李海剛 原 璋 程 昊 蒲海濤常保華 都 東 單際國

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）（2 清華大學機械工程系先進成形制造教育部重點實驗室，北京 100084）

0 引言

TC4鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好的優(yōu)勢，在航天、航空領域得到了廣泛的應用，例如軍用和民用飛機、人造衛(wèi)星殼體、航天器燃料箱等等［1－3］。 焊接是航天航空零件加工的一種重要手段，可以有效減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低加工成本［4］。激光焊接功率密度大，焊接熱影響區(qū)?。?］，易于實現(xiàn)不同空間位姿下復雜軌跡、高柔性低熱輸入的加工。氣孔是激光焊接中一類典型的缺陷，顯著影響焊接接頭的性能。國內(nèi)外學者針對不同空間位置的激光焊接、激光焊接中的氣孔等問題進行了研究。

GUO等［6］對平焊和橫焊兩種位置下的S700高強鋼激光焊接進行了對比研究，研究結(jié)果表明，與平焊相比，橫焊位置下的焊接缺陷（如咬邊和焊縫下沉）都有所緩解，其原因是橫焊位置實現(xiàn)了熔池表面張力、流體靜壓力（重力）和金屬蒸汽的反沖壓力三者的平衡。MUHAMMAD等［7］對不同空間位置下激光焊接低碳鋼進行了研究，指出不同空間位置下熔池形貌差別不大，但是對氣孔結(jié)構(gòu)有顯著的影響。GOUSSAIN等人［8］對幾種材料厚板的多位置CO2激光焊接進行了研究，發(fā)現(xiàn)空間位置對焊接熔深有顯著影響，不同位置下所對應的最優(yōu)焊接參數(shù)不同。因此，研究不同位置下激光工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，對于設計和規(guī)劃焊接位置與焊接路徑、優(yōu)化不同位置下的焊接工藝參數(shù)有重要意義。對于TC4鈦合金在不同空間位置下激光焊接的接頭質(zhì)量，目前尚未見到相關報道。為此，本文研究了平焊、橫焊兩種位置下，工藝參數(shù)對于焊接接頭內(nèi)氣孔缺陷的影響。

1 試驗

1.1 材料及設備

TC4鈦合金板，板厚為3 mm。在焊接前，首先對板材進行酸洗，并用丙酮擦拭表面，除去油污等有機物。試驗采用德國IPG公司生產(chǎn)的YLS－6000型光纖激光加工系統(tǒng)，配合德國REIS公司生產(chǎn)的REPCC15龍門式機器人進行焊接，焊接過程中采用高純氬氣保護。

根據(jù) L9（33）［9］，對兩種位置分別設計正交表（表1）。試驗中，焊接功率、速度、離焦量3個因素各有3個水平，兩種焊接位置分別進行9次實驗。接頭形式為對接，每塊試板的尺寸為3 mm×100 mm×250 mm。

表1 平焊和橫焊正交試驗參數(shù)設計Tab.1 Orthogonal experiment parameters design in flat and horizontal positions

1.2 性能測試

對每組參數(shù)所對應的一條焊縫進行X射線檢驗，使用工業(yè)觀片燈觀察并測量X光片中氣孔的累計長度。按照航天行業(yè)標準QJ1666A—2011［10］中的I級焊縫要求對內(nèi)部質(zhì)量進行評定。

2 結(jié)果與分析

2.1 平焊試樣氣孔分析

按照表1中的參數(shù)進行平焊條件下的9組正交試驗，完成后對焊縫進行X光檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，9條焊縫中均存在不同程度的氣孔。氣孔主要位于焊縫的中部，呈零散的點狀分布或者聚集成鏈。其中，激光功率為2.5 kW，焊接速度為14 mm／s，離焦量為－2 mm時，焊縫中氣孔含量最多，呈鏈狀聚集（圖1）。

圖1 平焊焊縫中出現(xiàn)的大量氣孔Fig.1 Porosities in the weld of flat welding

對氣孔數(shù)量進行定量統(tǒng)計（表2），對結(jié)果進行極差分析（表3）。表3中，K值表示該因素該水平對指標的總影響，K均值表示該因素該水平對指標的平均影響，R值為該因素各K均值的最大差別，反映了該因素對指標影響的大小，R值越大，該因素對指標的影響越大。將K均值隨因素水平變化的情況繪制為折線圖，如圖2所示。

表2 平焊正交試驗數(shù)據(jù)表Tab.2 Orthogonal experiment data sheet for flat welding

表3 平焊極差分析數(shù)據(jù)表Tab.3 Range analysis data sheet for flat welding

極差分析的結(jié)果說明，平焊條件下，對氣孔生成量影響最大的工藝參數(shù)為功率和離焦量，接下來為焊接速度，功率和離焦量的影響程度較為接近。氣孔的生成量隨激光功率、離焦量的增大，先減小后增加，隨焊接速度的增加，先增大后減小。根據(jù)正交試驗結(jié)果，平焊條件下最優(yōu)焊接參數(shù)為：激光功率2.2 kW，焊接速度20 mm／s，離焦量0。

圖2 平焊時氣孔生成量隨各因素水平變化情況Fig.2 Change of porosity formation with different factors and levels for flat welding

2.2 橫焊試樣氣孔分析

按照表1中設計的參數(shù)進行橫焊條件下的9組正交試驗，完成后對焊縫進行X光檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，9條焊縫中均存在不同程度的氣孔，氣孔多位于焊縫背離重力方向一側(cè)，氣孔大小不一，分散分布。其中，激光功率為2.5 kW，焊接速度為14 mm／s，離焦量為－2 mm時，焊縫氣孔含量最多，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，橫焊過程中產(chǎn)生的氣孔，形態(tài)和分布與平焊時有著很大的不同。對氣孔數(shù)量進行定量統(tǒng)計（表4），對結(jié)果進行極差分析（表5）。將K均值隨因素水平變化的情況繪制為折線圖（圖4）。

圖3 橫焊焊縫中出現(xiàn)的大量氣孔Fig.3 Porosities in weld of horizontal welding

表4 橫焊正交試驗數(shù)據(jù)表Tab.4 Orthogonal experiment data sheet for horizontal welding

表5 橫焊極差分析數(shù)據(jù)表Tab.5 Range analysis data sheet for horizontal welding

圖4 橫焊時氣孔生成量隨各因素水平的變化情況Fig.4 Change of porosity formation with different factors and levels for horizontal welding

極差分析的結(jié)果說明，橫焊條件下，對氣孔生成量影響最大的工藝參數(shù)為焊接速度，接下來分別為功率和離焦量。焊接速度的影響遠大于功率和離焦量。氣孔的生成量隨焊接速度的增加、激光功率的減小而減小，離焦量改變時變化不大。

根據(jù)正交試驗的結(jié)果，橫焊條件下最優(yōu)焊接參數(shù)為：激光功率 2.1 kW，焊接速度 20 mm／s，離焦量 0。

2.3 優(yōu)化工藝參數(shù)的驗證

利用上文在極差分析中得到的優(yōu)化參數(shù)，進行驗證性試驗，兩種焊縫X光片（圖5）。

圖5 兩種焊縫X光片F(xiàn)ig.5 Optimized result for horizontal welding and flat welding

對氣孔進行定量測量，平焊焊縫中100 mm區(qū)域內(nèi)氣孔總長為6.5 mm，橫焊焊縫中100 mm區(qū)域內(nèi)氣孔總長為3.8 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)，平焊焊縫中氣孔總長雖沒有達到最小值，但含量較低，僅高于表2中的實驗9，這是由于盡管激光焊接質(zhì)量基本穩(wěn)定，但相同參數(shù)下不同焊道中的氣孔量仍可能存在小范圍波動；橫焊焊縫中的氣孔含量相比9組正交試驗大幅減少，優(yōu)化效果十分顯著。

2.4 兩種焊接位置的對比

對比2.1和2.2中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同焊接位置下，工藝參數(shù)對氣孔的生成規(guī)律產(chǎn)生了不同的影響。平焊條件下，對氣孔生成量影響最大的工藝參數(shù)為功率和離焦量，橫焊條件下則為焊接速度。

平焊條件下，表2中9組實驗焊縫中氣孔的平均長度為13.15 mm；橫焊條件下，表4中9組實驗焊縫中氣孔的平均長度為42 mm?？梢娫谝欢ǖ墓に噮?shù)范圍內(nèi)，橫焊位置比平焊位置更容易形成氣孔。通過本文的研究，在兩種焊接位置下均獲得了氣孔總長低于5 mm的I級焊縫。為獲得最低氣孔量，在兩種位置下焊接時需采用不同的激光焊工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

（1）進行了TC4鈦合金平焊和橫焊條件下激光焊接的三因素三水平正交試驗，利用極差分析獲得了不同焊接位置下不同工藝參數(shù)對氣孔生成量的影響規(guī)律。

（2）不同空間位置條件下，焊接接頭中氣孔的形態(tài)和分布不同，工藝參數(shù)對氣孔生成規(guī)律的影響也不同。平焊時，氣孔生成量隨激光功率、離焦量的增大先減小后增大，隨焊接速度的增大先增大后減?。粰M焊時，氣孔生成量隨激光功率的增大而增大，隨焊接速度的增大而減小，隨離焦量的增大先減小后增大。

（3）通過極差分析得到了兩種位置下各自的優(yōu)化工藝參數(shù)，有效降低了焊縫中氣孔的含量。在兩種焊接位置均制備出了內(nèi)部質(zhì)量良好的焊縫。

［1］李梁，孫健科，孟祥軍.鈦合金的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.鈦工業(yè)進展，2004，21（5）：19－24.

［2］邵娟.鈦合金及其應用研究進展［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，2007，35（4）：61－65.

［3］劉瑩，曲周德，王本賢.鈦合金TC4的研究開發(fā)與應用［J］.兵器材料科學與工程，2005，28（1）：47－50.

［4］劉西霞.鈦合金薄板激光焊接變形控制研究［D］.湖南大學，2014.

［5］游德勇，高向東.激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望［J］.焊接技術(shù)，2008，37（4）：5－9.

［6］ WEI GUO.Comparison of laser welds in thick section S700 high?strength steel manufactured in flat（1G） and horizontal（2G） positions［J］.CIRP Annals?Manufacturing Technology，2015，64（1）：197－200.

［7］ MUHAMMAD SOHAIL，SANG?WOO HAN，SUCK?JOO NA，et al.Numerical investigation of energy input characteristics for high?power fiber laser welding at different positions［J］.The In?ternational Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015，80（5／8）：931－946.

［8］ GOUSSAIN J C，BECKER A，CHEHAIBOU A，et al.Heavy?section welding with very high power laser beams：the chal?lenge［J］.Proceedings of the SPIE－ The International Society for Optical Engineering，1997，3097：118－128.

［9］陳魁.試驗設計與分析［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［10］國家國防科技工業(yè)局.鈦及鈦合金熔焊技術(shù)要求［S］，2011.