超聲輔助激光鈦合金焊接工藝優(yōu)化研究

[18]。圖3.4顯微硬度儀如圖3.4所示，本實(shí)驗采用WILSONVH1102的硬度儀，對試樣硬度進(jìn)行測試，其型號為VH1102-01-0020。該設(shè)備為4位轉(zhuǎn)塔，轉(zhuǎn)塔有三個物鏡位置和一個壓頭位置，物鏡位置可裝10x、50x、100x等物鏡，壓頭可以安裝維氏壓頭和努氏壓頭。此外，該設(shè)備的加載選項是通過觸摸屏界面控制，不需要我們手動操作，大大提高了實(shí)驗的準(zhǔn)確性，同時，它的壓入系統(tǒng)也極為重要，它與準(zhǔn)確的壓痕測量系統(tǒng)相結(jié)合，使測得的參數(shù)更加準(zhǔn)確，并提高了工作效率。測得數(shù)據(jù)后，我們可通過顯示器直觀的觀察到硬度的變化，有助于后續(xù)實(shí)驗以及實(shí)驗結(jié)果的分析。實(shí)驗中采用10X，50X的物鏡以及金剛石壓頭來進(jìn)行實(shí)驗，分別在三個金相試樣上共計打216個測試點(diǎn)，即每個試樣72個測試點(diǎn)，使用測試力為HV0.5，保載時間確定為15s，最后收集實(shí)驗數(shù)據(jù)，并繪制顯微硬度云圖。4鈦合金堆焊用TA1純鈦板性能研究4.1TA1成分及性能TA1是一種工業(yè)純鈦，具有高熔點(diǎn)（其熔點(diǎn)在1668℃左右）、高比強(qiáng)度和極高的化學(xué)活性。當(dāng)鈦暴露在空氣中時，表面會形成一層致密的氧化膜來保護(hù)它。工業(yè)純鈦一般含有顆粒雜質(zhì)，可促使鈦被強(qiáng)化。TA1中含有Fe：0.25%，C：0.10%，N：0.03%，O:0.015%，實(shí)質(zhì)上是一種低合金含量的鈦合金。力學(xué)性能如下表4.1所示。表4.1鈦合金板材的橫向室溫力學(xué)性能牌號狀態(tài)板材厚度/nm抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa伸長率/%TA1M0.3-1.02.1-5.05.1-10.0370-530250403030圖4.1所示，為此次焊接實(shí)驗的脈沖工藝測試圖。本次實(shí)驗使用脈沖激光焊接的方法，超聲波輔助在TA1純鈦板上進(jìn)行了10道不同工藝的焊接測試。圖4.1脈沖工藝測試圖表4.2所示，焊接功率為500-700W，焊接速度為600-1500mm/min。通過對比10道焊縫的成型質(zhì)量，焊縫的寬度，以及熱輸入等各方面的結(jié)果，最終選擇焊接功率為600W，焊接速度為600mm/min的焊接工藝，該工藝下的焊縫成型質(zhì)量，寬度等均相對較好，且無明顯的焊接缺陷及氣孔等，適合進(jìn)行下一步實(shí)驗及最終的實(shí)驗結(jié)果分析。表4.2焊接功率與速率序號功率（W）速度（mm/min）15001200250010003500800460010005600600660080076001000850015009600600107008004.2TA1純鈦板在不同超聲波頻率下的微觀組織分析焊縫的熱力學(xué)性能，是影響焊接接頭可靠性的最主要原因。其中，強(qiáng)度和韌性是非常重要的性能指標(biāo)。在一定的條件下，焊縫中極易形成較為粗大的柱狀晶體，會降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性。粗大的柱狀晶體會引起熱裂紋，導(dǎo)致性能變差。同時，焊縫抗結(jié)晶腐蝕能也不好。因此，細(xì)化熔池的結(jié)晶結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。如圖4.2所示，為焊接后的微觀組織圖。a）不加超聲波的TA1組織圖b)加1200W超聲波的TA1組織圖c）加1600W超聲波的TA1組織圖圖4.2施加不同頻率超聲鈦合金金相組織圖鈦合金具有獨(dú)特的物理特性，激光焊接有自身特點(diǎn)，焊縫靠近熔合區(qū)處易產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的柱狀晶，焊縫中心的晶粒也會長大，這些現(xiàn)象會影響焊接接頭的強(qiáng)度和使用性能。圖4.2a)是沒有超聲波應(yīng)用的組織圖。其組織為針狀馬氏體。接合處有一個柱狀晶體區(qū)。熱影響區(qū)和焊接區(qū)的晶粒較粗。如圖4.2b)和c)所示，分別施加1200W和1600W超聲波。超聲波應(yīng)用后，一些柱狀晶體被等軸晶體取代。通過比較可以看出，超聲波應(yīng)用前后，晶粒形狀沒有明顯變化，但晶粒尺寸略有減小，因此超聲波應(yīng)用后焊縫晶粒細(xì)化。圖4.3是顯微組織圖的200倍放大，從中可以更清楚地觀察到晶粒的變化。a)不加超聲波組織圖b)加1200W超聲波組織圖c)加1600W超聲波組織圖圖4.3200倍放大組織圖4.3TA1純鈦板在不同超聲波頻率下的拉伸性能如下圖4.4所示，TA1在拉伸時發(fā)生韌性斷裂，在斷裂前，有明顯的撕裂過程，通過對比發(fā)現(xiàn)，不論是不施加超聲或是施加1200W、1600W的超聲，拉伸曲線無明顯變化（圖4.5），因此，超聲輔助對TA1激光焊接的拉伸性能影響不大。a.拉伸前b.拉伸后圖4.4拉伸圖圖4.5TA1拉伸力-伸長曲線4.4TA1純鈦板在不同超聲波頻率下的硬度硬度實(shí)驗?zāi)軌蚋訙?zhǔn)確的反應(yīng)出金屬材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的差異，因而被廣泛的用于檢查金屬材料的性能或者研究金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。如下圖4.6和圖4.7所示，未施加超聲時，TA1板材的焊縫和熱影響區(qū)的硬度較低，當(dāng)施加1200W的超聲時，板材靠近母材的熱影響區(qū)的硬度明顯增加，同時，與未施加超聲的板材相比，焊縫處的硬度也有所提升。當(dāng)施加1600W的超聲時，焊縫和熱影響區(qū)的硬度最大。因此，施加超聲可以改善焊接后焊縫的硬度，使板材的力學(xué)性能得到一定程度的提高。圖4.6云圖組織圖4.7硬度云圖4.5超聲波輔助焊接后TA1純鈦板的各項性能差異通過實(shí)驗對比發(fā)現(xiàn)，未加超聲波時，從宏觀形貌上看，TA1試樣的晶粒尺寸比較大，焊縫表面質(zhì)量一般，相對不均勻且焊縫寬度最大，從微觀上來看晶粒形狀大多為柱狀晶或樹枝晶，從硬度方面來看，其顯微硬度值最高為155HV，最低為114HV;施加1200W超聲輔助后，從宏觀形貌上看，TA1試樣的晶粒尺寸相對不加超聲時有明顯減小，焊縫表面質(zhì)量有所改善，均勻程度有一定的提高，且焊縫寬度略有減小，從微觀上看晶粒形狀由原本的主要柱狀晶和樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，從硬度方面來看，其顯微硬度最高為165HV,最低為112HV；施加1600W的超聲輔助后，從宏觀形貌上看，TA1試樣的晶粒尺寸相對不加超聲時和加1200W超聲時更加細(xì)小，焊縫表面質(zhì)量最好，均勻程度最好，且焊縫寬度為三者中最小，從微觀上看晶粒形狀也主要為等軸晶，從硬度方面來看，其顯微硬度最高為175HV，最低為116HV?？傊?，相比于不加超聲的TA1試樣，加了超聲波之后的TA1試樣其宏觀形貌，微觀組織，硬度等均有了明顯變化，焊縫表面平整美觀，晶粒得到細(xì)化，但其拉伸性能并沒有因為超聲波的加入而改變，也沒有因為超聲波功率的增加而改變。此外，超聲波的加入，對金屬激光焊接還是有一定影響的。5實(shí)驗總結(jié)鈦合金的優(yōu)良性能，使其在工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了很大的作用，激光焊接技術(shù)的發(fā)展為鈦合金焊接提供了更為良好的手段，提高了鈦合金的質(zhì)量，而考慮到鈦合金焊接的特點(diǎn)，在用激光進(jìn)行鈦合金焊接時，施加超聲輔助，可以大大改善其各種性能，使其質(zhì)量有明顯提升。實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn)，采用超聲輔助激光焊接工藝，可以有效改善鈦合金激光焊接成形不好的問題，施加超聲后，焊縫表面平整美觀，魚鱗紋更加明顯，同時，在焊接過程中施加超聲輔助后，焊縫晶粒得到細(xì)化，氣孔缺陷和焊縫裂紋有了顯著改善，此外，由于組織的變化，焊接接頭的力學(xué)性能有了明顯提高。本文實(shí)驗通過在TA1試板激光焊接實(shí)驗中加入不同功率的超聲波，通過對TA1試樣的宏觀形貌，微觀組織，拉伸性能，顯微硬度等方面進(jìn)行了一系列的試驗論證和結(jié)果研究，通過不加超聲波的TA1試板與加超聲波的TA1試板，加低功率的超聲波的TA1試板，以及加高功率的TA1試板的各項性能指標(biāo)對比，通過對試驗的最終結(jié)果分析論證，最終得出結(jié)論，即加入超聲波對激光焊接有著明顯的影響，其可以改善金屬的組織形貌及力學(xué)性能等一些指標(biāo)。參考文獻(xiàn)劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.3.TsayLW，DiIlgYS，ChugWC．NotchedtellsilSP-700laserwelds[J].MaterialsLeuers.2008，62(6—7)：1114-1117.陳錫源,陳俐,常明,何恩光.SP700鈦合金激光焊的焊縫成形與性能分析[J].焊接學(xué)報.2018(06).陸斌鋒,蘆鳳桂,唐新華.激光焊接工藝的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].焊接,2008(4):53-57.PugaH,CostaS,BarbosaJ,etal.InfluenceofultrasonicmelttreatmentonmicrostructureandmechanicalpropertiesofAlSi9Cu3alloy.JMaterProcessTech,2011,211:1729–1735.閆久春,楊春利,劉會杰等.超聲復(fù)合焊接研究現(xiàn)狀及科學(xué)問題[J].機(jī)械工程學(xué)報,2015,24:41-49.肖永清.鋁合金汽車配件的焊接技術(shù)[J].鋁加工，2009（1）：27-32.朱政強(qiáng)，吳宗輝，范靜輝．超聲波金屬焊接的研究現(xiàn)狀與展望[J].焊接技術(shù)，2010，39(12)：1-6.郭亨通，張登明，等，5A06鋁合金超聲輔助激光填絲焊接焊縫成形及組織性能研究[J].中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2020.耿紀(jì)龍，辛立軍，超聲輔助激光焊接AZ31B合金接頭組織與性能研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018.趙曉龍，鈦合金激光焊接工藝特性研究[J].前沿技術(shù)，2020，06-0168.朱有利，王燕禮，邊飛龍，等.金屬材料超聲表面強(qiáng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報，2014，50(20)：35-45.單際國，董祖玨，徐濱士．我國堆焊技術(shù)的發(fā)展及其在基礎(chǔ)工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國表面工程，2002，15（4）：19－22.趙昆，程志國.優(yōu)質(zhì)高耐磨性堆焊技術(shù)-復(fù)合材料等離子弧堆焊及其現(xiàn)狀[J].焊接，1999(2)：5-8.韓志勇，秦川，TC4鈦合金微束等離子弧堆焊接頭成形研究[J].焊接技術(shù).2015.ClarkD,BacheMR,Whittake