一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法

摘要

一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其步骤如下：S1、取厚度为2mm‑4mm的Ti6Al4V钛合金板材，在待焊接部位开设V型焊接坡口，组成对接接头，焊接坡口的坡口角度为18°‑22°，坡口的上开口宽0.8mm‑1.2mm，坡口间隙为0mm‑1mm，坡口钝边为0.1mm‑0.5mm；S2、按6wt％Al，4wt％V，0.1‑0.7wt％Ce，余量为Ti的质量百分比称取金属颗粒，通过真空感应熔炼制备合金锭，然后将合金锭加工成与焊接坡口适配的过渡层；S3、将过渡层置于Ti6Al4V钛合金板材对接接头的焊接坡口内，组成待焊焊接接头；S4、对待焊焊接接头进行脉冲激光焊接；焊接工艺参数为：脉冲频率为20Hz‑30Hz，脉宽为23ms‑27ms，焊接速度为22mm/s‑28mm/s，激光基值功率为2800W‑3200W，激光峰值功率为3800W‑4200W，保护氩气流量为12L/min‑20L/min。本焊接方法成本低、效率高、接头质量好，获得的焊缝性能优异。

权利要求

1.一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其步骤如下：

S1、取厚度为2mm‑4mm的Ti6Al4V钛合金板材，在钛合金板材的待焊接部位开设V型焊接坡口，组成对接接头，焊接坡口的坡口角度为18°‑22°，坡口的上开口宽0.8mm‑1.2mm，坡口间隙为0mm‑1mm，坡口钝边为0.1mm‑0.5mm；

S2、按6wt％Al，4wt％V，0.1‑0.7wt％Ce，余量为Ti的质量百分比称取金属颗粒，通过真空感应熔炼制备合金锭，然后通过机械加工将合金锭 加工成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层；

S3、将步骤S2制备的过渡层置于Ti6Al4V钛合金板材对接接头的焊接坡口内，通过夹具固定，组成待焊焊接接头；

S4、对待焊焊接接头进行脉冲激光焊接，焊接过程中采用氩气作为保护气体；

焊接的工艺参数为：脉冲频率为20Hz‑30Hz，脉宽为23ms‑27ms，焊接速度为22mm/s‑

28mm/s，激光基值功率为2800W‑3200W，激光峰值功率为3800W‑4200W，保护氩气流量为12L/min‑20L/min。

2.根据权利要求1所述的一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其特征在于：所述步骤S1中Ti6Al4V钛合金板材厚度为3mm，坡口的上开口宽1.0mm，坡口间隙为0mm，坡口钝边为0.3mm。

3.根据权利要求1所述的一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其特征在于：所述步骤S2过渡层中Ce的质量百分比为0.1‑0.5％wt％。

4.根据权利要求1所述的一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其特征在于：所述步骤S2通过真空感应熔炼制备合金锭的具体方法如下：S21、把称取好的金属颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200A‑250A之间，电压保持在14V‑16V之间；

S22、将合金液在真空感应炉中保温处理，保温时间为13min‑18min，保温温度为1600℃‑1800℃；

S23、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭。

5.根据权利要求1所述的一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其特征在于：所述步骤S2通过机械加工将合金锭加工成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层的具体方法是利用电火花线切割的方法将合金锭利用制备成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层。

6.根据权利要求1所述的一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其特征在于：所述步骤S4脉冲激光焊接的焊接工艺参数为脉冲频率为25Hz，脉宽为25ms，焊接速度为25mm/s，激光基值功率为3000W，激光峰值功率为4000W。

说明书

一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，属于钛合金焊接技术领域。

背景技术

[0002] 钛合金是一种优良的结构材料，具有密度小、强度高、高低温性能良好等特点，广泛应用于航空航天、化工、仪表制造等领域。钛在常温空气中很稳定，当它受热是开始与空气中的氧发生反应，形成致密的氧化膜，当温度超过500度时，氧化膜成为多孔状、变厚并容易剥脱，氧通过膜中的小孔不断向内扩散，使钛合金塑性变低。

[0003] 脉冲激光焊是以脉冲激光作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的一种焊接方法，主要用于薄片金属材料的点焊和缝焊，它的焊接过程属于热传导型，就是激光辐射加热工件表面，通过热传导向材料内部扩散，控制激光脉冲的波形、宽度、峰值功率等参数，使工件之间形成良好的连接。脉冲激光焊接最大的优点就是工件整体温升很小，热影响范围小，工件变形小。在焊接时，焊接部位的强度至关重要，在目前的激光焊工艺方法中，主要采用优化工艺参数来提高焊接强度，但上述方法对强度提高程度有限，同时对具体焊接工艺的反复试验需要耗费大量时间和经费，不适应现代化产业发展的需要。

发明内容

[0004] 本发明的发明目的解决钛合金板材焊接问题，提供一种工艺成本低、工艺简单、效率高、接头质量好的钛合金板材焊接方法。

[0005] 本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其步骤如下：

[0006] S1、取厚度为2mm‑4mm的Ti6Al4V钛合金板材，在钛合金板材的待焊接部位开设V型焊接坡口，组成对接接头，焊接坡口的坡口角度为18°‑22°，坡口的上开口宽0.8mm‑1.2mm，坡口间隙为0mm‑1mm，坡口钝边为0.1mm‑0.5mm；

[0007] S2、按6wt％Al，4wt％V，0.1‑0.7wt％Ce，余量为Ti的质量百分比称取金属颗粒，通过真空感应熔炼制备合金锭，然后通过机械加工将合金锭加工成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层；

[0008] S3、将步骤S2制备的过渡层置于Ti6Al4V钛合金板材对接接头的焊接坡口内，通过夹具固定，组成待焊焊接接头；

[0009] S4、对待焊焊接接头进行脉冲激光焊接，焊接过程中采用氩气作为保护气体；

[0010] 焊接的工艺参数为：脉冲频率为20Hz‑30Hz，脉宽为23ms‑27ms，焊接速度为22mm/s‑28mm/s，激光基值功率为2800W‑3200W，激光峰值功率为3800W‑4200W，保护氩气流量为12L/min‑20L/min。

[0011] 进一步，本发明所述步骤S1中Ti6Al4V钛合金板材厚度为3mm，坡口的上开口宽1.0mm，坡口间隙为0mm，坡口钝边为0.3mm。

[0012] 进一步，本发明所述步骤S2过渡层中Ce的质量百分比为0.1‑0.5％wt％。

[0013] 进一步，本发明所述步骤S2通过真空感应熔炼制备合金锭的具体方法如下：

[0014] S21、把称取好的金属颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200A‑250A之间，电压保持在14V‑16V之间；

[0015] S22、将合金液在真空感应炉中保温处理，保温时间为13min‑18min，保温温度为1600℃‑1800℃；

[0016] S23、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭。

[0017] 进一步，本发明所述步骤S2通过机械加工将合金锭加工成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层的具体方法是利用电火花线切割的方法将合金锭制备成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层。

[0018] 进一步，本发明所述步骤S4脉冲激光焊接的焊接工艺参数为脉冲频率为25Hz，脉宽为25ms，焊接速度为25mm/s，激光基值功率为3000W，激光峰值功率为4000W。

[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0020] 一、本发明采用设计V型坡口，通过添加过渡层，配合脉冲激光焊接的方法实现了Ti6Al4V钛合金的高质量焊接，避免了熔丝填充焊接以及传统材料焊接工艺复杂和在提高焊接强度方面的限制。

[0021] 二、本发明在过渡层中添加质量百分数为0.1％‑0.7％的Ce元素，利用Ce元素有效细化组织和β晶粒，调节钛合金的氧含量，Ce元素与钛合金本身可生成的杂质元素O元素生成的Ce2O3能够实现弥散强化Ti6Al4V钛合金的性能，从而使得过渡层用于钛合金焊接的时候可有效细化焊缝原始β晶粒，改善焊缝热影响粗化影响。同时，本发明通过精确调整Ce元素的含量，控制Ce元素在钛合金中所起的作用，避免形成的Ce2O3偏析在晶界周围形成团聚。

[0022] 三、本发明首先优化配比过渡层的各个元素比例，再通过真空自耗电话熔炼制成铸锭，进一步通过线切割的方法制成过渡层，可以细化焊缝组织晶粒，改善焊接接头的强度及塑韧性，减少焊接气孔倾向。相比于直接填充粉末，本发明过渡层不仅可使得过渡层中各合金元素混合均匀，而且具有一定的坚硬度，可以与保持平直态在激光束中心区域，获得较好的焊缝成形。

[0023] 总之，本发明选用添加Ce元素过渡层对钛合金进行焊接，通过设计V型坡口尺寸，优化脉冲激光的功率、频率、焊接速度等参数，实现了Ti6Al4V板材的焊接。添加Ce元素的过渡层增加了焊接板材之间的润湿性，改变了Ti6Al4V钛合金板材焊接的微观组织形状，Ce元素作为可溶解的表面活性变质剂的作用，能够减少形成临界晶核所需的功并，有效减小激光焊接过程中钛合金中β晶粒粗化现象，影响了α‑Ti枝状晶(α相)的形核与生长，改变了α相组织的形状，本焊接工艺成本低、工艺简单、效率高、接头质量好等优点，获得的焊缝无裂纹、气孔缺陷，连接可靠。

附图说明

[0024] 图1为本发明中实施例过渡层与钛合金板材的焊接组合示意图。

[0025] 图2为本发明中实施例与对比例的获得的焊接接头拉伸性能图。

[0026] 图1中，m为焊接坡口的上开口宽，n为焊接坡口的钝边。图2中，曲线a为实施例1获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线b为实施例2获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线c为实施例3获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线d为实施例4获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线e为对比例1获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线f为铸态钛合金的拉伸曲线。

具体实施方式

[0027] 一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其步骤如下：

[0028] S1、取厚度为2mm‑4mm的Ti6Al4V钛合金板材，在钛合金板材的待焊接部位开设V型焊接坡口，组成对接接头，焊接坡口的坡口角度为18°‑22°，坡口的上开口宽0.8mm‑1.2mm，坡口间隙为0mm‑1mm，坡口钝边为0.1mm‑0.5mm；

[0029] S2、按6wt％Al，4wt％V，0.1‑0.7wt％Ce，余量为Ti的质量百分比称取金属颗粒，通过真空感应熔炼制备合金锭，然后通过机械加工将合金锭加工成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层；

[0030] S3、将步骤S2制备的过渡层置于Ti6Al4V钛合金板材对接接头的焊接坡口内，通过夹具固定，组成待焊焊接接头；

[0031] S4、对待焊焊接接头进行脉冲激光焊接，焊接过程中采用氩气作为保护气体；

[0032] 焊接的工艺参数为：脉冲频率为20Hz‑30Hz，脉宽为23ms‑27ms，焊接速度为22mm/s‑28mm/s，激光基值功率为2800W‑3200W，激光峰值功率为3800W‑4200W，保护氩气流量为12L/min‑20L/min。

[0033] 优选的，所述步骤S1中Ti6Al4V钛合金板材厚度为3mm，坡口的上开口宽1.0mm，坡口间隙为0mm，坡口钝边为0.3mm。

[0034] 优选的，所述步骤S2过渡层中Ce的质量百分比为0.1‑0.5％wt％。

[0035] 优选的，所述步骤S2通过真空感应熔炼制备合金锭的具体方法如下：

[0036] S21、把称取好的金属颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200A‑250A之间，电压保持在14V‑16V之间；

[0037] S22、将合金液在真空感应炉中保温处理，保温时间为13min‑18min，保温温度为1600℃‑1800℃；

[0038] S23、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭。

[0039] 优选的，所述步骤S2通过机械加工将合金锭加工成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层的具体方法是利用电火花线切割的方法将合金锭制备成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层。

[0040] 优选的，所述步骤S4脉冲激光焊接的焊接工艺参数为脉冲频率为25Hz，脉宽为25ms，焊接速度为25mm/s，激光基值功率为3000W，激光峰值功率为4000W。

[0041] 实施例1

[0042] 一种提高焊接性能的钛合金板材焊接方法，其步骤如下：

[0043] S1、取厚度为3mm的Ti6Al4V钛合金板材，在钛合金板材的待焊接部位开设V型焊接坡口，组成对接接头，焊接坡口的坡口角度约为21°，坡口的上开口宽1.0mm，坡口间隙为0mm‑1mm，坡口钝边为0.3mm；

[0044] S2、按6wt％Al，4wt％V，0.1wt％Ce，余量为Ti的质量百分比称取金属颗粒，通过真空感应熔炼制备合金锭，然后利用电火花线切割的方法将合金锭制备成与钛合金板材焊接坡口适配的过渡层；

[0045] 通过真空感应熔炼制备合金锭的具体方法如下：

[0046] S21、把称取好的金属颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在220A，电压保持在15V之间；

[0047] S22、将合金液在真空感应炉中保温处理，保温时间为15min，保温温度为1700℃；

[0048] S23、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭。

[0049] S3、将步骤S2制备的过渡层置于Ti6Al4V钛合金板材对接接头的焊接坡口内，通过夹具固定，组成待焊焊接接头；

[0050] S4、对待焊焊接接头进行脉冲激光焊接，焊接过程中采用氩气作为保护气体；

[0051] 焊接的工艺参数为：脉冲频率为25Hz，脉宽为25ms，焊接速度为25mm/s，激光基值功率为3000W，激光峰值功率为4000W，保护氩气流量为16L/min。

[0052] 实施例2

[0053] 本实施例与实施例1的技术特征基本相同，唯一不同之处在于本实施例过渡层中铈的质量百分比为0.3％。

[0054] 实施例3

[0055] 本实施例与实施例1的技术特征基本相同，唯一不同之处在于本实施例过渡层中铈的质量百分比为0.5％。

[0056] 实施例4

[0057] 本实施例与实施例1的技术特征基本相同，唯一不同之处在于本实施例过渡层中铈的质量百分比为0.7％。

[0058] 对比例1

[0059] 本实施例与实施例1的技术特征基本相同，唯一不同之处在于本对比例过渡层的由金属元素钛、铝、钒组成，各个金属元素质量百分比为铝6％，钒4％，余量为钛。

[0060] 图2为上述实施例、对比例及铸态钛合金的获得的焊接接头拉伸性能图。图中，曲线a为实施例1获得的焊接接头的拉伸曲线，；曲线b为实施例2获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线c为实施例3获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线d为实施例4获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线e为对比例1获得的焊接接头的拉伸曲线；曲线f为铸态Ti6Al4V钛合金的拉伸曲线，具体拉伸性能数值见下表：

[0061]  延伸率 抗拉强度
实施例1 9.07％ 962MPa
实施例2 8.83％ 976MPa
实施例3 8.96％ 955MPa
实施例4 7.91％ 959MPa
对比例1 6.82％ 903MPa
铸态Ti6Al4V钛合金 6.52％ 930MPa