随着科技的进步,激光加工的迅速发展为钛合金的焊接提供了新的可能,由于其具有能量集中,焊缝成形好,操作简单等优势,非常适合焊接钛合金材料,正在成为钛合金焊接的重要手段。相比于其他传统焊接方法,激光焊接具有能量集中、热影响区域小、焊缝成形好、易于自动焊接和监测等优点,适合于焊接钛及钛合金材料。由于钛及钛合金具有低热传导率和对红外线光高吸收率等物理特性,故激光焊接钛及钛合金更容易得到深穿透焊。激光焊接过程中重要的焊接参数有脉冲波形、激光功率、焊接速度、离焦量和保护气体流量等。通过适当地调整激光焊接相关工艺参数,就可以确保重复实现优良的焊缝成形。
日本学者Shinoda[12]等对β型钛合金Ti-22V-4Al薄板激光焊接的可焊性进行了研究,获得的焊缝组织室温机械性能与母材近似,随后他们研究了β型钛合金激光焊接接头的裂纹敏感性,结果发现,在高的热输入情况下,β型钛合金有很大的裂纹倾向[13];Tsay[14]研究了Ti6Al4V激光焊接接头微观组织对疲劳裂纹生长率的影响;Mourton[15]采用三水平全因子设计对CO2激光焊接8mm厚的Ti6Al4V的工艺参数进行了优化;刘金合等[16]采用三水平正交因子设计研究了Ti6Al4V的激光焊接工艺参数。目前,针对钛及钛合金的激光焊接,很多学者进行了相关的试验研究,但多针对的是厚板超过1mm的情况,涉及密封焊接工艺及性能的研究比较少,且未见到有关焊接后密封性能的研究[17-19]。
近年来,复合焊接方法逐渐进入大众的视野。在焊接钛合金薄板中,激光-电弧复合焊是一种新型的方法。激光-电弧复合焊接是将激光和电弧两种热源通过旁轴或同轴相结合并作用于工件的同一位置,实现金属材料连接的过程,它综合了激光焊接的高速度、高效率、低热输入和电弧焊接良好的桥连性,成为近年来焊接领域的一个研究热点。Steen[20]在上世纪80年代首次提出CO2激光-TIG电弧复合概念时就对0.8mm厚度的纯钛板进行了复合焊接试验,发现采用复合焊接,焊接速度可以提高2倍,显示出了复合焊接在薄板连接方面的优势。2009年,崔丽[21]研究了工业纯钛(1.5mm)的光纤激光-熔压极惰性气体保护焊复合焊接,发现立交量和两热源之间的距离对焊接横截面形状、焊缝、余高影响不大,而激光功率、电流、焊接速度对线能量的输入有直接影响,对焊接成型的影响则更大。2012年Murakami等[22]采用光纤激光-MIG电弧复合焊接钛板时可以通过调整工艺参数来优化焊接的咬边程度,并且认为焊接接头的力学性能和焊缝内的化学成分有关。但是对于薄板钛合金,MIG焊接时易发生电弧不稳定,且易产生烧穿和飞溅[23]。
考虑到薄板加工对精密度的要求,微束等离子弧焊接也是一种有效的加工方式。微束等离子弧焊接是高能量密度的焊接方法,其所选用的等离子弧种类为混合型等离子弧,电弧收缩度极高,能量集中[24],焊接过程中熔池容易控制,焊接热影响区小,焊缝具有成形精度高、焊接缺陷少、外形美观等优点,特别适用于薄板焊接[25],已成为TC4钛合金薄板焊接首选的工艺。2015年李杰勋[26]采用微束等离子熔焊工艺在钛合金表面制备钛基复合材料,选用优化后的工艺参数来熔覆制备不同合金成分的复合材料涂层,研究涂层的组织和性能,来探索出一种新的钛合金表面复合材料涂层制备工艺。
2.2钛-铁复合板对接焊
钛及钛合金构件的制造过程复杂,使用成本高昂,所以钛/铁的焊接研究几乎是伴随着钛的工业化发展同时进行的。由于钛的化学性质活泼,在400℃以上,极易受到氢、氧和氮的污染并使接头脆化,因此钛及钛合金与钢的焊接必须在惰性气体保护下或真空中进行。目前,钛/铁的焊接方法主要有弧焊、电子束焊、激光焊、摩擦焊、爆炸焊、扩散焊和钎焊等。
2.2.1弧焊
李标峰[27]曾尝试使用TIG焊方法,不加焊丝直接将纯钛和纯铁焊接起来,结果发现焊接过程中焊道便自行开裂,并有硬脆的焊珠脱落。钛与钢的直接焊接在国内外均有多次尝试,结果均以接头脆断而失败告终。原因在于焊接过程中产生的Ti-Fe金属间化合物使接头脆化[28],而由于钛和钢热膨胀系数等热物理性质的差异而产生的焊接应力则加速了接头的断裂。为了获得优质的钛/钢异种金属接头,在焊接过程中必须尽量避免产生这种脆性相。张小明[29]采用MIG爆方法,以成分为Cu-3%Si-1%Mn、直径0.8mm的细铜丝为焊丝,将1mm厚的'纯钛板焊接到12mm厚的SS400钢板表面,结果表明,接头抗拉强度达300MPa以上。李标峰[30]采用Ta和Cu做中间填料,具体做法是先将Ta与钛,Cu与钢焊接起来,再将Ta与Cu焊接在一起,间接实现了钛与钢板材的焊接。得到了强度为600MPa的接头,接头断裂于Ta与Cu的连接处。