tc4钛合金焊接成形组合工艺探究

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1、TC4钛合金焊接成形组合工艺探究　　【摘要】本文将超塑成形（SPF）和激光焊接技术（LW）相结合，开发激光焊接/超塑成形组合工艺（LW/SPF），研究TC4钛合金激光叠焊接头的超塑性变形行为，并对超塑性变形前后的显微组织进行分析.结果表明，TC4钛合金激光叠焊接头能够承受焊板的变形，试样在母材断裂，并通过四层板的模拟件研制验证了超塑成形/激光焊组合工艺工业应用的可行性。【关键词】TC4钛合金；激光焊接/超塑成形；组合工艺；微观组织；叠焊接头钦合金是工程领域最重要的结构材料.钛合金“超塑成形/扩散连接”

2、（“SPF/DB”）是一种低成本、高效益、近无余量的组合成形工艺，在航空、航天发动机和飞行器结构件制造方面具有独特的技术优势，获得了广泛的应用。但是，传统的钛合金DB/SPF组合工艺仍暴露出相当多的问题和局限陛，这种局限性均源于扩散连接的固有特息（连接时间长、连接过程需较大压力、对复杂结构适应性差等）。近年来国内外学者研究发展钛合金“熔焊/超塑成形”或“熔焊/扩散连接/超塑成形”组合工艺，以替代或改进现有DB/SPF工艺技术，目前，国内外所涉及的熔焊方法主要有氩弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊等

3、。6很明显，要能够与超塑成形匹配形成组合工艺，所采用的焊接方法必须首先在焊接工艺特点上与超塑成形工艺相适应，激光焊接能量密度高、焊接速度大，其焊缝宽度与钛合金薄板多层结构超塑成形的要求最为吻合，而且，与电弧类焊接方法（如氩弧焊、等离子弧焊等）相比，激光焊具有热影响区窄、焊件变形小、焊缝组织细小等特点，有利于保证接头的性能和超塑性；与真空电子束焊相比，无需真空条件且适合于焊接薄板，对结构的适应性强，是最适合与超塑成形技术匹配形成“激光焊/超塑成形”或“激光焊/扩散连接/超塑成形”组合工艺的焊接方法。本文

4、将超塑成形（SPF）和激光焊接技术（LW）相结合，开发激光焊接/超塑成形组合工艺（LW/SPF），研究TC4钛合金激光焊板的超塑性变形行为，并采用激光叠焊/超塑成形制作四层结构模拟构件，验证其工业应用的可行性。1、试验试验材料为细晶TC4钛合金板材，厚度为0.8mm，钛合金焊前应进行严格清理，激光焊接设备使用本研究室的Lase4000C02轴流激光器，额定输出功率为4kW，光束模式为TEMOI，透射镜聚焦，焦距f=190.5mm，采用激光焊接获得成形良好的TC4钛合金叠焊接头。2、结果与分析2.1TC

5、4钛合金激光叠焊接头显微组织6接头截面组织，三维晶粒的不同取向使二维截面组织中的晶粒呈各种不同的形态，合金元素在β相区温度范围内的扩散速率是在α相区扩散速率的100倍左右，柱晶区焊缝高温停留时间长，原始β品粒粗大，晶粒尺寸为0.3-0.8mm，是母材晶粒尺寸的40-60倍，焊缝快速冷却过程中原始β晶粒内部发生马氏体相变，针状α’马氏体相在原始β柱状晶内部形核长大，导致焊缝形成了典形的网篮状组织。上板焊缝和下板焊缝内部组织.上板焊缝内部马氏体分布更密集，这是由于上板焊缝吸收的激光能量大于下板造成的，激光

6、能量作用越强，熔池的能量越高，其熔池搅拌作用也越强，马氏体针分布更加密集，热影响区（HAZ）为α+β+α’组织，该区域的针状马氏体比焊缝少，也更加细小，由于热影响区内各部分与熔池距离的不同，所受的影响也不同，靠近熔合线部分较之远离熔合线的区域晶粒更为粗大，针状马氏体数量多且更密集。2.2TC4钛合金激光叠焊板超塑性变形TC4钛合金激光叠焊板超塑性变形后，接头区域均未断裂，接头与母材交界面未脱离，接头表面未出现明显的褶皱，叠焊试样的峰值流变应力低于56MPa，延伸率可达530%，表明TC4钛合金叠焊试样

7、具有良好的超塑性变形能力。6超塑性变形温度对焊板峰值流变应力的影响，随着变形温度的升高，叠焊板的流变应力减小，超塑性变形能力增加，在同一变形温度下，峰值流变应力随着初始应变速率的降低而减小。例如拉伸温度恒定900℃条件下，初始应变速率增加至10-2S-1，峰值流变应力39.75MPa，当初始应变速率为l0-3S-1时，峰值流变应力为10.5MPa。在相同初始应变速率条件下，延伸率随温度的升高而增加明显.初始应变速率对试样的延伸率影响不是太明显.这种现象是由于接头对焊板超塑性变形颈缩与抗颈缩过程的阻碍作

8、用引起的。2.3激光叠焊板超塑性变形显微组织通过900℃、10-3S-1时激光叠焊接头超塑性变形后各区域显微组织的拉伸方向，中间连接焊缝因承受剪切力而发生明显错位，未发生变形的焊缝区域显微组织，焊缝中心组织为长片状组织，说明在高温作用下，焊缝组织发生了由针状马氏体α’—α+β的一次组织转变，但由于此区域未受到应力变形的作用，因此没有发生片层组织到等轴组织的二次转变。发生变形的焊缝区域显微组织，此区域的片层组织更加短小，分布也更杂乱，说明在变形应力的作用下