《IJHMT》：钛合金窄间隙振荡激光电弧复合焊接中的小孔稳定性、电弧行为和熔池流动

发布者：日期：2024年05月09日 10:33 点击数：

钛合金具有低密度、高比强度、耐高温、耐腐蚀等优异的综合性能，是航空航天和海洋工程应用的重要材料。产品的使用要求不断提高，构件逐渐加厚化趋势，对钛合金厚板焊接提出了更高的要求。激光电弧复合焊过程中的小孔稳定性、电弧行为和熔池流动都很复杂，这归因于激光和电弧之间的协同效应以及窄间隙的空间约束效应。接头中的气孔、显微组织不均匀、晶粒粗大也是主要问题。激光电弧复合焊中，由于窄间隙的限制，电弧行为复杂，焊缝成形难以控制。此外，较差的小孔稳定性和熔池流动也会增加气孔形成的可能性。振荡激光器具有改善焊缝成型、增强焊接工艺稳定性的优点，有望解决上述问题。因此，本研究对 16 mm 厚的钛合金进行了窄间隙振荡激光电弧复合焊 (NG-OLAHW)。西南交通大学的科研人员研究了不同振荡参数下的焊缝形成、孔隙率分布和微观结构特征。阐明了电弧稳定性的机理，并建立了电弧行为与焊缝成形之间的关系。根据小孔稳定性和熔池流动，提出了孔隙抑制机理。

研究采用尺寸为80×80×16 mm的Ti-6Al-4V钛合金和直径为1.2 mm的ERTi-6Al-4V填充金属进行焊接。焊接前，对试板进行打磨并用乙醇清洗以去除表面污染物。NG-OLAHW实验装置如图1所示。在图1（a）中，NG-OLAHW系统由光纤激光器（TruDisk-10,002）和电弧焊机（TPS-4000）组成。波长为1070 nm，最大激光功率为10 kW的激光通过焦距为400 mm的透镜聚焦在工件表面的一个光斑上。采用圆形振荡路径和连续激光输出模式。焊接电流和电压与送丝速度自动匹配，采用脉冲直流电。采用NI采集卡和霍尔电流、电压传感器组成的采集系统测量焊接电流、电压值，焊接峰值电流平均值为306A，电压平均值为47.5V，激光束与垂直方向夹角为10°，焊枪与工件表面成75°，激光与电弧（DLA）之间的距离为2mm，焊丝伸长为12mm。钛合金在高温下是高反应性材料，因此采用特殊的保护装置和流量为50 L/min的高纯氩气来保护焊缝不被氧化，如图1（b）所示。挡板和防护罩共同形成焊缝的保护区域。焊接前，向保护装置内通入保护气体，确保保护气体充满整个保护区域。NG-OLAHW 参数如表 1 所示。焊接后，使用X射线探伤设备（ERESCO 65MF4）检查焊缝孔隙率。从焊缝横向获取焊缝横截面样品，并在5 vol% HF + 25 vol% HNO3 + 70 vol% H2O 的酸性溶液中进行研磨、抛光和蚀刻。使用ZEISS STEMI 2000显微镜观察焊缝横截面形貌。结合分析软件（Aztec Crystal 2.1）进行电子背散射衍射（EBSD）来分析微观结构和晶粒尺寸。使用由高速相机（Phantom v2512）和激光照明系统（CAVILUX HF）组成的高速相机系统记录小孔动力学、电弧行为和熔池流动，如图1（a）所示。图像以 5000 帧/秒和 2 μs 曝光时间拍摄。A和B位置的高速摄像机分别用于观察电弧行为和熔池流动。为了研究振荡激光对等离子体特性的影响，使用光谱仪收集等离子体光谱。通过由平板和石英玻璃组成的“三明治”结构来观察锁孔动力学，如图1（c）所示。在焊接过程中，板被放置在由步进控制系统控制的平台上。