一种超声辅助激光焊接增材制造钛合金的方法技术

一种超声辅助激光焊接增材制造钛合金的方法，属于新材料激光焊接领域。钛合金增材制造(AM)件的焊接具有重要的工程应用前景，但传统熔化焊接钛合金AM件时会出现接头塑性大幅度降低的问题。本发明专利技术基于引入外部物理场辅助焊接的研究，提出一种钛合金AM件超声辅助激光焊接新方法，将超声场引入激光焊接钛合金AM件过程中。借助超声对金属熔体的空化效应及机械效应等，减少气孔形成，降低焊缝气孔率；同时破碎焊缝中形成的粗大的β柱状晶，抑制硬脆α'针状马氏体长大，细化晶粒，从而改善接头塑性，获得良好综合力学性能。采用本方法进行焊接，可大大提高材料的利用率，降低焊接成本。该方法不需要另外加工坡口即可直接焊接，焊接效率更高。更高。

【技术实现步骤摘要】
一种超声辅助激光焊接增材制造钛合金的方法


[0001]本专利技术属于新材料激光焊接领域，具体地说，本专利技术涉及一种增材制造钛合金的超声辅助激光焊接方法。

技术介绍

[0002]钛合金作为一种轻金属合金材料，具有高韧性、高比强度、高比模量、耐蚀性、生物相容性以及易加工等优良的综合性能，在现代制造中越来越多地取代了钢或铝等传统材料，广泛应用在航空航天及其发动机结构、生物医药等多个领域中。随着飞机轻量化需求的不断增长，航空发动机零件的形状和结构越来越复杂，对钛合金结构轻量化及性能提出了更高要求，传统的制造技术已经难以满足对钛合金精密复杂零件的需求。增材制造(Additive Manufacturing，AM)相对于传统制造技术具有显著的优势，AM技术的出现解决了钛合金精密构件制造的难题，钛合金AM成形材料用量和所占比例不断增大，已经成为国内外航空钛合金先进制造领域的研究热点。
[0003]AM技术是一项集合数字化信息、自动控制技术、光电技术和材料等多领域于一体的先进制造技术，与传统的减材制造技术相比，其将复杂材料分层制造，逐层累加，使材料从数字模型直接形成具有内在工程特征或具有复杂几何形状的构件。其中，金属增材制造技术按热源分类可以分为激光束、电子束和电弧，按原材料物理状态可以分为粉末和丝状。金属增材制造中主要技术分别为激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术、电子束熔融成形(Electron Beam Melting，EBM)技术、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)技术和电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)技术，其中，SLM技术是最常用的金属增材制造工艺。SLM技术具有成形精度高、表面质量好及可制造形状复杂零件等优势，可有效减少传统制造工艺中焊缝和零部件数量，从而实现高可靠性、集约化和轻量化制造，尤其适合复杂结构零件的精密快速制造。
[0004]然而，受到粉床AM成形腔尺寸的限制，或者复杂结构件的多功能需求，或者基于AM直接成形大尺寸结构件的成本考虑，大尺寸复杂结构AM成形材料往往难以直接实现，为此，很多情况下都要涉及到将单独的AM成形材料，或者将AM成形材料与其他传统材料的连接问题，焊接作为一种优质、高效的连接手段是解决此问题的首选。同时，这些AM成形材料在后续加工和使用过程中，可能会出现零件损伤失效的情况，如整体报废或更换，会造成极大的材料资源浪费，提高生产成本。因此，往往采用焊接技术进行有效修复，恢复其使用性能，延长使用寿命。
[0005]目前，国内外钛合金AM成形材料的焊接研究尚处于起步阶段，对AM成形材料的焊接方面的研究报道有限，对钛合金SLM件的焊接研究主要集中在激光焊接及电子束焊接方面。采用上述高能束焊接方法焊接时，焊缝中会出现粗大的β柱状晶及因快冷形成的大量硬脆的α'针状马氏体组织，这使得焊缝处的显微硬度明显增大，接头断后延伸率大幅降低，塑性极差，严重影响了实际工程应用。因此，亟需探索一种新型的焊接方法在保证接头强度的情况下，在一定程度上提高接头延伸率，以便于推动钛合金SLM件的实际工程应用。
[0006]查阅文献发现，近年来焊接学者们进行了一些引入外部物理场辅助焊接的研究，包括超声辅助焊接、脉冲电流辅助焊接和磁场辅助焊接技术等新方法，以达到细化焊缝晶粒、提高接头质量的目的。鉴于超声在金属熔体中的有益作用，越来越多的研究学者将超声引入到焊接领域，在焊接过程中通过变幅杆将超声震动传递到工件表面，通过超声作用于焊接熔池产生的声空化及声流效应，影响焊接熔池的流动及凝固行为，细化焊缝金属晶粒，改善组织的不均匀性，并减少焊接气孔等缺陷，从而提高接头的综合力学性能。
[0007]Lei等进行了AZ31B镁合金超声辅助激光焊接，研究表明，施加超声辅助可以显著提高AZ31B镁合金激光焊接接头的力学性能，抗拉强度提高了约7％，焊缝中心区域等轴晶数量增加。耿纪龙等对AZ31B镁合金进行了超声辅助脉冲激光焊接研究，研究表明，施加超声辅助可以降低热影响区的尺寸，超声的空化和声流效应改变了AZ31B镁合金焊缝中晶粒的生长方向，接头强度、硬度增加。这些将超声场引入激光焊接中的研究成果，为本申请钛合金SLM件焊接接头综合力学性能的提升提供了一种可行的新思路。
[0008]基于超声能场对焊接过程中熔体的有益作用，采用激光焊接钛合金SLM件时，通过超声变幅杆将超声波传入熔池，来实现SLM件的连接。因超声对熔体的搅拌作用会使得粗大的柱状晶破碎，达到细化晶粒的目的；同时超声能场将产生热量降低熔池的冷却速度，减少硬脆α'针状马氏体组织的形成，从而得到拥有良好综合力学性能的接头。

技术实现思路

[0009]本专利技术针对上述钛合金AM件熔化焊接存在的问题以及超声能场用于焊接的优势，提出一种AM钛合金的超声辅助激光焊接方法，可实现AM钛合金的高效、优质焊接，获得良好综合力学性能的焊接接头。该方法具有很高的新颖性与实用性。
[0010]本实施方式的一种AM钛合金的超声辅助激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
[0011]一、在焊接前将焊件的工件表面及对接面进行机械打磨，之后进行化学清洗并使用丙酮进行清洗；
[0012]二、将清洗后的工件对接固定在焊接工装夹具上，超声发生装置端头距离待焊工件表面5～15cm；将激光头调整与竖直方向夹角至8
°
～11
°
，激光束照射在母材对接缝处；
[0013]三、激光离焦量为
‑
3～+3mm，激光功率为1000～3000W，焊接速度为20～60mm/s，超声振动频率为10kHz～80kHz，振幅为5μm～28μm。保护气采用Ar气或其他混合气体，正反双面保护，流量为10～40L/min；
[0014]四、实际焊接中采用计算机设定焊接参数，首先施加超声振动，而后激光器发出激光，最后控制机器人运动完成超声辅助激光焊接过程。
[0015]所述的钛合金选自TA2、TA15和TC4等。
[0016]所述地超声施加装置可以放置在母材上部，也可以放置在母材下部，只需保证端头距母材距离合适，超声波可以作用于母材即可。
[0017]激光器为CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。
[0018]采用本专利技术的超声辅助激光焊接钛合金SLM件，与常规激光焊接相比，其焊缝拥有更好的力学性能。本专利技术的焊接方法可有效减小焊缝中β柱状晶的尺寸、降低气孔率及减少硬脆α'针状马氏体的数量，原理有以下几方面：
[0019]第一，在焊接过程中施加超声，超声波在金属熔体中传播时，声压超过空化阈值后熔体内会产生空化效应，超声空化发生时会产生声射流及冲击波，声射流及冲击波对晶粒根部产生较大的冲击力，导致晶粒破碎，从而减小β柱状晶尺寸；同时超声能量能够促使非均质形核质点润湿，降低形核功，这二者均可以促进形核细化晶粒，使得强度，延伸率得到提升。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金增材制造(AM)件的超声辅助激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：一、在焊接前将焊件的工件表面及对接面进行机械打磨，之后进行化学清洗并使用丙酮进行清洗；二、将清洗后的工件对接固定在焊接工装夹具上，超声发生装置端头距离待焊工件表面5～15cm；将激光头调整与竖直方向夹角至8
°
～11
°
，激光束照射在母材对接缝处；三、激光离焦量为
‑
3～+3mm，激光功率为1000～3000W，焊接速度为20～60mm/s，超声振动频率为10kHz～80kHz，振幅为5μm～28μm；保护气采用Ar气或其他混合气体，正反双面保护...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔丽，武德凡，田天，吴旭，贺定勇，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：