CN110860792A - 一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法。包括：将起弧区域、收弧区域的富氧层去除；将待焊接高温钛合金板材的起弧区域起弧区域对接收弧区域对接；选取两片钛箔片，分别塞入待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的对缝间隙中；在起弧区域、收弧区域各涂刷一层钛合金焊剂涂覆层；采用散焦光斑对涂覆层进行激光扫描，使得钛合金焊剂表面微熔化，固结在起弧区域、收弧区域；再采用激光焊接方式对待焊接高温钛合金板材的对接焊缝进行焊接。本发明大大提高了钛合金材料激光焊接焊缝的稳定性，进而提高了钛合金材料的结构强度，广泛适用于航空航天及民生领域。

Description

一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法
技术领域
本发明涉及激光焊接加工技术领域，特别是涉及一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法。
背景技术
随着我国新一代飞行器对高空、高速的需求，我国新一代高温钛合金材料逐渐开始进入工程化应用阶段，高温高强钛合金的研发是钛合金重要的发展趋势之一，国内在该系列钛合金领域已经取得很大进展。目前国内、外研制的新型高温钛合金材料多为近α型，其内部合金元素较多，板材经过高温轧制后，表面极易出现富氧层，焊接时容易出现合金元素偏析，对于焊缝内部气孔的控制以及焊接裂纹的产生都有不利影响。激光焊接时焊缝容易开裂，焊接工艺稳定性较差，相关的激光焊接工艺标准及焊后组织性能调控技术还不完善。
同时随着合金体系的复杂化，材料出现对热输入的敏感性，尤其是起弧、收弧等不稳定区域焊缝开裂的倾向变大，焊接工艺窗口变窄，结构件焊接制造时需要根据具体的结构形式调整焊接工艺窗口，焊接裂纹倾向极大。典型的筒体构件环焊缝，由于焊接结构为环向封闭焊缝，焊接完成后无法去除起弧与收弧部位，因此端头裂纹无法有效去除。
鉴于目前高温钛合金材料随着合金体系的复杂化以及高温轧制过程中表面氧化较重，产生富氧层，材料出现对热输入的敏感性，尤其是起弧、收弧等不稳定区域焊缝开裂的倾向变大，焊接工艺窗口变窄，结构件焊接制造时需要根据具体的结构形式调整焊接工艺窗口，焊接裂纹倾向极大的难题。
如何提供一种消除高温钛合金板材焊缝裂纹的控制方法是本领域技术人员亟需解决的技术难题。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法。通过去除待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的富氧层；在待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的对缝间隙中塞入钛箔片；涂刷钛合金焊剂涂覆层；采用激光焊接方式对待焊接高温钛合金板材的对接焊缝进行焊接。解决了现有技术高温钛合金材料焊接易存在裂纹的难题。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，包括：
S110，将两片待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的富氧层分别去除；
S120，将一片待焊接高温钛合金板材的起弧区域与另一片待焊接高温钛合金板材的起弧区域对接，将一片待焊接高温钛合金板材的收弧区域与另一片待焊接高温钛合金板材的收弧区域对接；选取两片钛箔片，将两片钛箔片分别塞入待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的对缝间隙中；
S130，在起弧区域、收弧区域各涂刷一层钛合金焊剂涂覆层；
S140，采用散焦光斑对涂覆层进行激光扫描，使得钛合金焊剂表面微熔化，固结在起弧区域、收弧区域；再采用激光焊接方式对两片待焊接高温钛合金板材的对接焊缝进行焊接。
进一步地，所述起弧区域和所述收弧区域为分别是在两片待焊接高温钛合金板材的起焊位置、收焊位置；所述起焊位置和所述收焊位置为通过激光切割方式在所述高温钛合金板材上预制长度和宽度一定缺口区域。
进一步地，所述富氧层采用激光清洗方法去除。
进一步地，所述激光清洗方法为：采用波长为1064nm，脉冲宽度为130-160ns，光纤芯径为100μm，300W级参数的脉冲激光器作为清洗光源，以六轴机械手作为激光清洗运载机构，以功率280W，脉冲频率50Hz、焦距10mm的参数对高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的正反两面进行激光清洗。
进一步地，所述激光清洗方法对高温钛合金板材每一面富氧层的去除厚度在0.03-0.05mm之间。
进一步地，一片所述钛箔片与待焊接高温钛合金板材起弧区域的长度相等，另一片所述钛箔片与待焊接高温钛合金板材收弧区域的长度相等，且两片所述钛箔片的宽度与待焊接高温钛合金板材的厚度相等。
进一步地，所述钛合金焊剂的制备方法包括：将300-500目的纯钛粉末、300-500目的BaCl2粉末、300-500目的NaF2粉末按照20:1:1的质量比进行混合，所得混合物与酒精按照1:3比例混合均匀，取沉降在底部的混合物作为钛合金焊剂。
进一步地，所述钛合金焊剂涂覆层的涂刷厚度为50-500μm。
进一步地，所述散焦光斑的直径为5mm-20mm。
进一步地，所述激光焊接方式的激光功率1000W-5000W，速度0.5m/min-5m/min，整个激光扫描加热过程在氩气保护下进行。
(3)有益效果
综上，本发明提出了一种通过激光清洗精确定量去除起弧、收弧区域板材表面富氧层，起弧、收弧区域钛合金焊剂涂覆以及激光焊接的方式的优化调整，最终达到焊接一次成型，焊接起弧处无裂纹缺陷的优点；大大提高了钛合金材料激光焊接焊缝的稳定性，进而提高了钛合金材料的结构强度，广泛适用于航空航天及民生领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法的流程图。
图2是本发明实施例中两片高温钛合金板材拼接的结构示意图。
图3是本发明实施例中两片高温钛合金板材与钛箔片拼接后的结构示意图。
图4是本发明实施例中一种高温钛合金板材涂刷钛合金焊剂涂覆层以后的结构示意图。
图5是本发明实施例的一种高温钛合金板材钛合金焊剂涂覆层微熔化后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图1-附图5并结合实施例来详细说明本申请。
参阅附图1所示，本发明实施例的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，可以包括：
S110，将两片待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的富氧层分别去除；
S120，将一片待焊接高温钛合金板材的起弧区域与另一片待焊接高温钛合金板材的起弧区域对接，将一片待焊接高温钛合金板材的收弧区域与另一片待焊接高温钛合金板材的收弧区域对接；选取两片钛箔片，将两片钛箔片分别塞入待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的对缝间隙中；
S130，在起弧区域、收弧区域各涂刷一层钛合金焊剂涂覆层；
S140，采用散焦光斑对涂覆层进行激光扫描，使得钛合金焊剂表面微熔化，固结在起弧区域、收弧区域；再采用激光焊接方式对两片待焊接高温钛合金板材的对接焊缝进行焊接。
需要说明的是，在描述本发明实施例具体实施方式工作原理前需要介绍的是起弧区域、收弧区域在两个待焊接工件(在本发明实施例中也就是高温钛合金板材)上的位置，如附图2所示，起弧区域一般为激光焊接的起始位置(如附图2的上端中央位置)，收弧区域一般为激光焊接的终点位置(如附图2的下端中央位置)；而起弧区域与收弧区域之间则为待焊接的拼焊缝，可以由激光焊接设备进行激光焊接。
在本发明实施例中，首先将已经存在的富氧层进行去除，确保了待高温激光焊接的高温钛合金板材上没有或很少拥有原始富氧层的存在，在焊接结束后累积的富氧层会减少，且焊接时合金元素偏析量也会减少，能减少后续激光焊接焊缝内部气孔以及焊接裂纹。
接着，将两片待焊接高温钛合金板材的起弧区域与收弧区域一一对应，这样确保了两片待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域、焊缝位置的对齐，便于激光焊接操作的顺利进行。
然后，钛合金焊剂涂覆层的涂刷充分利用纯钛粉末填充钛箔片与两片待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域之间的间隙，避免因为缺料导致的焊缝塌陷或咬边，而且，钛合金焊剂涂覆层还可以进一步有利于降低焊接冷却时的表面张力，防止焊缝开裂，降低了焊接裂纹产生的概率。
在本发明实施例中钛合金焊剂涂覆层可以涂刷一层也可以涂刷两层，其可以根据需要而设定。
最后，采用散焦光斑对涂覆层进行激光扫描，使得钛合金焊剂表面微熔化，固结在起弧区域、收弧区域，可以钛合金焊剂涂覆层牢固可靠地填充在间隙内，利用钛合金焊剂涂覆层的表面张力防止焊缝开裂；再采用激光焊接方式对两片待焊接高温钛合金板材的对接焊缝进行焊接，得到的待焊接高温钛合金板材焊接起弧、收弧处无裂纹缺陷，焊缝质量显著提高。
综上所述，本发明实施例所示方法通过钛合金板材富氧层去除，起弧区域、收弧区域焊接工艺的优化、钛箔片的预制和填充以及钛合金焊剂涂覆层的涂刷最终达到待焊工件焊接一次成型，焊接起、收弧处无裂纹缺陷，焊缝质量显著提高的有益效果。
具体地，参阅附图2所示，本发明实施例所示的一种高温钛合金板材的起弧区域和收弧区域为分别是在两片待焊接高温钛合金板材的起焊、收焊位置；所述起焊位置和所述收焊位置为通过激光切割方式在所述高温钛合金板材上预制长度和宽度一定缺口区域，激光切割方式可以精确定量去除掉起弧区域和收弧区域的板材，便于后述记载的激光切割方式预制长度和宽度一定缺口区域用于埋设纯钛合金。
进一步地，本发明实施例所示的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法中的富氧层采用激光清洗方法去除，激光清洗方法扫描起弧区域、收弧区域，能精确定量去除高温钛合金板材表面起收弧区域氧化层的清洗厚度以及定量控制清洗区域，避免现有技术中采用酸洗对板材其他区域的减薄作用。
具体地，本发明实施例所示的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法中氧化层的激光清洗方法采用的条件为：采用波长为1064nm，脉冲宽度为130-160ns，光纤芯径为100μm，300W级参数的脉冲激光器作为清洗光源，以六轴机械手作为激光清洗运载机构，以功率280W，脉冲频率50Hz、焦距10mm的参数对高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的正反两面进行激光清洗。这是因为本发明实施例所示的高温钛合金板材的富氧层厚度一般在0.03-0.05mm左右，采用上述方法能精确去除该厚度的富氧层。
进一步地，参阅附图3和附图5所示，本发明实施例所示的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法中一片所述钛箔片与待焊接高温钛合金板材起弧区域的长度相等，另一片所述钛箔片与待焊接高温钛合金板材收弧区域的长度相等，且两片所述钛箔片的宽度与待焊接高温钛合金板材的厚度相等。如附图3所示，一片钛箔片用于在起弧区域将两侧待焊接高温钛合金板材连接起来，另一片钛箔片用于在收弧区域将两侧待焊接高温钛合金板材连接起来，因此，本发明实施例中设置的两片中的钛箔片分别与两片高温钛合金板材的起弧区域、收弧区域的长度相等可以很好地将两侧待焊接高温钛合金板材连接起来。同时，如附图5所示，本发明实施例中钛箔片的宽度与待焊接高温钛合金板材的厚度相等，这样将钛箔片填充到起弧区域或收弧区域时，钛箔片的宽度方向与待焊接高温钛合金板材的厚度方向保持一致。当两片钛箔片的宽度与待焊接高温钛合金板材的厚度相等时可以保持待焊接区域保持持平，不会出现凹陷或凸起的情况。
进一步地，本发明实施例所示的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法中所述钛合金焊剂的制备方法包括：将300-500目的纯钛粉末、300-500目的BaCl2粉末、300-500目的NaF2粉末按照20:1:1的质量比进行混合，所得混合物与酒精按照1:3比例混合均匀，取沉降在底部的混合物作为钛合金焊剂。在本发明实施例中将上述钛合金焊剂涂刷在起弧区域、收弧区域上，钛合金焊剂一方面是利用纯钛粉末填充，钛箔片与高温钛合金板材之间的间隙，避免因为缺料导致的焊缝塌陷或咬边；另一方面钛合金焊剂中BaCl2粉末、NaF2粉末的添加有利于降低焊接冷却时的表面张力，防止焊缝开裂。
具体地，本发明实施例所示的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法中钛合金焊剂涂覆层的涂刷厚度为50-500μm。这是因为高温钛合金板材具体特性决定的，当钛合金焊剂涂覆层的涂刷厚度为50-500μm时，其达到上述的效果最佳。
进一步地，本发明实施例所示的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法中散焦光斑的直径可以为5mm-20mm。待酒精挥发后，采用低能量密度的散焦光斑对涂覆层进行扫描，使得钛合金粉末表面微熔化，固结在起弧区域、收弧区域；一般散焦光斑的直径可以为5mm-20mm，激光功率1000W-5000W，速度0.5m/min-5m/min，整个激光扫描加热过程在氩气保护下进行。
下面结合具体的Ti65钛合金板材作为高温钛合金待焊板材再次描述本发明实施例的高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法。
S110,去除高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的富氧层。根据高温钛合金表面富氧层检测数据得知，该类型板材富氧层厚度在0.03mm左右；采用激光清洗方式，扫描起、收弧区域，精确定量去除板材表面起收弧区域的氧化层。另外，激光清洗的优点在于可精确控制清洗区域与清洗厚度，针对待焊板材的起收弧区域进行精确清洗，避免了因为整体板材酸洗对板材其他区域的减薄作用。激光清洗参数可以采用波长为1064nm，脉宽为130-160ns，光纤芯径为100μm，300W级的脉冲激光器作为清洗光源，以6轴机械手作为激光清洗运载机构。激光清洗选用功率280W，脉冲频率50HZ、焦距10mm，对起、收弧区域10mmX10mm区域内板材正反两面进行激光清洗，激光清洗后板材单面去除量在0.03-0.05mm。激光清洗完起弧区域、收弧区域后进行预制箔片处理。
S120，预制起弧、收弧位置待焊接的钛箔片。如附图3所示，在高温钛合金的起焊、收焊位置采用激光切割方式切割预制长度10mm，宽度0.2mm的缺口作为起弧、收弧位置。选取0.2mm厚度的钛箔片，将钛箔片制备成长度10mm，宽度与待焊高温钛合金厚度相同的长方形箔片，并将钛箔片塞入起弧、收弧预制位置的对缝间隙中。
S130，预制钛合金焊剂涂层和涂覆。选取母材相同化学成分的300-500目的纯钛粉末，然后将纯钛粉末、300-500目的BaCl2粉末、300～500目的NaF2粉末按照20:1:1的质量比进行混合，所得混合物与酒精按照1:3比例混合均匀，混合物沉降在底部待用。参阅附图4所示，将酒精混合物涂刷在起弧、收弧位置上，涂刷宽度约15mm，长度约15mm，厚度约500μm，涂刷完成后使得焊缝对缝间隙被酒精混合物填满。待酒精完全挥发后进行焊接。焊剂涂层的主要作用:一是利用纯钛粉末填充，钛箔与工件之间的间隙，避免因为缺料导致的焊缝塌陷或咬边；二是BaCl2粉末、NaF2粉末的添加有利于降低焊接冷却时的表面张力，防止焊缝开裂。
S140，进行优化焊接。参阅附图5所示，待酒精挥发后，采用低能量密度的散焦光斑对涂覆层进行扫描，使得钛合金粉末表面微熔化，固结在起弧区域、收弧区域。一般散焦光斑直径20mm，激光功率5000W，速度5m/min，整个激光扫描加热过程在氩气保护下进行。采用散焦光斑对钛合金粉末涂层扫描完成后，钛合金粉末表面会发生固结连接在待焊工件上。然后采用大功率激光对对接焊缝进行焊接，采用10000W功率，焊接速度10m/min激光焊接，焊接过程在氩气保护下进行。
焊接以后对焊缝起弧区域、收弧区域经过X光探伤得到，焊缝内部质量无裂纹，达到HB/Z 20017-2012《钛及钛合金激光焊接工艺》Ⅰ级焊缝标准。可见本发明实施例所示方法焊接后起弧区域、收弧区域无裂纹缺陷，焊缝质量显著提高。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，包括：
S110，将两片待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的富氧层分别去除；
S120，将一片待焊接高温钛合金板材的起弧区域与另一片待焊接高温钛合金板材的起弧区域对接，将一片待焊接高温钛合金板材的收弧区域与另一片待焊接高温钛合金板材的收弧区域对接；选取两片钛箔片，将两片钛箔片分别塞入待焊接高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的对缝间隙中；
S130，在起弧区域、收弧区域各涂刷一层钛合金焊剂涂覆层；
S140，采用散焦光斑对涂覆层进行激光扫描，使得钛合金焊剂表面微熔化，固结在起弧区域、收弧区域；再采用激光焊接方式对两片待焊接高温钛合金板材的对接焊缝进行焊接。
2.根据权利要求1所述的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，所述起弧区域和所述收弧区域为分别是在两片待焊接高温钛合金板材的起焊位置、收焊位置；所述起焊位置和所述收焊位置为通过激光切割方式在所述高温钛合金板材上预制长度和宽度一定缺口区域。
3.根据权利要求1所述的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，所述富氧层采用激光清洗方法去除。
4.根据权利要求3所述的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，所述激光清洗方法为：采用波长为1064nm，脉冲宽度为130-160ns，光纤芯径为100μm，300W级参数的脉冲激光器作为清洗光源，以六轴机械手作为激光清洗运载机构，以功率280W，脉冲频率50Hz、焦距10mm的参数对高温钛合金板材起弧区域、收弧区域的正反两面进行激光清洗。
5.根据权利要求4所述的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，所述激光清洗方法对高温钛合金板材每一面富氧层的去除厚度在0.03-0.05mm之间。
6.根据权利要求1所述的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，一片所述钛箔片与待焊接高温钛合金板材起弧区域的长度相等，另一片所述钛箔片与待焊接高温钛合金板材收弧区域的长度相等，且两片所述钛箔片的宽度与待焊接高温钛合金板材的厚度相等。
7.根据权利要求1所述的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，所述钛合金焊剂的制备方法包括：将300-500目的纯钛粉末、300-500目的BaCl2粉末、300-500目的NaF2粉末按照20:1:1的质量比进行混合，所得混合物与酒精按照1:3比例混合均匀，取沉降在底部的混合物作为钛合金焊剂。
8.根据权利要求1或7所述的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，所述钛合金焊剂涂覆层的涂刷厚度为50-500μm。
9.根据权利要求1所述的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，所述散焦光斑的直径为5mm-20mm。
10.根据权利要求1所述的一种高温钛合金板材焊缝裂纹的消除控制方法，其特征在于，所述激光焊接方式的激光功率1000W-5000W，速度0.5m/min-5m/min，整个激光扫描加热过程在氩气保护下进行。
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