊接接頭的強(qiáng)度和塑韌性，隨著晶粒的長大，逐漸降低。由于，鈦的化學(xué)特性，在一定的溫度下，鈦合金在焊接時(shí)容易吸收空氣中的氧氣、氫氣或氮?dú)獾葰怏w，當(dāng)焊縫含有較高的氧氣、氮?dú)獾暮繒r(shí)，焊接的縫隙就會變得很脆弱[2]。如果焊接的應(yīng)力過大，就會出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。

1.3 激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢

激光焊接技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。它的主要優(yōu)勢表現(xiàn)如下：

（1）激光焊接的速度非常的快，而且不存在焊接縫隙，因而具有非常高的焊接質(zhì)量。（2）焊接時(shí)，由于聚焦后產(chǎn)生很高的功率密度，因此，焊接的深度也很大。（3）如果需要焊接的位置是很難接觸的地方，激光焊接可采取遠(yuǎn)距離焊接。（4）激光焊接技術(shù)也可以對一些微型的器件實(shí)施焊接。（5）對于像鈦、石英這樣的難熔材料，采用激光焊接是非常方便的，而且效果也非常的好。

2 鈦合金激光焊接中的影響因素

2.1 氮、氫、氧對鈦合金激光焊接過程的影響

鈦這種材料與氧具有很強(qiáng)的親和力，具有活潑的化學(xué)特性。在常溫狀態(tài)下，能夠和氧產(chǎn)生反應(yīng)，形成一層氧化膜。由于氧化膜的保護(hù)，鈦在常溫下，穩(wěn)定性非常的高，并且具有很強(qiáng)的耐腐蝕性。但是，鈦合金在焊接時(shí)，隨著溫度的逐漸升高，與氧氣、氫氣等氣體很容易的結(jié)合。溫度越高，鈦合金吸收氣體的能力就會也高。

在焊接的過程中，如果不做任何的保護(hù)措施，焊縫的金屬就會吸收空中大量的氧氣和氮?dú)猓诜浅８叩臐舛确秶鷥?nèi)，與鈦形成了間隙固熔體，這些因素，造成了金屬的塑韌性下降，而硬度卻得到了提高。鈦在焊接時(shí)，也與氫氣有很好的親和性。焊接過程中，鈦與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成了氫化鈦，造成了金屬的含氫量的增加，降低了金屬的韌性。因此，為了在焊接時(shí)獲得良好接頭性能的焊縫，應(yīng)該在焊接前采取最為嚴(yán)格的保護(hù)措施。

2.2 等離子體對鈦合金激光焊接過程的影響

在不對等離子體施加任何控制時(shí)，激光在入射時(shí)的能量被等離子體大量的吸收，而只有一小部分的激光能量透過等離子體，被激光材料吸收，熔化鈦合金材料。但是，熔化的深度卻不高。然而，在對等離子體進(jìn)行側(cè)吹氣體的方式控制等離子體時(shí)，形成了全熔透的焊縫。因此，在鈦合金激光焊接的過程中，要對等離子體加以適當(dāng)?shù)目刂拼胧3]。

2.3 焦點(diǎn)位置對鈦合金激光焊接過程的影響

在激光的焊接過程中，激光焊接的接頭形成的外貌和質(zhì)量，主要是由激光功率、焊接的速度以及離焦量決定的。激光器決定了激光功率，而工作臺的速度決定了焊接的速度。焦點(diǎn)位置是在實(shí)施焊接之前就已經(jīng)調(diào)節(jié)好的。在設(shè)計(jì)激光器噴嘴時(shí)，要考慮怎樣既快又準(zhǔn)的調(diào)節(jié)離焦量[4]，透鏡的焦距只要據(jù)頂了焦點(diǎn)的位置。目前，實(shí)際購買的透鏡的焦距與標(biāo)準(zhǔn)值存在一定的誤差，并且在使用的時(shí)候，在激光束的熱輻射長期的作用下，鏡片的基體材料的聚焦性能發(fā)生了很大的變化，透鏡的焦距也會隨著發(fā)生變化。因此，必須要控制高度方向，在可調(diào)節(jié)的范圍之內(nèi)，從而使其適應(yīng)不同的焦距的鏡片。

3 結(jié)束語

鈦合金的優(yōu)良特性，使其在軍事領(lǐng)域、航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科技的不斷發(fā)展，激光技術(shù)也得到了不斷的進(jìn)步，基于激光焊接的優(yōu)勢，鈦合金激光焊接技術(shù)成為了未來發(fā)展的趨勢。因此，鈦合金激光焊接技術(shù)的研究，對于解決焊接過程中不利因素的影響，以及更新焊接工藝具有重要的意義。通過研究鈦合金激光焊接技術(shù)，使其能夠應(yīng)用在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐活動中去，從而提高鈦合金焊接的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]劉鵬飛.鈦及鈦合金結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J].焊接與切割，2012.2

0：11-13.

[2]高福洋，廖志謙.鈦及鈦合金焊接方法與研究現(xiàn)狀[J].先進(jìn)焊接技術(shù)，2012.23（24）：86-90.

[3]田錦，劉金合.鈦合金活性激光焊接的初步研究[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2008.5（37）：77-79.

[4]丁俊明，信冬冬，高陽.鈦合金激光焊接工藝研究及激光穿透焊溫度場數(shù)值模擬[D].山東昌潤科技有限公司試驗(yàn)，2010.