一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法

摘要

本发明公开了一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，属于焊接技术领域。细化TC4钛合金晶粒的厚壁窄间隙焊接方法包括以下步骤：S100、对待焊厚壁钛合金板材进行坡口加工，加工完成后进行预处理，再进行装夹；S200、在惰性保护气体的保护下，以激光束空间螺旋摆动模式进行激光填药芯焊丝焊接；S300、单层焊接结束后清理焊道，然后重复单层单道焊接，直至焊缝填满，完成焊接。本发明实现钛合金窄间隙焊缝组织晶粒细化，使钛合金焊接接头冲击韧性大幅度提升，焊接接头冲击韧性与母材相比提升约50％，本发明可以实现在工业上大范围推广应用。

权利要求

1.一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，其特征在于，所述细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法包括以下步骤：S100、对待焊厚壁钛合金板材进行坡口加工，加工完成后进行预处理，再进行装夹；

S200、在惰性保护气体的保护下，以激光束空间螺旋摆动模式进行激光填药芯焊丝焊接，其中，药芯焊丝的化学成分重量百分比为：0.19％的C，0.18％的O，0.02％的N，0.03％的H，0.015％的Fe，5.92％的Al，5.78％的V，0.5％的Mo和余量的Ti；

S300、单层焊接结束后清理焊道，然后重复单层单道焊接，直至焊缝填满，完成焊接，在S200中，所述激光填药芯焊丝焊的参数设置为：填充金属为钛合金药芯焊丝，激光束与板材法线呈第一夹角，焊丝与板材呈第二夹角，激光束入射点与焊丝端部无间距设置，所述第一夹角为10～15°，所述第二夹角为30～60°；

所在S200中，所述激光摆动方式为空间螺旋激光摆动方式，所述空间螺旋激光摆动方式的摆动频率为100Hz～300Hz，摆动幅度为1mm～3mm，螺旋升角为20～30°；

在S200中，所述激光功率为3000W～6000W，离焦量为‑10mm～+20mm，焊接速度为0.3m/min～0.8m/min。

2.根据权利要求1所述的一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，其特征在于，在S100中，所述待焊厚壁钛合金板材的厚度为20mm～80mm。

3.根据权利要求1所述的一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，其特征在于，在S100中，所述坡口加工的具体参数为：坡口为Y形或X型，坡口钝边为4mm～6mm，单坡口角度为1～3°。

4.根据权利要求1所述的一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，其特征在于，在S100中，所述预处理包括打磨和酸洗，所述酸洗的具体过程为：在HF和HNO3的混合溶液中浸泡15min～20min，然后用清水冲洗烘干，所述HF和HNO3的混合溶液中HF的体积分数为2～4％，HNO3的体积分数为30～40％，余量为H2O。

5.根据权利要求1所述的一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，其特征在于，在S200中，所述惰性保护气体通过保护气罩后置送气保护，焊前提前送气，焊后滞后停气，其中，所述惰性保护气体为99.99～99.999％高纯度氩气，保护气流量为15L/min～30L/min。

6.根据权利要求1所述的一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，其特征在于，在S200中，所述药芯焊丝根据焊接接头晶粒尺寸、服役条件及力学性能的需求进行合金体系的配比，其中所述药芯焊丝由TA1钛合金金属外皮加所需合金体系的金属粉芯组合而成。

7.根据权利要求1所述的一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，其特征在于，在S300中，所述清理焊道为机械清理或激光清理的方式，用于去除焊缝层间的氧化物。

说明书

一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

[0002] 钛合金因其高熔点、高比强度、耐蚀性、无毒、低模量和无磁性等特点，广泛应用于国防军工、航空航天等领域。目前，厚壁钛合金常采用非熔化极气体保护焊(TIG)、电子束焊接(EBW)等焊接方法。厚壁非熔化极气体保护焊(TIG)的坡口加工角度一般需要大于30°，焊接效率低、焊接变形与残余应力大、焊缝中容易存在缺陷；电子束焊(EBW)能量密度高，焊缝深宽比大适用于厚壁材料焊接，但该方法需要在真空条件下进行，被焊工件尺寸受到真空仓限制，难以实现大尺寸厚壁构件焊接。激光填丝焊兼顾焊接热输入小、能量可精准调控、焊缝组织调控等优点，因此激光填丝焊接技术将成为实现钛合金厚壁超窄间隙高效连接的一种趋势。但目前厚壁钛合金窄间隙激光填丝焊接接头出现晶粒粗化导致冲击韧性降低的问题，大大限制了厚壁窄间隙激光填丝焊接技术在钛合金领域的发展，因此解决焊接接头晶粒粗化的问题，是使钛合金厚壁窄间隙焊接构件广泛应用的关键技术。

[0003] 焊接接头晶粒尺寸是描述接头组织特征的重要参数，随着焊接接头晶粒尺寸的细化，钛合金焊接接头强度、塑性和冲击韧性将大幅度得到提升；通过钛合金焊接接头晶粒细化使得比强度提高，可以降低构件的尺寸和重量；通过钛合金焊接接头晶粒细化使得冲击韧性提高，可以提高接头使用寿命。目前，钛合金焊接接头常用的细化晶粒的方法主要有多元合金组织调控和外加能场(超声、锤击、磁场)等方法。采用多元合金实心焊丝调控方法，可以显著细化晶粒，但该方法需要同时送多跟焊丝或冶炼新合金体系的实心焊丝，显著增加生产成本；采用外加能场(超声、锤击、磁场)的方法需要购入设备，在实际生产中应用不现实。因此开发一种细化焊接接头晶粒、高效、低成本的焊接方法具有十分重大的意义。

发明内容

[0004] 本发明基于上述问题提出一种细化TC4钛合金晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，本发明将空间螺旋摆动激光束与添加多合金体系钛合金药芯焊丝相结合，应用于钛合金窄间隙的焊接中，从而解决现有技术存在的问题。

[0005] 一种细化TC4钛合金晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，细化TC4钛合金晶粒的厚壁窄间隙焊接方法包括以下步骤：

[0006] S100、对待焊厚壁钛合金板材进行坡口加工，加工完成后进行预处理，再进行装夹；

[0007] S200、在惰性保护气体的保护下，以激光空间螺旋摆动方式进行激光填药芯焊丝焊接；

[0008] S300、单层焊接结束后清理焊道，然后重复单层单道焊接，直至焊缝填满，完成焊接。

[0009] 进一步的，在S100中，待焊厚壁钛合金板材的厚度为20mm～80mm。

[0010] 进一步的，在S100中，坡口加工的具体参数为：坡口为Y形或X型，坡口钝边为4mm～6mm，单坡口角度为1～3°。

[0011] 进一步的，在S100中，预处理包括打磨和酸洗，酸洗的具体过程为：在HF和HNO3的混合溶液中浸泡15min～20min，然后用清水冲洗烘干，HF和HNO3的混合溶液中HF的体积分数为2～4％，HNO3的体积分数为30～40％，余量为H2O。

[0012] 进一步的，在S200中，激光填药芯焊丝焊的参数设置为：填充金属为钛合金药芯焊丝，激光束与板材法线呈第一夹角，焊丝与板材呈第二夹角，激光束入射点与焊丝端部无间距设置，第一夹角为10～15°，第二夹角为30～60°。

[0013] 进一步的，在S200中，惰性保护气体通过保护气罩后置送气保护，焊前提前送气，焊后滞后停气，其中，惰性保护气体为99.99～99.999％高纯度氩气，保护气流量为15L/min～30L/min。

[0014] 进一步的，在S200中，药芯焊丝根据焊接接头晶粒尺寸、服役条件及力学性能的需求进行合金体系的配比，其中药芯焊丝由TA1钛合金金属外皮加所需合金体系的粉芯组合而成。

[0015] 进一步的，所在S200中，激光摆动方式为空间螺旋激光摆动方式，空间螺旋激光摆动方式的摆动频率为100Hz～300Hz，摆动幅度为1mm～3mm，螺旋升角20～30°。

[0016] 进一步的，在S200中，激光功率为3000W～6000W，离焦量为‑10mm～+20mm，焊接速度为0.3m/min～0.8m/min。

[0017] 进一步的，在S300中，清理焊道为机械清理或激光清理的方式，用于去除焊缝层间的氧化物。

[0018] 本发明的有以下有益效果：

[0019] 本发明通过激光束空间螺旋摆动模式与添加细化晶粒合金元素的药芯焊丝相结合的方式，应用于钛合金窄间隙焊接中。为保证本发明细化钛合金窄间隙焊缝组织，须将两者相互结合实施。在保证焊接质量的前提下，与钛合金激光填实心焊丝相比，本发明实现钛合金窄间隙焊缝组织晶粒细化，使钛合金焊接接头冲击韧性大幅度提升，焊接接头冲击韧性与母材相比提升约50％，本发明可以实现在工业上大范围推广应用。

[0020] 本发明的有益效果：

[0021] 本发明通过空间螺旋摆动激光束与添加细化晶粒合金元素的药芯焊丝相结合的方式，应用于钛合金窄间隙焊接中。其焊接工艺性良好、综合力学性能优良。具有较好的应用前景，具体优点如下：

[0022] (1)本发明通过多合金体系药芯焊丝向熔池提供细化晶粒的金属粉，降低开发新合金体系实心焊丝所需的冶炼成本和时间成本。

[0023] (2)本发明通过严格调控各金属粉配比所获得药芯焊丝，显著提高窄间隙焊接接头塑韧性。金属粉中V与Mo的引入稳定焊缝组织中的β相，提供形核质点、细化晶粒。≤2.5％的Fe引入与熔池中氧元素发生反应生成Fe2O3，去除焊缝中氧元素从而净化熔池，生成的Fe2O3易于悬浮于熔池表面，形成熔渣便于清除可以而有限含量的Fe可以避免生成脆性的金属间化合物。通过药芯中Mo、V、Al有益添加及控制比例的合理，增加α'马氏体形核质点，细化晶粒，实现接头良好的强韧匹配。

[0024] (3)本发明通过采用空间螺旋摆动激光焊接模式，可以实现对熔池的三维空间实时、均匀、周期性的搅拌。空间螺旋摆动激光束能将多合金体系药芯焊丝提供的金属粉在焊缝区三维空间中均匀分布，避免焊缝组织产生成成分偏析，达到焊缝区晶粒均匀细化；同时降低焊缝气孔率、增强侧壁熔合，保证焊接质量。

[0025] 为保证本发明细化钛合金窄间隙焊缝，须将“空间螺旋摆动”和“添加细化晶粒合金元素的药芯焊丝”两者相互结合实施。在保证焊接质量的前提下，与钛合金激光填实心焊丝相比，本发明实现钛合金窄间隙焊接晶粒细化，使钛合金焊接接头冲击韧性大幅度提升，焊接接头冲击韧性与母材相比提升约50％，本发明可以实现在工业上大范围推广应用。

附图说明

[0026] 图1为焊接过程示意图；

[0027] 图2为窄间隙对接试验坡口尺寸示意图；

[0028] 图3为20mm厚TC4钛合金窄间隙焊接接头宏观形貌，其中，图3(a)为正面图像；图3(b)为背面图像；图3(c)为截面图；

[0029] 图4为窄间隙焊接接头微观组织。

具体实施方式

[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0031] 参照图1‑图2所示，本发明提出了一种细化TC4钛合金晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，细化TC4钛合金晶粒的厚壁窄间隙焊接方法包括以下步骤：

[0032] S100、对待焊厚壁钛合金板材进行坡口加工，加工完成后进行预处理，再进行装夹；

[0033] S200、在惰性保护气体的保护下，以激光空间螺旋摆动方式进行激光填药芯焊丝焊接；

[0034] S300、单层焊接结束后清理焊道，然后重复单层单道焊接，直至焊缝填满，完成焊接。

[0035] 具体的，本发明通过空间螺旋摆动激光束与细化晶粒加多合金体系药芯焊丝相结合的方式，应用于钛合金窄间隙焊接中。为保证本发明细化钛合金窄间隙焊缝，须将两者相互结合实施。如果未采用空间螺旋摆动激光焊接模式，当采用其他热源例如非熔化极气体保护焊(TIG)作为热源，该热源能量分散，为保证焊丝充分熔化需要增加热源能量密度，会导致合金元素大量烧损，导致重要细化晶粒的元素不能过渡到熔池，无法实现晶粒细化的效果；同时该热源能量密度分散，焊缝凝固时间长，熔池流动性差，增加焊接接头各项异性的趋势，使细化晶粒的合金元素难以均匀分布在焊接接头中，导致焊接接头局部晶粒细化，无法提高焊接接头整体力学性能；当采用摆动激光焊(圆形、垂直、∞、8等摆动方式)时，难以实现细化晶粒的合金元素在三维空间中均匀分布。如果未采用药芯焊丝进行多组元合金调控，就需要采用送多丝和冶炼新实心焊丝的方式，送多丝方法需要增加送丝机，生产成本高，且在窄间隙焊接过程中坡口间隙小难以实现同时送多丝的条件，如果冶炼新实心焊丝则生产周期长成本高。因此保证细化焊接接头晶粒的同时，保证高效和低成本必须将两种措施按顺序紧密结合起来，才能实现最优的效果。

[0036] 进一步的，在S100中，待焊厚壁钛合金板材的厚度为20mm～80mm。

[0037] 进一步的，在S100中，坡口加工的具体参数为：坡口为Y形或X型，坡口钝边为4mm～6mm，单坡口角度为1～3°。

[0038] 进一步的，在S100中，预处理包括打磨和酸洗，酸洗的具体过程为：在HF和HNO3的混合溶液中浸泡15min～20min，然后用清水冲洗烘干，HF和HNO3的混合溶液中HF的体积分数为2～4％，HNO3的体积分数为30～40％，余量为H2O。

[0039] 进一步的，在S200中，激光填药芯焊丝焊的参数设置为：填充金属为钛合金药芯焊丝，激光束与板材法线呈第一夹角，焊丝与板材呈第二夹角，激光束入射点与焊丝端部无间距设置，第一夹角为10～15°，第二夹角为30～60°。

[0040] 进一步的，在S200中，惰性保护气体通过保护气罩后置送气保护，焊前提前送气，焊后滞后停气，其中，惰性保护气体为99.99～99.999％高纯度氩气，保护气流量为15L/min～30L/min。

[0041] 进一步的，在S200中，药芯焊丝根据焊接接头晶粒尺寸、服役条件及力学性能的需求进行合金体系的配比，其中药芯焊丝由TA1钛合金金属外皮加所需合金体系的粉芯组合而成。

[0042] 进一步的，所在S200中，激光摆动方式优选为空间螺旋激光摆动方式，空间螺旋激光摆动方式的摆动频率为100Hz～300Hz，摆动幅度为1mm～3mm，螺旋升角为20～60°。

[0043] 进一步的，在S200中，激光功率为3000W～6000W，离焦量为‑10mm～+20mm，焊接速度为0.3m/min～0.8m/min。

[0044] 进一步的，在S300中，清理焊道为机械清理或激光清理的方式，用于去除焊缝层间的氧化物。

[0045] 以下为本发明的一种具体实施例：

[0046] 本实施例选用20mm厚TC4钛合金试板，试板加工Y形坡口，坡口形式如图1所示。母材和药芯熔敷金属的化学成分如表1所示。

[0047] 表1母材和药芯熔敷金属的化学成分

[0048]

[0049] 药芯焊丝的化学成分重量百分比为：0.19％的C，0.18％的O，0.02％的N，0.03％的H，0.015％的Fe，5.92％的Al，5.78％的V，0.5％的Mo和余量的Ti。具体的，先将待焊试板进行打磨，在3％HF和35％HNO3的混合溶液中浸泡15min～20min，然后用清水冲洗烘干去除表面油污和氧化物。使用夹具夹紧试板，焊前向焊接保护气装置通入纯度为99.999％的氩气，保护气流量为20L/min；调整激光器与试板夹角为10°；焊丝与板材的夹角为45°，焊缝工艺设置激光功率为4kW，离焦量+15mm，焊接速度0.5m/min，摆动频率150Hz，摆动幅度2mm，螺旋升角30°。焊接接头正面、背面及截面宏观形貌图如图3所示。如图3可知，焊缝表面均匀且致密未见焊接缺陷。焊接接头微观组织形貌如图4所示。如图4可知，焊接接头晶粒得到明显细化。焊接接头力学性能测试如表2所示，

[0050] 表2焊接接头力学性能测试结果

[0051]

[0052] 如表2可知，焊接接头冲击性能比母材提升约50％。由此可以证明本焊接方法的有效组合可以显著细化钛合金焊接接头的晶粒尺寸，本发明切实可行。

[0053] 综上，本发明提出了一种细化TC4钛合金焊缝组织晶粒的厚壁窄间隙焊接方法，本发明将空间螺旋摆动激光束与多合金体系钛合金药芯焊丝相结合，应用于钛合金窄间隙的焊接中。钛合金药芯焊丝与实心焊丝相比，具有成分调整灵活，开发成本低等优点，但药芯焊丝在焊接过程中，焊接熔池粘度大、铺展性差，在大厚度钛合金窄间隙焊接过程中，容易产生侧壁熔合不良、气孔等焊接缺陷。当采用传统电弧焊(TIG焊、MIG焊)、摆动激光焊(圆形、垂直、∞、8等摆动方式)等焊接方法进行钛合金药芯焊丝焊接时，难以在三维空间中对熔池液态金属实时、均匀、周期性的搅拌。本发明在多合金体系药芯焊丝的基础上通过引入空间螺旋摆动激光热源，增加熔池三维空间的流动性，使细化晶粒的合金元素在焊接接头中能够均匀分布，从而达到细化焊接接头组织晶粒细化的作用，并显著降低焊缝气孔率、抑制侧壁熔合不良缺陷。本专利通过以上措施，在保证焊接质量的前提下，显著细化TC4钛合金窄间隙焊接接头的晶粒，进而大幅度提高焊接接头的冲击韧性。为细化TC4钛合金焊缝晶粒的窄间隙焊接，提高焊接接头的冲击韧性提供了新方法。