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航空钛合金激光焊接全熔透稳定性及其焊接物理冶金研究

陈俐  
【摘要】:轻质高强、高温耐蚀、高比强度钛合金是优秀的航空航天结构材料,焊接在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本方面独具优势,尤其是高能量密度、高焊接精度和高焊接效率的激光焊。因此研究钛合金激光焊对充分发挥钛合金结构重量效率,提高航空结构和武器装备性能及降低制造成本具有重大意义。 薄壁钛合金激光深熔焊过程涉及激光-等离子体-材料相互间的复杂作用、小孔周期性的形成与闭合和熔池动态行为,这一过程可外化为熔池形貌,并最终表现为焊缝成形。BT20、TC4 和Ti-23Al-17Nb 钛合金薄板的焊缝成形研究表明,激光焊模式并不是通常认为的取决于激光功率密度,还与线能量有关。这说明钛合金激光深熔焊过程的小孔形成、熔池行为和焊缝成形受激光功率密度和线能量双阈值控制。 焊缝成形进一步研究表明,激光功率密度和线能量超过深熔焊全熔透阈值,焊缝呈钉头形或沙漏形,无量纲量背宽比(焊缝的背面宽度和表面宽度之比)可映射全熔透焊过程的稳定性。在所研究条件下,背宽比大于0.4 是2.5mm 厚BT20 钛合金获得稳定激光全熔透深熔焊过程的焊缝成形条件,进而确立出全熔透稳定焊接的激光功率-焊接速度工艺窗和激光功率密度-线能量双阈值曲线。 但当激光功率密度和线能量处在钛合金激光深熔焊全熔透阈值附近,全熔透焊过程可出现非表观工艺参数失稳造成的不稳定,形成的焊缝表面均匀,背面交替出现熔透与未熔透。在本质上钛合金激光深熔焊全熔透过程的稳定与穿孔稳定性密切相关,受焊接过程等离子体/金属蒸汽云周期性变化的影响。为此本文提出了穿孔速度应与焊接速度相适应的全熔透深熔焊物理模型,并根据孔壁能量平衡将穿孔速度与激光功率密度、线能量、焊接速度、光束直径、材料性能和板厚联系起来,建立了穿孔速度与穿孔所需激光功率密度间的关系,已知激光能量转换率即可判断工艺参数全熔透焊的稳定性。 在激光焊深熔焊过程,强烈金属蒸汽伴随穿孔形成上下喷发,使孔壁液体金属沿光束轴线快速迁移,同时在孔口形成对熔池具有热辐射的等离子体/金属蒸汽云。小孔开口处熔池金属因金属蒸汽力和等离子体/金属蒸汽云热辐射作用呈现强对流,小孔内的熔池金属则因金属蒸汽膨胀作用对流很小,近孔壁甚至出现层流,这种不


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