钛及其合金不同材料激光焊接的研究与发展现状(一)

时间:2021-09-14 11:05来源:江苏省激光产业技术创新作者:wuping 点击:
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摘要:江苏激光联盟导读: 本文对不同材料焊接钛合金的现状进行了总结;讨论钛及其合金同钢、铝合金、镁合金、镍基合金等的焊接,介绍用来提高焊接接头强度的改性技术以及异种材料的焊接的进展,对显微组织、机械性能和断裂特征等也进行了综述。 全文摘要: 自问世以来,激光束焊接作为一种高质量的熔接工艺,已成为一项成熟的、最先进的技术,在众多行业中呈现出巨大的

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江苏激光联盟导读:

本文对不同材料焊接钛合金的现状进行了总结;讨论钛及其合金同钢、铝合金、镁合金、镍基合金等的焊接,介绍用来提高焊接接头强度的改性技术以及异种材料的焊接的进展,对显微组织、机械性能和断裂特征等也进行了综述。

全文摘要:

 

自问世以来,激光束焊接作为一种高质量的熔接工艺,已成为一项成熟的、最先进的技术,在众多行业中呈现出巨大的增长。本文对钛合金与相应的钢、铝、镁、镍、铌、铜等异种材料的激光焊接技术的研究现状进行了综述。特别强调了关键工艺参数对冶金特征、抗拉强度、硬度变化、伸长率和残余应力的影响。利用激光偏置、分束、焊接-钎焊、混合焊接等技术,通过引入单层或多个夹层、填料和预切槽等改进工艺,提高了异种激光的可焊性。对金属间相的形成和分布现象、材料流动机制、它们与激光参数的关系以及它们对焊缝的微观结构、几何和力学方面的影响进行了详细和全面的研究。探讨了与缺陷演变相关的关键问题和相应的补救措施,并在主题表中总结了文献中报告的断裂特征的特征。

 

本文的目的在于强调学术界激光焊接钛合金的优点和发展趋势,以更好地在工业中开发该工艺,从而更大程度地探索其应用。

 

成果的Graphic Abstract 


1. 引言钛是一种有光泽的过渡元素,是地壳中第9位丰富的元素,比重为5.54g/cm3,密度为4.506g/cm3。Ti是仅次于铝(Al)、铁(Fe)和镁(Mg)的第四大最广泛使用的结构材料,与传统使用的工程合金如不锈钢(SS)、镍(Ni)、钴(Co)等相比,其重量较轻。此外,Ti与常用钢一样坚固,但密度要低得多,其高熔点(1670°C)使其可在高温中应用,而不会蠕变到550°C。例如,β-Ti合金的比强度为260kNm/kg,几乎是不锈钢304的4倍,是AA7075-T6的2.2倍,是InconelX-750的1.72倍。
强度外,钛合金是唯一一种在所有基本机械性能,包括刚度、疲劳寿命、强度、抗冲击性、生物相容性和腐蚀性等方面均表现出色的合金。然而,由于钛金属本身的成本较高,提取过程较困难,因此它们的使用一直受到限制。随着提取冶金技术的进步,世界市场上钛的成本从2005年的21美元/公斤下降到2017年的4.5美元/公斤,并在2009年达到最低点(2.5美元/公斤)。鉴于钛基材料的价格可观,进一步探索这种金属合金的潜力变得非常必要。
纯Ti的微观结构为密排六方(HCP)的α相,一旦加热到882°C以上,它就会发生同素异形相转变为由大量滑移系统组成的延展性BCC(体心立方)β相。这为Ti提供了一个主要优势,因为Ti的性能高度依赖于热处理,随后会受到激光焊接过程中加热和冷却循环的影响。Ti的合金化可以提高材料的二次性能、热机械加工、热处理强化和微观结构变化等。Ti的合金化是基于合金元素稳定初生α相或β相的能力,而初生α相和β相的稳定性取决于原子半径。例如,原子半径在0.85-1.15Å范围内的Al的溶质元素通过替换晶格中的一个体原子而扩散。而半径小于0.59的原子占据较大的溶剂原子之间的间隙位置。添加稳定元素以防止随后的相变,增加或减少β转移温度范围,并通过热处理提高机械性能。α相被各种元素如Al、O、N、Ga等稳定,而β相可以被Mo、V、W和Ta稳定。因此,钛合金可分为α合金、α+β合金、β合金和接近β合金。
Ti结构的生产需要采用涉及焊接和连接方法的工艺,这些方法通常通过基于焊接技术的熔合机制来完成。常用的焊接技术有钨惰性气体、金属惰性气体、等离子焊接等。这些焊接技术会产生更大的变形、更宽的热影响区(HAZ)和与显著残余应力共存的脆性微观结构。这些影响限制了这种传统焊接方法的使用。另外一种更理想、经过充分验证且高效的焊接技术可促进具有卓越服务特性的高质量焊缝的生产,这种焊接技术源自基于光子的制造技术,即激光焊接技术。激光焊接具有加工速度快、启动和停止能力强、能量密度高、室温和常压可焊性好、工件易于操作、精度更高、污染最小、能源效率高、工艺灵活性好、热影响区窄且随后畸变更小等潜在优点。这些特点使激光焊接成为迄今为止研究最多和目前应用最广泛的加工技术。
最近,与激光焊接和钛基合金连接相关的出版物数量迅速增加。在科学引文索引扩展(SCIE)数据库中以“titanium”“Ti”和“激光焊接”为关键词搜索,可以发现494篇文献,包括400篇期刊文章、114篇会议论文和2篇书籍章节,这些文献都呈现出明显的上升趋势。在现有的494篇文献中,自1999年后的20年里共455篇文献被发表,如图1所示。激光焊接的范围不仅限于材料科学领域,因此可以根据科学数据库中定义的类别对Ti基激光焊接的范围进行分类。图2列出了前15个主要类别的树状图,表明除了材料科学和工程外,钛基激光焊接在生物医学工程和牙科领域也很成熟,表明它们具有广泛的适用性。▲图1 近年来发表的文献数量不断增加

图2 基于科学分类的网络出版物树图
在较早的文献综述中,有一些文章讨论了激光焊接监测、激光混合焊接或真空下的激光焊接,而有些则只关注汽车应用的前景。其他则是一些特定的材料,如硝基醇和大块金属玻璃、铜和Mg、Al和Al-Li的轻金属合金。就作者所知,对具有重要商业意义的钛及其合金激光焊接的具体评论尚未涉及。随着期刊文章发表的不断增加,结合激光焊接钛合金的显微组织、相变和力学性能等特点,对激光焊接钛合金的作用进行详细的文献综述已成为必要。审查内容包括相关的问题和困难,采取的补救措施以及未来科学家进行研究需要预见的差距。该论文还打算通过科学证据探索和突出当前和潜在的应用,以支持激光焊接用于更广泛的工业应用
2. 钛合金激光焊接技术综述钛及其合金的激光焊接采用相似材料和不同的材料组合进行。然而,为了缩小本文的研究范围,对钛合金类似焊接的有限课题进行了研究。总的来说,研究人员已经努力研究和优化工艺参数对不同类型Ti合金的影响。对检查焊缝的小孔形成机制、孔隙发展、热流和几何特征至关重要的基础研究已经伴随着实验和模拟公式。同样,为了提高接头强度和抑制金属间化合物(IMC)的形成,采用了不同的焊接技术,对不同的焊接研究进行了剖析。因此,研究人员专注于激光偏移、焊接钎焊和混合焊接技术等激光加工方法的替代改进,并通过使用填充材料或添加单个或多个夹层对材料系统进行了改变。此外,还研究了接头类型、凹槽形状和凹槽角度对接头效率的影响。
以下各节系统地总结了用于评估机械性能的不同表征技术和标准以及钛基激光焊接的一般应用。同时,还对钛及其异种对应物的不同焊接方法进行了详细回顾。
2.1 表征技术研究人员采用了不同的技术来表征钛基焊接接头的材料和力学方面。在完成实验工作后,样品被准备用于微观结构检查或进一步的机械测试。通过光学显微镜进行初步检查以揭示微观结构,并使用特殊的色调过滤器来获得基于颜色的颗粒图。焊缝的几何形状和微观结构特征通过连接到能量色散X射线光谱仪的扫描电子显微镜进行评估,给出了一些原始的结果,这些结果提供了化学成分、元素和相组成的分析。
然而,为了详细地观察样品的微观结构,包括所有特征、确定样品的相和研究样品的晶体取向,高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)是首选。HRTEM同样需要将样品切割成非常薄的切片,然后进行电抛光。X射线衍射(XRD)已被专门用于检测熔合区(FZ)中存在的初级相和IMC相,以及焊接和断裂表面的界面。此外,XRD还可以获取焊接接头的残余应力分布,而原位高能XRD研究还可以显示焊接接头的晶格参数,并且根据热循环可以显示堆叠衍射图。通过相对可靠且很少使用的电子探针X射线微量分析仪(EPMA),可以更容易识别熔池对流过程中的元素扩散和精确分布以及C、O和N等杂质的存在。
电子背散射衍射(EBSD)是一种相对较新的应用技术,通过逆极图、晶界图和独特的粒色图,显示了晶粒尺寸、高角晶界、错位方向和相对于热流方向的生长方向。然而,EBSD的样品制备需要严格的措施来抛光。为了检索化学键形成数据和了解Ti基聚合物的接头的键合机制,近年来X射线光电子能谱(XPS)已被广泛利用。对于焊缝或断裂表面,还没有进行过原子力显微镜下的微纳米级表面形貌测量。焊接过程中的现场温度测量是使用红外热像仪和热电偶进行的,因为这些信息对于评估一段时间内的峰值温度和冷却速率至关重要。表面粗糙度以及接缝和表面轮廓的测量是由粗糙度测试仪进行的。物理特性和焊接完整性(包括裂纹和缺陷)通过染料渗透检查和泄漏试验进行测量。焊接接头的机械特性极其重要,需要仔细检查硬度、弹性模量、疲劳、拉伸、弯曲、扭转和断裂强度以及残余应力等特性。为了获得与晶粒尺寸有关的信息,已使用ImageJ等图像处理程序通过线性截距法估计平均晶粒尺寸分布。
2.2 表面处理由于Ti在高温下是敏感的和反应性的,因此在开始焊接处理之前需要非常小心。在焊接过程开始时的表面处理可能是相应焊缝几何形状、夹杂物和激光束吸收以产生小孔的决定性因素。通常,采用喷砂、化学清洁和研磨等处理方法,而已确定黑色油漆和石墨涂层会对强度产生影响。为了去除毛刺,在铸造或冷加工后,可以使用奥氏体不锈钢钢丝刷。开始焊接操作前的激光清洁可以随后改善表面特性并提高可焊性。化学清洗能够去除污染物和氧化物,并最终增强激光束的吸收。一些作者报道了在(HF:HNO3:H2O=1:4:5)的溶液中酸洗的方法,用37%的磷酸和丙酮冲洗,然后用超声波清洗去除焊接前的表面氧化物。在烤箱中干燥以去除水分,这也可能会影响加工过程。
为了揭示微观结构,根据所调查的材料种类进行了金相处理。重量损失和动电位极化检查可以帮助获得有关焊缝在各种腐蚀环境中的耐腐蚀性能的有用知识。
2.3 标准和规范所进行的焊接和机械测试应符合众多既定和公认的行业标准。然而,焊接标准并不是专门为激光焊接而制定的,而是旨在涵盖广泛的熔焊技术。例如,美国焊接协会(AWS)标准AWSD17.1:2001已被用于Ti-6Al-4V的激光束焊接,尽管该标准适用于通用熔焊。同样,欧洲标准BSEN4678:2011中包含的用于飞机应用的金属材料的激光束焊接特定标准符合Ti基焊接接头的焊接标准。该研究工作已被指定用于需要极其严格的焊缝检测标准和质量标准的航空航天应用。作者需要参考专门针对钛合金实施的指南,同时解释材料、填料、车间实践、设备、工艺、缺陷修复等的使用,这些在AWS G24/G2.4 M:2007中有详细描述。同样,AWS还提供了Ti的结构焊接规范(D1.9/D1.9 M:2015和A5.16/A5.16 M:2013),可用于以下研究实践。
打磨和抛光焊接样品以及随后的图像分析细节和规范可在本参考文献中找到。关于评估焊接试样的疲劳试验增长率,作者遵循了ASTM E647标准。如果金属的硬度值超过20HRC,使用洛氏硬度测试仪进行硬度评估需要ASTM-E18指南,用于特殊用途和有色合金材料。根据ASTM-E8M04和ASTM E3-13a规范,从焊接部分制备拉伸样品并在室温下进行测试。一些常用的标准是ASTM e3-11(金相试样制备)、ASTM E384-11e1(显微硬度测量)、ASTM G1(腐蚀速率)、ISO 10271(电化学测试)、ISO 17642-3:2005(E)(破坏性焊接测试)、HRN EN ISO 14 175:2008(保护气体)、B4.0(焊接机械测试、EN 10002-1(拉伸测试)、ASTM E23(V型缺口冲击实验)和ASTM E647(疲劳裂纹扩展速率)。
2.4 钛基激光焊缝的典型应用与钛合金激光焊接相关的主要应用(图3)包括生物医学设备制造、整形外科和假肢植入、运动器材、航空航天结构和发动机模块以及关键的石油化工结构等的制造。图3(a)显示了牙科框架典型部分的命名,图3(b)显示了通过激光焊接进行的框架修复。在图3(c)中,将Ti棒与Ti种植体进行激光焊接,作为猪下颌的离体裂口,并拍摄热像仪图像以确定温度分布。同样,激光焊接技术也用于修复和制造正畸微型种植体。头部经过铣削以校正C型种植体的角度,如图3(d),用失蜡技术制作舌部的基台(图3(e))。此后,这些现成的C型种植体头部零件随后与基台的定制舌侧部分进行激光焊接,如图3(f)所示。同样,可摘局部义齿上的扣环的激光焊接如图3(g)所示,激光焊接的牙科框架如图3(h)所示。如图3(i)所示,功能性电池驱动微刺激器(FEBPM)的钎焊外壳组件的孔眼到套圈的制造也需要激光焊接。除了生物医学应用外,由钛和钛合金制成的无缝管状产品(图3(j))的激光焊接在航空航天、海洋、化工、能源和运输技术领域也越来越受到关注。图3(k)显示了作为激光束焊接不同联合概念设计(AIRBUS)的乘客座椅轨道。
图3 激光焊接在(a,b)牙科框架(c)钛种植体(d、e和f)正畸微型种植体(g)可摘局部义齿(h)牙科框架(i)微刺激器(j)无缝管状产品(k)乘客座椅轨道中的应用。
由于更高的特异性强度、抗疲劳性和抗蠕变性、低弹性模量以及良好的生物相容性和出色的耐腐蚀性,这些应用已被人们意识到。激光焊接用于制造由含铂的Ti合金制成的厚壁管,以增强涉及热交换器管道的应用的耐腐蚀性。如Peter等人所提出的,发明涉及使用填充材料在熔池中获得预先确定的成分,从而提高异种Ti-Fe金属的可焊性。同样,为了保持Ti-Ti合金的焊接强度,Kakimi等人提出了一种Ti(0-3 wt% Al)填充材料。同样,William等人开发了基于金属陶瓷的复合接头。
钛合金的激光束不同焊接在飞机发动机(燃气轮机叶片、机舱中心梁框架和大舱壁)的结构应用中非常重要。飞机气动系统使用焊接钛接缝从发动机中排出热空气。在飞机机身制造中,由钛合金制成的机翼随后可以与铝机身连接,从而表明不同焊接的应用。Ti-3Al-2.5V焊接管由于其出色的冷成型性而广泛用于燃料传输和液压管线。
激光在制造业和生物材料领域的发展趋势可以通过已经申请或接受的专利来实现,这些专利用于制造各种设备和材料,例如微机电元件、支架、假肢关节、树脂薄膜精密生物医学设备、植入物、生物传感器、电池和其他医疗器械等。用于电池和心脏起搏器的薄铝箔需要焊接到钛上。
植入装置的密封(如套圈)可以用激光进行,而不损坏电子封装组件。类似地,由支架体和垫片组成的钛基正畸制品通常是焊接的。髋关节植入物需要通过焊接连接多孔的网状表面。随着近年来基于光子材料加工技术的进步,它的未来也被设想用于更多生物医学应用,这一点是十分重要的。例如,激光焊接可用于镍钛腔内假体装置的支架的远端和近端支柱的连接端。早在1982年就报道了用钛基材料焊接透明含硅材料(Corning GlassTm)的焊接布置系统。还制造了需要金属件位于冠部构件的外表面上的运动设备,例如高尔夫球杆。
3. 钛及其合金的激光焊接
3.1 流程概述激光焊接允许使用范围广泛的参数来精确控制热输入,这是以前无法实现的。例如,与其他传统熔融焊接技术相比,激光束焊接允许更高的焊接速度。激光焊接的快速性以及卓越的生产力和过程的可重复性使其适用于需要自动化的行业。焊缝的形成和质量受工艺参数的影响很大,脉冲激光参数的影响更大。例如,在不同材料的焊接中,由于热性质的差异,FZ中的熔池尺寸是不对称的。对于热导性相对较小的材料而言,熔池往往更大。除了热物理特性外,材料在入射激光束波长下的吸收特性会影响工艺效率、小孔稳定性、穿透深度,并可能导致缺陷的形成。图4比较了室温下各种金属材料的能量吸收率,表明Ti具有相当好的吸收特性。然而,一些金属的吸收率在达到熔化温度时会增加,它们的参考值在Xie等人的早期工作中有所说明。因此焊接特性变得依赖于材料的热物理特性。一些需要考虑的重要参数可以进行相应的分类:
  • 1-激光相关:有源介质、脉冲或连续光束、脉冲持续时间、脉冲频率、扫描速度、功率密度、峰值功率、入射角、功率平均值、光斑大小、光束位置等。

  • 2-材料相关:热物理特性、合金成分、热处理、几何尺寸、微观结构和接头结构。

  • 3-保护气体:气体流量、成分、结构和入射角。

  • 4-填充材料:成分、几何尺寸和热物理特性。

室温下不同金属材料在Nd:YAG激光(1064nm)相互作用下的吸收率。
不同材料的电导率差异直接影响焊缝的对称性、成分和不对称热传输。先前的一项研究扫描了正常接收到的钛板滚动方向的激光束。要连接的材料和接头配置以及端部形状之间的间隙是可以推导出焊接熔池几何形状的参数。激光焊接操作完全是一个复杂的参数云,因此可以推导出熔池的形状和特性,从而演化出焊接区域。
3.2 连续激光与脉冲激光激光焊接可以在连续波(CW)模式或脉冲波(PW)模式下进行PW模式提供了更好的控制、更平滑的接缝特性,同时产生更深的渗透。这是因为在CW模式下,可以控制的扫描速度、激光功率和间隔距离等参数数量较少。然而在PW模式下,除了扫描速度和焦距之外,还可以控制更多的参数,如脉冲功率、脉冲持续时间、脉冲形状、脉冲重复率。通过控制更多的参数,PW激光焊接具有热输入低、焊接周期更短、能量输入位置精度更高以及能够连接小部件的优点。
熔池特性、产生的相成分、焊缝的机械性能和失效模式都受到工艺中采用的脉冲分布的强烈影响。脉冲输入已经能够有效地减少IMC的形成并提高不锈钢(SS)/Ti基焊缝的均匀性。与矩形脉冲剖面相比,斜坡下降剖面传输的能量较少,从而减少了对流液体流动,从而减小焊缝尺寸。较小的Marangoni流动导致两相的混合程度较低,从而降低了最终影响断裂模式的脆性IMC形成的可能性。穿透深度和熔池宽度也是脉冲宽度和峰值功率的函数,如在Ti-6Al-4V的焊缝中所示。
与PW接头相比,Ti-2Al-1.5Mn的CW接头在焊缝凹面边缘的应力集中系数更高。较低的脉冲能量会在Ti-6Al-4V中产生一个浅而窄的熔池,这个熔池相对于高脉冲能量焊缝更加平滑。脉冲重叠也是影响击中点区域的脉冲组的一个因素。如脉冲能量、脉冲持续时间、脉冲重复率和行进速度等工艺参数的组合决定了重叠系数值。通过增加重叠、重新熔化和重新凝固,下一个脉冲的预热区域会扩大。

未完待续

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文章来源:Current research and development status of dissimilar materials laser welding of titanium and its alloys,Optics & Laser Technology,Volume 126, June 2020, 106090,https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106090

江苏激光联盟陈长军原创作品


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