基于正交实验的TC4钛合金激光焊接头组织性能优化研究

作者:许爱平;董俊慧;甄邵杨;张艺程 刊名:机电信息 上传者:古晓芙

【摘要】为研究5mmTC4钛合金激光焊的最优工艺参数;采用YLS-10000型光纤激光器进行实验;设计三因素、三水平正交实验;研究功率、速度和活性剂对熔宽、熔深和成型系数的影响;通过极差方法优化工艺;并用综合平衡找出最佳工艺;结果表明;工艺对熔宽的影响按大小排列为活性剂>速度>功率;熔宽的最优组合是A3B1C2;工艺对熔深的影响按大小排列为速度>功率>活性剂;熔深的最优组合是A3B1C2;工艺对成型系数的影响按大小排列为活性剂>功率>速度;成型系数的最优组合为A2B3C3;经过综合评价最优工艺是功率为2900W;速度为0.06m/s;活性剂为YbF3;优化后焊缝组织为针状马氏体α′;在融合区组织为等轴晶;热影响区主要为α+β+α′;且越靠近焊缝的热影响区晶粒越粗大;晶内马氏体越多、越密集;接头硬度值随着与焊缝中心距离的增大先降低后升高;且在距离焊缝中心0.8~1.2mm粗晶区硬度发生突变;存在一个软化区;

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因素 活性剂种类 3 YbF3 水平 C 1 Na2SiF6 2 NaF 功率 /W 3 000 A 2 800 2 900 速度 /(m/s) B 0.04 0.05 0.06 抗拉强度 Rm/MPa 沸点 / ℃ 930 3 535 熔点 / ℃ 1 538 热导率 / (W·m-1·K-1) 5.44 屈服强度 Rel/MPa 850 室温温度 / (g/cm3) 4.45 元素 Ti 测试值 余量 允许范围 余量 C 0.02 0.08 O 0.2 0.018 V Fe 残差 3.5~4.5 0.40 0.1 4.0 0.07 <0.1 H 0.015 0.003 N AL 0.05 5.5~6.75 0.01 6.1 基于正交实验的TC4钛合金激光焊接头组织 性能优化研究 许爱平 董俊慧 甄邵杨 张艺程 (内蒙古工业大学材料科学与工程学院,内蒙古呼和浩特 010051) 摘 要:为研究5 mm TC4钛合金激光焊的最优工艺参数,采用YLS-10000型光纤激光器进行实验。设计三因素、三水平正交实验, 研究功率、速度和活性剂对熔宽、熔深和成型系数的影响。通过极差方法优化工艺,并用综合平衡找出最佳工艺。结果表明,工艺对熔宽 的影响按大小排列为活性剂>速度>功率,熔宽的最优组合是A3B1C2;工艺对熔深的影响按大小排列为速度>功率>活性剂,熔深的 最优组合是A3B1C2;工艺对成型系数的影响按大小排列为活性剂>功率>速度,成型系数的最优组合为A2B3C3。经过综合评价最优工艺 是功率为2 900 W,速度为0.06 m/s,活性剂为YbF3。优化后焊缝组织为针状马氏体琢忆,在融合区组织为等轴晶,热影响区主要为 琢+茁+琢忆,且越靠近焊缝的热影响区晶粒越粗大,晶内马氏体越多、越密集。接头硬度值随着与焊缝中心距离的增大先降低后升高,且在 距离焊缝中心0.8~1.2 mm粗晶区硬度发生突变,存在一个软化区。 关键词:TC4钛合金;激光焊;正交实验;工艺优化 0 引言 TC4钛合金具有密度低、比强度高、高温性能良好、耐腐蚀 性能好、无毒无磁、焊接性和生物相容性良好等特点,在航空 航天、航海、兵器、化工、生物医药等领域具有广泛的应用前 景[1-3]。近年来,随着我国航空航天技术及钛金属冶炼技术的 快速发展,钛合金的产量和需求量逐年增加,其中TC4钛合金 占主导地位,由此可见,钛合金材料是今后发展的一个重要方 向。钛合金应用的持续增长对其焊接技术提出了更高要求,激 光焊、电子束焊和钎焊是钛合金连接方法中的重要选择[4-5]。 随着激光技术、机器人技术及计算机技术的快速发展,激光制 造已成为航空工业的重要方法 [6-7],其具有焊接效率高等优 点,越来越受到重视,将来会逐渐成为钛合金焊接的主要方 法。提高钛合金综合性能具有重要意义,研究表明,激光焊接 相对于其他焊接具有焊缝截面窄、组织晶粒细小的优点,较小 的组织晶粒会使焊缝力学性能更佳。但是钛合金在激光焊接 的实验中也存在着焊接接头出现气孔、夹杂、焊缝晶粒粗大等 问题[8-9],可以借鉴A-TIG的实验成果,将活性剂应用到钛合金 激光焊接中,进而有效减少钛合金激光焊接出现的问题,并且 使焊接接头的组织细化,提高焊接接头的力学性能。 1 正交实验设计 1.1 实验材料 焊接实验材料选用母材为5 mm的TC4钛合金,其化学成 分与力学性能如表1、表2所示。将母材加工成尺寸为90 mm× 30 mm×5 mm的焊接试样,采用单道激光焊。对TC4母材进行 严格的焊前表面预处理:砂纸打磨→丙酮→清水冲洗→酸 洗→清

参考文献

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