超声辅助激光钛合金焊接工艺优化研究

[18]。图3.4显微硬度仪如图3.4所示，本实验采用WILSONVH1102的硬度仪，对试样硬度进行测试，其型号为VH1102-01-0020。该设备为4位转塔，转塔有三个物镜位置和一个压头位置，物镜位置可装10x、50x、100x等物镜，压头可以安装维氏压头和努氏压头。此外，该设备的加载选项是通过触摸屏界面控制，不需要我们手动操作，大大提高了实验的准确性，同时，它的压入系统也极为重要，它与准确的压痕测量系统相结合，使测得的参数更加准确，并提高了工作效率。测得数据后，我们可通过显示器直观的观察到硬度的变化，有助于后续实验以及实验结果的分析。实验中采用10X，50X的物镜以及金刚石压头来进行实验，分别在三个金相试样上共计打216个测试点，即每个试样72个测试点，使用测试力为HV0.5，保载时间确定为15s，最后收集实验数据，并绘制显微硬度云图。4钛合金堆焊用TA1纯钛板性能研究4.1TA1成分及性能TA1是一种工业纯钛，具有高熔点（其熔点在1668℃左右）、高比强度和极高的化学活性。当钛暴露在空气中时，表面会形成一层致密的氧化膜来保护它。工业纯钛一般含有颗粒杂质，可促使钛被强化。TA1中含有Fe：0.25%，C：0.10%，N：0.03%，O:0.015%，实质上是一种低合金含量的钛合金。力学性能如下表4.1所示。表4.1钛合金板材的横向室温力学性能牌号状态板材厚度/nm抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%TA1M0.3-1.02.1-5.05.1-10.0370-530250403030图4.1所示，为此次焊接实验的脉冲工艺测试图。本次实验使用脉冲激光焊接的方法，超声波辅助在TA1纯钛板上进行了10道不同工艺的焊接测试。图4.1脉冲工艺测试图表4.2所示，焊接功率为500-700W，焊接速度为600-1500mm/min。通过对比10道焊缝的成型质量，焊缝的宽度，以及热输入等各方面的结果，最终选择焊接功率为600W，焊接速度为600mm/min的焊接工艺，该工艺下的焊缝成型质量，宽度等均相对较好，且无明显的焊接缺陷及气孔等，适合进行下一步实验及最终的实验结果分析。表4.2焊接功率与速率序号功率（W）速度（mm/min）15001200250010003500800460010005600600660080076001000850015009600600107008004.2TA1纯钛板在不同超声波频率下的微观组织分析焊缝的热力学性能，是影响焊接接头可靠性的最主要原因。其中，强度和韧性是非常重要的性能指标。在一定的条件下，焊缝中极易形成较为粗大的柱状晶体，会降低焊缝金属的强度和韧性。粗大的柱状晶体会引起热裂纹，导致性能变差。同时，焊缝抗结晶腐蚀能也不好。因此，细化熔池的结晶结构具有十分重要的意义。如图4.2所示，为焊接后的微观组织图。a）不加超声波的TA1组织图b)加1200W超声波的TA1组织图c）加1600W超声波的TA1组织图图4.2施加不同频率超声钛合金金相组织图钛合金具有独特的物理特性，激光焊接有自身特点，焊缝靠近熔合区处易产生方向性很强的柱状晶，焊缝中心的晶粒也会长大，这些现象会影响焊接接头的强度和使用性能。图4.2a)是没有超声波应用的组织图。其组织为针状马氏体。接合处有一个柱状晶体区。热影响区和焊接区的晶粒较粗。如图4.2b)和c)所示，分别施加1200W和1600W超声波。超声波应用后，一些柱状晶体被等轴晶体取代。通过比较可以看出，超声波应用前后，晶粒形状没有明显变化，但晶粒尺寸略有减小，因此超声波应用后焊缝晶粒细化。图4.3是显微组织图的200倍放大，从中可以更清楚地观察到晶粒的变化。a)不加超声波组织图b)加1200W超声波组织图c)加1600W超声波组织图图4.3200倍放大组织图4.3TA1纯钛板在不同超声波频率下的拉伸性能如下图4.4所示，TA1在拉伸时发生韧性断裂，在断裂前，有明显的撕裂过程，通过对比发现，不论是不施加超声或是施加1200W、1600W的超声，拉伸曲线无明显变化（图4.5），因此，超声辅助对TA1激光焊接的拉伸性能影响不大。a.拉伸前b.拉伸后图4.4拉伸图图4.5TA1拉伸力-伸长曲线4.4TA1纯钛板在不同超声波频率下的硬度硬度实验能够更加准确的反应出金属材料的化学成分和组织结构的差异，因而被广泛的用于检查金属材料的性能或者研究金属组织结构的变化。如下图4.6和图4.7所示，未施加超声时，TA1板材的焊缝和热影响区的硬度较低，当施加1200W的超声时，板材靠近母材的热影响区的硬度明显增加，同时，与未施加超声的板材相比，焊缝处的硬度也有所提升。当施加1600W的超声时，焊缝和热影响区的硬度最大。因此，施加超声可以改善焊接后焊缝的硬度，使板材的力学性能得到一定程度的提高。图4.6云图组织图4.7硬度云图4.5超声波辅助焊接后TA1纯钛板的各项性能差异通过实验对比发现，未加超声波时，从宏观形貌上看，TA1试样的晶粒尺寸比较大，焊缝表面质量一般，相对不均匀且焊缝宽度最大，从微观上来看晶粒形状大多为柱状晶或树枝晶，从硬度方面来看，其显微硬度值最高为155HV，最低为114HV;施加1200W超声辅助后，从宏观形貌上看，TA1试样的晶粒尺寸相对不加超声时有明显减小，焊缝表面质量有所改善，均匀程度有一定的提高，且焊缝宽度略有减小，从微观上看晶粒形状由原本的主要柱状晶和树枝晶向等轴晶转变，从硬度方面来看，其显微硬度最高为165HV,最低为112HV；施加1600W的超声辅助后，从宏观形貌上看，TA1试样的晶粒尺寸相对不加超声时和加1200W超声时更加细小，焊缝表面质量最好，均匀程度最好，且焊缝宽度为三者中最小，从微观上看晶粒形状也主要为等轴晶，从硬度方面来看，其显微硬度最高为175HV，最低为116HV。总之，相比于不加超声的TA1试样，加了超声波之后的TA1试样其宏观形貌，微观组织，硬度等均有了明显变化，焊缝表面平整美观，晶粒得到细化，但其拉伸性能并没有因为超声波的加入而改变，也没有因为超声波功率的增加而改变。此外，超声波的加入，对金属激光焊接还是有一定影响的。5实验总结钛合金的优良性能，使其在工业发展中发挥了很大的作用，激光焊接技术的发展为钛合金焊接提供了更为良好的手段，提高了钛合金的质量，而考虑到钛合金焊接的特点，在用激光进行钛合金焊接时，施加超声辅助，可以大大改善其各种性能，使其质量有明显提升。实验研究发现，采用超声辅助激光焊接工艺，可以有效改善钛合金激光焊接成形不好的问题，施加超声后，焊缝表面平整美观，鱼鳞纹更加明显，同时，在焊接过程中施加超声辅助后，焊缝晶粒得到细化，气孔缺陷和焊缝裂纹有了显著改善，此外，由于组织的变化，焊接接头的力学性能有了明显提高。本文实验通过在TA1试板激光焊接实验中加入不同功率的超声波，通过对TA1试样的宏观形貌，微观组织，拉伸性能，显微硬度等方面进行了一系列的试验论证和结果研究，通过不加超声波的TA1试板与加超声波的TA1试板，加低功率的超声波的TA1试板，以及加高功率的TA1试板的各项性能指标对比，通过对试验的最终结果分析论证，最终得出结论，即加入超声波对激光焊接有着明显的影响，其可以改善金属的组织形貌及力学性能等一些指标。参考文献刘会杰.焊接冶金与焊接性[M].北京：机械工业出版社，2007.3.TsayLW，DiIlgYS，ChugWC．NotchedtellsilSP-700laserwelds[J].MaterialsLeuers.2008，62(6—7)：1114-1117.陈锡源,陈俐,常明,何恩光.SP700钛合金激光焊的焊缝成形与性能分析[J].焊接学报.2018(06).陆斌锋,芦凤桂,唐新华.激光焊接工艺的现状与进展[J].焊接,2008(4):53-57.PugaH,CostaS,BarbosaJ,etal.InfluenceofultrasonicmelttreatmentonmicrostructureandmechanicalpropertiesofAlSi9Cu3alloy.JMaterProcessTech,2011,211:1729–1735.闫久春,杨春利,刘会杰等.超声复合焊接研究现状及科学问题[J].机械工程学报,2015,24:41-49.肖永清.铝合金汽车配件的焊接技术[J].铝加工，2009（1）：27-32.朱政强，吴宗辉，范静辉．超声波金属焊接的研究现状与展望[J].焊接技术，2010，39(12)：1-6.郭亨通，张登明，等，5A06铝合金超声辅助激光填丝焊接焊缝成形及组织性能研究[J].中国科学：技术科学，2020.耿纪龙，辛立军，超声辅助激光焊接AZ31B合金接头组织与性能研究[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2018.赵晓龙，钛合金激光焊接工艺特性研究[J].前沿技术，2020，06-0168.朱有利，王燕礼，边飞龙，等.金属材料超声表面强化技术的研究与应用进展[J].机械工程学报，2014，50(20)：35-45.单际国，董祖珏，徐滨士．我国堆焊技术的发展及其在基础工业中的应用现状［J］.中国表面工程，2002，15（4）：19－22.赵昆，程志国.优质高耐磨性堆焊技术-复合材料等离子弧堆焊及其现状[J].焊接，1999(2)：5-8.韩志勇，秦川，TC4钛合金微束等离子弧堆焊接头成形研究[J].焊接技术.2015.ClarkD,BacheMR,Whittake