【论文】关于钛合金激光焊接工艺研究及激光穿透焊温度场数值模拟788.docx

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1、钛合金激激光焊接接工艺研研究及激激光穿透透焊温度度场数值值模拟摘要钛及钛合合金因其其比强度度大和优优良的耐耐酸腐蚀蚀性能，在在各行各各业中得得到越来来越广泛泛的应用用。激光光焊接由由于具有有能量集集中、焊焊缝成形形好、操操作简单单、易于于监测等等优点，非非常适合合焊接钛钛合金材材料。论文通过过激光焊焊接试验验表明钛钛合金激激光焊接接的主要要缺陷是是气孔，空空气中的的氧气、氮氮气和工工件表面面的水分分是造成成气孔的主要要原因。钛钛合金激激光焊接接焊缝强强度、硬硬度提高高， 塑塑性、弯弯曲性能能下降。对对188mm厚厚P200型钛合合金板激激光拼焊焊推荐工工艺参数数为激光光功率1160001880

2、0WW，焊接接速度227366ndmmin。激光穿透透焊接过过程包含含着一系系列复杂杂的物理理、化学学反应现现象，表表现出快快速、复复杂、多多维、多多参数影影响等特特点。激激光与材材料相互互作用时时，因聚聚焦激光光束功率率密度高高(通常常高达110。WWcmm2以上上)，被被焊材料料在极短短时间内内熔化、汽汽化乃至至蒸发，从从而形成成小孔， 并出现现激光诱诱导的等等离子体体。在激激光焊接接过程中中，光致致等离子子体、小小孔以及及熔池的的行为决决定了焊焊缝成形形以及焊焊接质量量。对激激光焊接接的模拟拟尽管前前人已经经作了大大量的研研究， 但是对对激光穿穿透焊接接三维温温度场的的实时再再现仍存存在

3、一定定的局限限。目前前，虽然然ANSSYS(一种大大型有限限元软件件)正在在成为有有限元模模拟领域域研究的的热点，但但国内外外还未见见将其应应用在激光焊焊接过程程数值模模拟的相相关报道道。 论文探讨讨了基于于ANSSYS软软件进行行激光穿穿透焊接接三维温温度场数数值模拟拟的若干干关键问问题。论论文采用用球状热热源和柱柱状热源源相结合合的双热热源模型型，用AAPDLL语言开开发的AANSYYS 计计算程序序，能有有效地对对激光穿穿透焊接接过程三三维温度度场变化化情况进进行模拟拟。论文文还针对对使用AANSYYS软件件要求较较高的特特点，采采用面向向对象程程序设计计的方法法进行二二次开发发，在VV

4、C+600开发环环境下将将其封装装。这样样，通过过其友好好的人机机界面，激激光焊接接专家只只需输入入激光穿穿透焊接接工艺参参数即可可自动调调用ANNSYSS模块进进行后台台计算，而而勿需专专门学习习有限元元理论和和ANSSYS软软件，方方便了用用户的使使用。关键词：钛合金金激光弹弹接激光光穿逸焊焊三维温温度场数数宿模拟拟ABSTTRACCT Withh thhe aadvaantaagess off hiigh strrenggthtoweiightt rmmio，eexceelleent corrrossionns rresiistaancee， titaaniuum aand tittan

5、iium allloy havve bbeenn apppliied morre aand morre wwideely in manny ffielldsThee laseer wwelddingg iss suuitaablee foor tthe tittaniium andd tiitanniumm allloyy beecauuse of itss lllighh poowerr denssityy,goood welldinng pperfformmancce，aand eassy iinsppecttionn Baseed oon eexpeerimmentts oof ttit

6、aaniuum llaseer wwelddingg，thhe rresuult shoows porres aree a commnqoon defeect in thee weeld forr laaserr weeldiing of tittaniium allloyssThhe 002，NN2 iin tthe airr annd tthe H200 absoorbeed OOn tthe surrfacce oof tthe worrk ppiecce aare thee maain ressourrce of theese porresThee titaaniuum wweldd、

7、viim llaseer wwelddingg haas hhighher strrenggth andd haardnnesss，loowerr duuctiilitty tthann thosse oof bbasee maaterriallsFFor thee laaserr weeldiing of tittaniium allloy wittll 188mm thiicknnesss1aaserr poweer 11600018800WW annd wwelddingg sppeedd 27-336mmmiin wweree reecommmenndedd inn thhe tthe

8、ssis The proocesss oof llaseer ffulllpeenettrattionn weeldiing inccluddes a sseriial of phyysiccal andd chhemiicall phhenoomennaTThe intteraactiion of higgh ppoweer llaseer bbeamm wiitll thhe ttargget matteriialss iss a coompllex，mmutiidiimennsioonall annd mmufff-paarammeteer ssysttemAt powwer denns

9、itty oof tthe ordder of 1 066Wccm2 typpicaallyy ussed in deeep ppeneetraatioon wwelddingg，thhe iirraadiaatedd suurfaace beccomees moltten andd suubseequeentlly vvapoorizzes forrminng aa caavitty kknowwn aas kkeyhholee fiilleed wwithh laaserr-innducced plaasmaaThhe wwelddingg peerfoormaancee iss sttr

10、onnglyy deeterrminned by thee beehavviorr off thhe llaseer-iinduucedd pllasmma aand thee vaarioous eneergyy-abbsorrptiion mecchannismms，aas wwelll ass thhe kkeyhholee annd tthe molltenn poool shaapeManny eexpeertss haave stuudieed tthe simmulaatioon oof llaseer wwelddingg prroceess，bbut thee reeal-t

11、imme rreprroduuctiion of thee 3DD teempeeratturee fiieldd iss sttilll liimitted Now,thooughh ANNSYSS(a finnitee ellemeent anaalyssis sofftwaare)beccomees tthe foccus of thee simuulattionn reeseaarchh wiith FEMM，thheree haasnt aa reeporrt aabouut uusinng AANSYYS ffor simmulaatioon oof laseer wwelddin

12、gg prroceess The keyy prrobllemss off siimullatiing a 33D ttempperaaturre ffielld oof tthe lasser fulllppeneetraatioon welddingg baasedd onn thhe AANSYYS ssofttwarre wweree sttudiied in thee thhesiisUUsinng sspheerecollumnn therrmall moodell，thhe AANSYYS ccodee wrrittten by APDDL llangguagge CCan si

13、mmulaate thee 3DD IItempperaaturre ffielld eeffeectiivellyTTo ddeall wiith thee diiffiicullty of usiing ANSSYSobjjecttorrienntedd desiign wass apppliied durringg thhe ddeveeloppmennt oon AANSYYS ssofttwarre wwithh VCC+660By thiis way,nott leearnningg thhe ffiniite eleemennt ttheoory andd ANNSYSS soo

14、ftwwaree，exxperrts of lasser welldinng can usee ANNSYSS too siimullatee thhe llaseer wwelddingg prroceess eassilyy onnly inpputttingg paarammeteers intto the sysstemm thhat hass a friienddly intterffacee Keywwordds：TTitaaniuum aallooy llaseer wwelddingg Laaserr fuullpennetrratiion welldinng 3D ttemp

15、peraaturre ffielld NNumeericcal simmulaatioon III1绪论激光焊接接由于其其飞溅少少、热影影响区小小、焊缝缝成形美美观等优优点而广广泛应用用于航空空航天、汽车车制造等等材料加加工及制制造领域域。随着着激光焊焊接应用用的增加加，人们们对激光光焊接过程的研研究也越越来越重重视。激光焊接接过程表表现出快快速、复复杂、多多维、多多参数影影响等特特点。许许多重要要数据及及影响，如熔熔池温度度及流动动分布等等不可能能用常规规方法测测得，同同时，由由于母材材具有多多种热物物理性能参参数，还还由于激激光焊接接的开放放环境，如如果没有有特别的的试验方方法和设设备便很

16、很难将某一参数数分离出出来研究究。然而而，使用用有限元元法进行行数值模模拟可以以综合考考虑各参参数，尽尽管也有一一些局限限性，但但仍能在在激光焊焊接研究究过程中中发挥重重要作用用，节约约大量成成本。ANSYYS是目目前世界界上流行行的大型型通用有有限元软软件之一一，基于于其自动动网格划划分功能，进行行二次开开发对于于处理激激光焊接接数值模模拟具有有独特的的优势，它它强大的的非线性性分析功能可以以有效地地模拟激激光焊接接非线性性过程，后后处理器器可以方方便地将将计算结结果进行行彩色等值、矢矢量图和和梯度等等多种直直观显示示。由于于ANSSYS的的以上功功能及其其具有的的可靠性性和开放性性等特点点

17、，应用用该软件件模拟激激光焊接接过程越越来越引引起人们们的关注注。但是是，使用用ANSYYS软件件进行激激光焊接接研究也也有其不不足之处处，那就就是对使使用该软软件的人人员要求求较高，不但但应是激激光焊接接领域的的专家而而且也应应对ANNSYSS有较深深入的学学习和掌掌握。这这种要求是苛苛刻的，对对于激光光焊接领领域的专专家不应应该也没没精力花花大量时时间学习习ANSSYS。本章将简简要介绍绍和分析析钛合金金的焊接接以及激激光穿透透焊接有有限元数数值模拟拟的研究究现状，进而而提出本本论文的主主要研究究内容。11钛钛合金激激光焊接接研究现现状从60年年代起，钛钛合金即即开始用用于飞机机结构，到到

18、80年年代，军军用飞机机中的钛钛用量己己占飞机机结构总总重量的的2 0022 5，这种种趋势还还将续发发展。我我国制造造的军用用飞机也也已经采采用了钛钛合金。钛钛有“第第三金属属”之称称，最大大优点是是比强度度大。它它具有良良好的耐耐腐蚀性性能，其其耐腐蚀蚀性优于于不锈钢钢，但钛钛及钛合合金在高高温下对对氧、氮氮、氢和和碳等具具有极大大的亲合合力，这这给焊接接带来了了一定困困难。常常用的钛钛合金焊焊接方法法有钨极极氩弧焊焊、熔化化极气体体保护焊焊、等离离子弧焊焊、电子子束焊、激激光焊等等。在指指标要求求严格的的场合，飞飞溅和接接头成形形成为限限制钨极极氩弧焊焊、熔化化极气体体保护焊焊应用的的重

19、要因因素；而而采用氩氩弧焊或或等离子子弧焊进进行焊接接加工，均均需填充充焊接材材料，由由于保护护气氛、纯纯度及效效果的限限制，导导致接头头含氧量量增加、强强度下降降、且焊焊后变形形较大：电子束束焊要求求在真空空中进行行，因而而实验条条件要求求苛刻。激激光加工工的迅速速发展为为钛合金金的焊接接提供了了新的手手段，激激光焊接接由于具具有能量量集中、焊焊缝成形形好、操操作简单单、易于于监测等等优势，非非常适合合焊接各各种厚度度的钛合合金材料料。研究究钛合金金的激光光焊接具具有重要要的实际际意义。12激激光焊接接有限元元数值模模拟121激光光焊接机机理当激光光光斑上的的功率密密度足够够大时(1006W

20、cm22)，金金属在激激光的照照射下被被迅速加热，其其表面温温度在极极短的时时间内升升高到沸沸点，使使金属熔熔化和汽汽化。当当金属汽汽化时， 所产生的的金属蒸蒸汽以一一定的速速度离开开熔池，金金属蒸汽汽的逸出出对熔化化的液态态金属产产生一个附加压压力，使使熔池金金属表面面向下凹凹陷，在在激光光光斑下产产生一个个d凹(Craaterr)。当当凹坑底部继继续被加加热汽化化时，所所产生的的金属蒸蒸汽一方方面压迫迫坑底液液态金属属使小坑坑进一步步加深：另另一方面面，向坑坑外逸出出的蒸汽汽将熔化化的金属属挤向熔熔池的四四周。这这个过程程连续进进行下去，便便在液态态金属中中形成一一个充满满金属蒸蒸汽的细细

21、长孔洞洞(Vaaporr Caapilllarry或kkev holee)。若若这个小小孔穿透透被焊工工件并达达到准稳稳态，这这时可假假定中心心蒸汽通通孔的形形状是稳稳定的，这这样的焊焊接过程程即激光光穿透焊焊接116-220】。它它是激光光深熔焊焊的一种种特殊情情况，也也是l=业应应用中常常见的一一种激光光焊接形形式。小孔周围围充满的的熔化金金属在激激光束的的连续照照射下所所产生的的金属蒸蒸汽及等等离子体体， 还向工件件表面空空间喷发发，在小小孔之上上，形成成一定范范围的等等离子体体云。在在适当工工艺措施施的控制下下，等离离子体云云能稳定定于小孔孔开口处处，发出出强烈的的蓝光。它它本身就就是

22、一个个温度极高的等等离子体体热源，因因而通常常在其邻邻近工件件表面形形成一个个较大的的加热熔熔化区(参见图111)，典典型激光光深熔焊焊照片如如图1-2。图l一11高温等等离子体体作用示示意图图l一22典型激激光深熔熔焊照片片122激光光穿透焊焊接数值值模拟的的研究现现状由前面的的分析可可知，激激光穿透透焊接过过程是一一个快速速、复杂杂、多维维、多参参数过程程， 同时发生生材料的的熔化、汽汽化及焊焊缝金属属的凝固固结晶。能能量的吸吸收和传传输，以以及小孔孔及等离子体体的产生生，是影影响激光光焊接过过程及质质量的关关键。模模拟这样样一个过过程，既既非常复复杂，也是是一种挑挑战。幸幸运的是是，计算

23、算机的飞飞速发展展，为人人类模拟拟激光穿穿透焊接接过程提提供了强有有力的手手段。迄迄今为止止，已提提出了多多种相关关模型，包包括模拟拟等离予予体行为为的模型f2-3221225J；模拟小小孔和熔熔池(焊焊缝)形形成和形形状的模模型225-332】；模拟温温度场和和流场的的模型33-3611；模拟拟激光焊焊接工艺艺参数与与结果的的关系模模型等37-39ll。概括地说说，进行行激光焊焊接模拟拟要研究究和解决决的问题题是：1)制定定工艺参参数：在在没有可可靠的和和可借鉴鉴的试验验结果的的情形下下，激光光焊接需需用f|么工工艺条件件。2)优化化工艺参参数：研研究改变变某一参参数对其其他值的的影响；或者

24、，研研究不同同材料性性能对激光光焊接过过程的影影响。3)与冷冷却过程程相关的的问题：研究影影响接头头(产品品)质量量的因素素，例如如，温度度梯度、冷却速率率、在某某一温度度下停留留时间及及其他因因素对结结晶组织织的影响响等。4)产生生的问题题：研究究焊接过过程中产产生的一一些特殊殊现象和和问题，如如裂纹或或气孔产产生的原因因。5)理论论问题：某些特特殊现象象如光致致等离子子体对焊焊接过程程的影响响。所有这些些问题都都直接或或间接与与激光焊焊接的热热过程紧紧密相关关，因此此，对于于激光焊焊接温度场的的准确模模拟是至至关重要要的。在在这一领领域的先先驱们进进行了大大量而深深入的研研究。继Swiif

25、t4401等等人建立立适用于于薄板焊焊接的线线热源模模型之后后，Chhanddef441】等等修正了了文献【442】中的有限限差分热热传导模模型，在在研究中中除dqqL、表表面对流流、辐射射热散失失外还考考虑到变变热物性，给给出了移移动热源源下物质质与激光光相互作作用的三三维热传传导模型型。Doowdeen等43-4411在一系列论论文中通通过使用用二维近近似、流流线函数数及考虑虑熔池流流动、熔熔池温度度分布等等因素建建苞了激光光焊的熔熔池模型型，用于于计算全全熔透小小孔和盲盲孔的尺尺寸及轮轮廓。GGolddak4511等发展展r具有分分布式热热输入温温度场的的有限元元模型，这这对研究究高能束

26、束焊接是是有益的的。lchiikollchiiko等等通过过变动双双椭圆体体热源中中的参数数对Maazummderr等【4421的的三维激激光焊模模型作了改改进，以以解决任任意高能能柬热源源下的温温度分布布阀题。WWei等等【477l给出出用于计计算抛物物曲面回转转体熔池池周围温温度场的的新的三三维解析析表达式式，消除除了以往往模型中中不考虑虑熔池中中的流动、对对流作用用、垂直直线热源源方向的的热传导导及动量量平衡的的缺陷。WWei48】还还提出了了新的解析温温度场模模型，并并给出了了一个点点热源表表达式来来修正线线热源，使使强度与与位置相相关， 克服了早早期模型型的缺陷陷。Laampaa，K

27、aaplaan4491改改进了KKapllan5011早期的的移动线线热源模模型， 考虑了热热毛细流流动引起起的焊缝缝加宽。徐徐九华等等【511l以伴伴随有小小孔效应应产生的的高能量量密度束焊接过过程为研研究对象象，建立立了运动动热源作作用下二二维小孔孔焊接中中流体流流动及传传热过程程的数学模模型。国国内梅汉汉华博士士(19997年年)f55 2】提提出了ddqL和和焊缝成成形的数数学模型型。该模型考虑虑了激光光束空间间几何形形状和能能量密度度空间分分布状态态，定量量分析了了激光束束质量因因子、导光光系统和和聚焦系系统的光光学参数数及离焦焦量对小小孔和焊焊缝成形形的影响响，基于于能量守守恒和热

28、传传导定律律而得到到模型。该该模型涉涉及的因因素较多多，但有有过多的的假设，使使其精确确性受到一定定的影响响。可见，随随着激光光焊接这这一新型型材料)jn-r方法法的应用用得到不不断推广广，国内内外的众众多专家学者者对其作作了大量量而深入入的研究究，建立立了各种种各样的的模型，每每一模型型都不同同程度地解决了了某一方方面或某某几方面面的问题题。但是是，对于于激光焊焊接三维维温度场场如何用用计算机机模拟的方方法让其其有效、准准确、直直观地显显示出来来还是这这一领域域的难题题，也正正成为人人们研究的热点点。13 ANSSY在激激光焊接接过程有有限元分分析中的的应用激光焊接接温度场场的模拟拟，目前前

29、较为成成熟的且且应用最最广的是是FEAA(Fiinitte EElemmentt Anallysiis)技技术，而而典型的的程序软软件是功功能强大大的ANNSYSS系统。AANSYYS系统统汇集了了集中式数据据库(DDataabasse)技技术，前前、后处处理(PPrepp7，PPosttl aand Posst266)技术术、优化化设计技技术和ASCClI文文件格式式以及先先进的数数据接口口技术等等。它可可在一个个连续的的、相互互协作的的工程设计中，分分析用于于整个产产品开发发过程。其其分析模模拟工具具易于使使用，能能支持多多种平台台， 并在异种种异构平平台上百百分之百百的兼容容，提供供了多

30、场场耦合的的分析功功能。AANSYYS的系系统结构如图图133所示。图1-33 ANNSYSS系统结结构运用计算算机模拟拟技术，对对激光焊焊接热过过程进行行分析，可可有效地地指导正正确的制制定或选择焊接接条件。由由于ANNSYSS程序功功能强大大涉及及范围广广，并且且它有友友好的图图形界面面fGUII)，有有利于将将其应用用到激光光焊接过过程的有有限元模模拟中。14课课题研究究的意义义及主要要内容如上所述述，钛合合金在国国防工业业和航空空工业正正得到日日益广泛泛的应用用，氩弧弧焊和电电子求焊是焊焊接钛合合金的传传统方法法，但随随着激光光焊接技技术的不不断进步步以及激激光焊接接相对其其它焊接方方

31、法的特特有优点点，钛合合金激光光焊接正正成为发发展趋势势。这就就迫切要要求对钛钛合金的的激光焊接接工艺进进行研究究，对焊焊接过程程进行控控制，对对焊接缺缺陷进行行分析。这这些问题题的研究有利予予指导钛钛合金的的实际应应用。人们已经经对激光光穿透焊焊接过程程中的各各种现象象进行了了大量研研究，从从不同角角度的激激光焊接时的的光致等等离子体体、小孔孔和熔池池进行了了分析和和模拟。这这些研究究增加了了人们对对激光穿透焊接接过程物物理本质质的理解解，但由由于激光光焊接过过程的复复杂性，以以及计算算机技术术的局限性，上上述种种种模拟对对激光焊焊接过程程温度场场尤其是是三维温温度场的的实时再再现仍存存在一

32、定定的局限，对对实际生生产的指指导意义义不是很很强，因因此对激激光穿透透焊接三三维温度度场有限限元模拟有必要要进一步步研究。大大型有限限元软件件ANSSYS为为我们进进行各种种有限元元模拟提提供了方方便，但对对于激光光焊接这这一特殊殊领域还还需要解解决若干干关键问问题。同同时，虽虽然ANNSYSS进行激光焊焊接有限限元模拟拟功能强强大，但但对它的的使用人人员素质质要求较较高需需要深入入了解有有限元原理理和ANNSYSS的APPDL语语言。这这正是AANSYYS在激激光焊接接领域没没有得到到足够应应用的原因，根根据目前前国内外外公开发发表的论论文来看看，还没没有用AANSYYS软件件进行激激光焊

33、接接过程有限元元模拟的的相关报报道。因因而探讨讨基于AANSYYS对激激光焊接接过程进进行有限限元模拟拟的若F关键问问题并使使用ANNSYSS和VCC+660进进行二次次开发，使使其具有有更好的的人机交交互性和和专用性，让让对ANNSYSS和有限限元比较较陌生的的焊接专专家也能能很好地地使用他他们进行行有限元元模拟具有有很重要要的实际际意义。本文的主主要研究究内容如如下： 1)钛合合会的激激光焊接接进行研研究，分分析钛合合会激光光焊接的的主要缺缺陷及其其原因，探探讨激光焊焊接钛合合金的工工艺要点点和工艺艺规范参参数，为为实际钛钛合金激激光焊接接提供参参考。2)基于于ANSSYS对对激光穿穿透焊

34、接接进行三三维温度度场有限限元模拟拟，研究究利用AANSYYS 模拟激光光穿透焊焊接三维维温度场场的一些些关键性性问题。论论文由于于没能查查到钛合合金的高高温热物理性能能参数，以以普通低低碳钢为为例进行行计算和和结果分分析。3)于vvc+600、ANNSYSS进行二二次开发发，采用用面向对对象的编编程方法法对ANNSYSS 计算模块块进行封封装，提提供友好好的人机机交互环环境。=；= 2钛合金金薄板激激光焊接接工艺研研究通常情况况下，钛钛及其合合金具有有良好的的焊接性性能，但但必须排排除活性性气体(包括空空气中的氧、氮氮及水分分等)的的污染，并并保持工工件的清清洁。焊焊接接头头的性能能在很大大

35、程度上上受到焊焊接工艺的的影响。21钛钛合金焊焊接性分分析钛和钛合合金的焊焊接性取取决于它它的物理理化学性性能。钛钛是一种种非常活活泼的金金属，由由于表面形成成致密的的氧化膜膜，使其其在常温温下非常常稳定。但但是在高高温下，钛钛则有强强烈的吸吸氢、氧、氮的的能力，如如图2一一l所示示。龟篙釜d 飞 譬釜司(8)吸吸氮后增增加的重重量(bb)吸氧氧后增加加的重量量器芋旺d (c)吸吸氮后增增加的重重量图211纯钛的的气体吸吸收曲线线空气中钛钛在2550。CC开始吸吸氢，5500。CC开始吸吸氧，6600。CC开始吸吸氮15531，随随着温度度提高， 钛吸收气气体的能能力更强强。氮和和氧固溶溶于钛

36、中中，使钛钛晶格畸畸变，变变形抗力力提高，强强度和裟啪糍譬譬嚣嚣022 Oj O 懈m哪哪惜嘣mm哪硬度增加加，塑性性和韧性性降低。钛钛焊缝的的含氢量量对焊缝缝冲击性性能的影影响最为为显著。其其原因：主要要是随着着焊缝含含氢量的的增加，焊焊缝中析析出的片片状或针针状TiiH 22增多。TTiH 2的强强度很低，故故片状或或针状TTiH 2的作作用像微微型缺口口一样，大大大降低低了焊接接接头的的冲击性性能1544451。气孔是钛钛合金焊焊接时最最常见的的焊接缺缺陷，焊焊接气孔孔主要是是由于焊焊接区，特特别是对对接端面被被水分、油油脂等沾沾污引起起的。氩氩气及母母材中含含氢、氧氧或水量量提高都都会

37、明显显使焊缝的气孑孑L增加加。其次次，钛板板表面常常受到外外部杂质质的污染染，这包包括水分分、油脂脂、氧化化物(钛及钛钛合金表表层的氧氧化物常常带有结结晶水)、含碳碳物质、尘尘埃、砂砂粒、磨磨料质点点(表面面用砂轮磨削削或用砂砂纸打磨磨后的残残余物)、有机机纤维、脏脏指印及及吸附的的气体等等【5”。这这些杂质对钛及及钛合金金气孑LL的生成成都有一一定的影影响，对对接端面面处的表表面杂质质污染对对气孔形形成的影响更更为显著著。另外，钛钛合金激激光焊接接的不稳稳定性将将导致焊焊接过程程和焊缝缝成形的的剧烈波波动，严严重影响焊接接质量，这这种不稳稳定性也也将在一一定程度度上对钛钛合金激激光焊接接接头

38、的的微观组组织和宏观性能能产生不不可忽视视的影响响。由于于钛合金金激光焊焊接存在在着物理理现象和和焊缝成成形完全全不同的三三种焊接接过程，即即稳定热热导焊、稳稳定深熔熔焊和不不稳定焊焊接过程程。其中中激光焊焊接的不稳定定性发生生在稳定定深熔焊焊与稳定定热导焊焊之间。当当激光功功率密度度处于小小孔形成成的l沲沲界条件附附近时，工工件表面面等离子子体自身身的波动动及对激激光的吸吸收作用用使得工工件实际际获得的激光能能量产生生波动，致致使小孔孔不能稳稳定存在在，从而而造成焊焊接过程程的不稳稳定【557l。22钛钛合金激激光焊接接试验试验材料料试验用材材料为TTCl钛钛合金和和200型钛合合金，由由真

39、空白白耗电弧弧炉熔炼炼而成，分分别加：亡成成155mm和和188mm厚厚的冷轧轧板，真真空电炉炉退火处处理。其其化学成成分及机机械性能能见表2-ll和表22-2。表表中，为抗拉拉强度，万万为延伸伸率，口口为弯弯曲角表2一ll TCCl钛合合金主要要化学成成分及室室温机械械性能Ti AAI() MMn(、以(Mpaa) 万万() 口基200 18 7750 25 60表2-22200型钛合合金主要要化学成成分及室室温机械械性能7n AAI(1 VV() Moof) Zrrf) o-h(MMpa) 万() 基677 222 200 208 11000 995 试验方法法课题中激激光焊接接试验用用激

40、光器器为美国国产PRRC20000快快速轴流流激光器器，额定定功率20000w，模模式TEEM011*，激激光束经经铜境反反射后，采采用f=1255mm的的ZnSSn透镜镜聚焦，聚聚焦光斑半半径OO2mmm。激激光焊接接示意图图如图22-2 丝堂捏选选立塑- 图2-22口200合金激激光焊接接示意图图管气体保护护钛合金在在高温时时容易吸吸收氧、氢氢、氮等等气体，影影响接头头的焊接接性能，甚甚至造成成焊接缺陷。为为此，钛钛合金激激光焊接接时必须须采取惰惰性气体体保护措措施或将将焊件置置于真空空室中。但由于真真空保护护效率低低、成本本高，工工件尺寸寸也受到到真空室室大小的的限制，而而且保护护效果并

41、不比惰惰性气体体保护好好，因此此，钛合合金的激激光焊接接通常采采用惰性性气体保保护。氦氦气和氩氩气是可供供选择的的两种惰惰性保护护气体，虽虽然氦气气的保护护效果要要比氨气气好，但但较为昂昂贵， 很少采用用，除非非应用在在要求极极其严格格的场合合，因此此，在通通常情况况下，钛钛合金激激光焊接接时多采用用高纯氩氩气保护护。钛合金板板材对接接焊时，应应从三个个方面对对焊接区区域进行行气体保保护，即即激光加加热处、埠缝后部部高温区区及焊缝缝背面。需需要采用用专用焊焊接夹具具和气体体保护拖拖罩。焊焊接夹具具的形式如图22-3所所示。铜铜垫板和和冷却板板起散热热的作用用。焊接接时，在在铜垫板板的方形形槽中

42、通通入氩气，保保护钛合合金板的的焊缝背背面，而而且应在在焊前33minn左右预预先通入入氩气，以以保证焊焊接时方形形槽中已已注满氩氩气，同同时，方方形槽两两端应放放置挡块块。试件图233声200焊接夹夹具示意意图为保证焊焊接接头头质量，需需采用拖拖罩保护护熔池尾尾部。设设计原则则是：由由钛材焊焊接时的的温度场确确定需要要保护的的面积，从从而确定定保护罩罩大小。钛合金试试件焊前前清理影响钛合合金激光光焊接质质量的另另一重要要因素是是钛合金金试件的的清洁程程度。焊焊前应严严格清理试件件表面，去去除氧化化膜、油油污、灰灰尘、锈锈迹和机机械加工工留下的的冷却液液，甚至至包括人手触摸摸的痕迹迹以保证证试

43、件的的清洁，防防止杂质质对焊接接接头的的污染。对试件的的清洗可可采用酸酸洗，酸酸洗液是是用一定定比例的的硝酸和和盐酸加加清水配配制而成成。试件在酸酸洗液中中放置约约两分钟钟，然后后取出用用清水冲冲洗干净净，并用用吹风吹吹干。完成清理理工作后后，应将将钛合金金试板放放在封闭闭、干燥燥、清洁洁之处，试试验人员员应佩戴戴棉布手套套来取放放试件，禁禁止直接接用手触触及试件件。221钛合合金激光光焊接缺缺陷试验验为了研究究保护气气体和焊焊前清理理对激光光焊接钛钛合金气气孔的影影响，采采用表223所所示条件进行激激光焊接接试验，焊焊接材料料为TCCl钛合合金，板板厚1,5tuurn，激激光焊接接功率116

44、000W， 激光焊接接速度221 3mmmin。表2-33激光焊焊接气孔孔试验试样编号号气体保保护焊前前清理焊焊缝质量量侧吹、顶顶吹、背背面及拖拖表面光光亮银白白色，焊焊1 酸洗洗后风干干罩保护缝缝无裂纹纹、气孔孔侧吹、顶顶吹、背背面及拖拖表面光光亮银白白色，焊焊2 酸洗洗后风干干罩保护缝缝无裂纹纹、气孔孔 表面淡黄黄色，焊焊缝大3 只有有顶吹表表面去油油未酸洗洗量气孔，无无裂纹4 只有有顶吹表表面去油油未酸洗洗表明暗灰灰色，焊焊缝大量气孔，无无裂纹表面淡黄黄色，焊焊缝少5 只有有顶吹酸酸洗后风风干量气孔，无无裂纹6 侧吹、顶顶吹、背背面及拖拖表面银银白色，焊焊缝少罩保护表面去油油未酸洗洗量气

45、孔，无无裂纹7 侧吹、顶顶吹、背背面及拖拖表面去油油未酸洗洗表面银白白色，焊焊缝少罩保护量量气孔，无无裂纹表面淡黄黄色，焊焊缝有8 只有有顶吹酸酸洗后风风干少量气孔孔，无裂裂纹注：表中中侧吹气气流量为为1 33mjht顶顶畋气流流量为00 5 mj，ffl，背背面保护护气流量量为2 0 mm】hh 试验中顶顶吹的主主要目的的是保护护激光焊焊接镜片片，侧吹吹、顶吹吹、背面面及拖罩罩保护是是为r对熔池池和热影影响区进进行保护护。肉眼眼观察所所得焊缝缝表面颜颜色并进进行X射射线检测测焊缝缺缺陷。由上上表可以以看出：进行好好的气体体保护，并并进行严严格焊前前清理的的l，22号焊缝缝，表丽呈光亮亮的银白

46、白色，焊焊缝成型型良好，而而且焊缝缝内未发发现任何何气孔；进行了了好的气气体保护，但表表面去油油未酸洗洗的6，77焊缝，经经过x射射线探伤伤均存在在不同数数量的气气孔：而而焊日口迸行行酸洗并并风干，却却没进行行很好气气体保护护的5，88焊缝，其其表面有有的呈淡淡黄色，有有的呈暗灰灰色，表表明焊缝缝金属受受到了不不同程度度的氧化化，而且且焊缝内内部也存存在一定定量的气气孔，其数数量随着着保护程程度的恶恶化而增增加；而而既没酸酸洗，又又没进行行好的气气体保护护的3，44 焊缝，除除了表面面具有明明显的氧氧化膜以以外，内内部也存存在大量量气孔。从从表中还还可以看看出， 无论是气气体保护护不好还还是酸洗洗未风干干钛合金金激光焊焊接都会会有气孔孔产生，这这是由于于钛合余在高温温F有强强烈的吸吸氨、氧氧、氮的的能力，当当空气中中的氮气气、氧气气以及焊焊接工件件表面的水分进进入熔池池后，来来不及挥挥发形成成气孔。至至