鈦合金激光焊接工藝特性研究

趙曉龍

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

鈦合金具有密度小、比強度高、塑韌性好、可加工性好以及耐熱和耐腐蝕性能好等多方面的優點，因此在制造業獲得了非常廣泛的應用。在鈦合金加工過程中，焊接是一項非常重要的工藝，當前可以用于鈦合金的焊接技術包括：鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊、摩擦焊、電阻焊等，在這些能夠應用于鈦合金的焊接工藝中，以鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊最為常用。

在實際應用過程中，應用熔化極氣體保護焊進行鈦合金的焊接時，其接頭形成的晶粒會比較粗大，而且機械性能也比較差；而氬弧焊也存在一些問題，比如接頭性能差，在焊接完成之后其性能難以滿足實際的使用需求，還需要對焊縫組織進行焊后熱處理，因此這種焊接方式比較復雜，應用其進行鈦合金焊接時效率比較低。隨著鈦合金應用日益廣泛，提高其焊接質量和效率顯得非常重要，而激光技術的發展有效的解決了這一問題，本文對鈦合激光焊接工藝特性進行了探討。

1 鈦合金極其焊接特點

1.1 鈦合金

鈦合金具有比較活潑的化學性質，而且其化學性質會隨溫度升高而加強。在固態狀態下，鈦合金能夠吸收空氣中的氧氣、氮氣和氫氣等，正是由于其具有的這一性質，導致鈦合金的焊接時接頭的強度會有所提升，相應的其塑韌性則會下降。鈦合金的熔點較高，其熱容量和電阻系數都比較大，而熱導率低于鋁和鐵等金屬。正是由于鈦具有的這些特性，造成鈦合金在焊接時具有比較獨特的特點，需要較大的熔池尺寸，所需溫度也比較高，同時由于熱影響區金屬在高溫下的停留時間比較長，這些特點導致其在焊接時接頭過熱，進而造成焊接形成的晶粒比較粗大，對接頭的塑韌性造成不利影響，導致接頭處塑韌性較差。為了達到良好的焊接效果，避免這些問題，最好采用小電流、高速焊的焊接方式來對鈦合金進行焊接。

1.2 鈦合金焊接的特點

鈦合金焊接的特點主要是由以下兩方面因素影響的，分別是合金成分和微觀結構。舉例來說，在鈦合金中α鈦合金的焊接性能就非常優異，在焊接時其接頭處性能比較出色，強度和塑韌性都比較好；相較而言，β鈦合金的焊接性能就比較差。某些α＋β鈦合金是能夠進行焊接的，需要在退火和固溶狀態下完成，而且在焊接完成之后為了保證焊接的質量需要進行及時有效的處理。穩定的α＋β鈦合金由于在焊縫和熱影響區時發生了相的轉變，由于這一原因，若是再次對其進行焊接就比較容易發生脆化的情況。在焊接過程中，鈦合金被加熱，當溫度達到α向β轉變的臨界溫度時，晶粒會以晶界突跳式位移的方式長大，其增長的速度會隨著晶粒逐漸變大而降低，但是如果繼續升高溫度則其增長的速度還會繼續加快，由于這一因素的影響，在進行鈦合金焊接時通常接頭處形成的晶粒都比較粗大。在鈦合金焊接過程中，影響晶粒內結構以及其尺寸的因素很多，包括加熱的溫度、在此溫度下停留時間以近縫區的溫度等，而接頭處晶粒的大小和其強度以及塑韌性都有密切的關系，晶粒越大，其強度和塑韌性都會隨之減小。在鈦合金焊接過程中，受到鈦的化學特性的影響，在一定溫度下其會吸收空氣中的氧氣、氮氣以及氫氣等，而在焊接過程中，如果焊縫處氮氣、氧氣含量比較高，焊接完成后焊縫就會比較脆弱；而如果焊接過程中存在比較大的引力，則很可能會出現裂紋等問題。

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

鈦是一種具有比較活潑化學性質的金屬，其對于氧具有很強的親和力。鈦在常溫下就能夠和氧氣發生反應，并且形成一層致密的氧化物薄膜，氧化物薄膜能夠對鈦進行保護，防止其繼續發生反應，因此金屬鈦在常溫狀態下具有非常高的穩定性，同時耐腐蝕能力也比較強。

不過，在鈦合金的焊接時需要升高溫度，而隨著溫度的升高，鈦的化學性質更加活潑，其能夠和氫氣、氧氣以及氮氣等氣體結合，而且溫度越高其吸收氣體的能力會越強，所以焊接時氮氣、氫氣和氧氣等都會對鈦合金造成一定的影響，如果沒有采取有效地措施對鈦合金的焊接過程進行保護，焊縫處的金屬就會吸收比較多的氮氣和氧氣等，隨著氣體溶度的增加，達到一定的范圍后會和鈦形成間隙固溶體，這樣情況下鈦合金的硬度會有所增加，而其金屬塑韌性則會下降。

同時，在焊接過程中，鈦和氫氣的親和性也比較高，隨著溫度的升高鈦會和氫氣發生化學反應，并且生成氫化鈦，在這樣的情況下鈦合金內部的含氫量就會所有升高，進而影響其韌性。

正是由于在鈦合金的焊接過程中，氮氣、氫氣和氧氣等會和鈦合金發生反應，影響焊縫處的性能，因此在進行鈦合金的焊接時，需要做好保護措施，通過這樣的手段來避免鈦合金焊接時接頭處和氫氣、氮氣和氧氣的接觸，保證其具有良好的性能。

2.2 等離子體對鈦合金激光焊接過程的影響

在應用激光焊接工藝進行鈦合金的焊接時，如果不對等離子體進行有效地控制，在激光入射時，等離子體會吸收掉大部分的入射能量，而能夠透過等離子體的激光能量非常低，這部分能量被精光能量吸收后可以熔化鈦合金材料，但是卻不能夠獲得較高的熔化深度，進而會對鈦合金激光焊接的質量產生一定的影響。研究表明，通過對等離子體進行有效地控制對于提高激光焊接的效果具有明顯的作用，如在激光入射時，采用側吹氣體的方式對等離子體進行控制，就能夠得到全熔透的焊縫，進而獲得良好的焊接質量。因此，在應用激光焊接技術對鈦合金下進行焊接時，需要對等離子體進行有效控制。

2.3 焦點位置對鈦合金激光焊接過程的影響

激光功率、焊接的速度以及離焦量是影響鈦合金激光焊接質量的重要因素。其中，激光的功率是由激光器來決定的，而焊接的速度是由工作臺的速度決定的，而焦點的位置則需要在進行焊接之前來進行調節，其中前兩方面因素比較固定，最需要進行控制的是焦點位置。在進行激光器噴嘴的設計時，如何實現離焦量的準確快速調節是需要深入考慮的，透鏡的焦距和焦點的位置有直接的關系，而當前廠家生產的透鏡，焦距通常并不標準，通常會和標準值存在一些偏差，同時在使用過程中，由于透鏡會受到激光熱輻射的長期作用，鏡片的聚焦材料會受到影響而發生變化，因此為了保證焊接的質量，應對高度方向進行有效地控制，使其可以適應不同的焦距鏡片。

3 結語

鈦合金的優良性能使其在制造業中獲得了重要應用，而激光焊接技術的發展則為鈦合金的加工提供了更加良好的手段，提高鈦合金材料的質量。

在應用激光焊接技術進行鈦合金的焊接時，要充分考慮到激光焊接工藝和鈦合金的特點，采取有效地控制措施，提高鈦合金的焊接質量。