激光焊接过程与银焊条选用要点

利用计算机仿真技术实现激光焊接过程瞬态温度场和应力场模拟，1.5mm厚钛合金薄板激光对接焊工艺中温度场与应力场的分布规律，从而预测焊接应力产生和变化的全过程，为提出焊接变形控制方法提供理论依据；其次，搭建变形测量平台对钛合金薄板件激光焊接后的变形进行测量，分析其变形机理与特征，同时焊接工艺参数对变形量的影响规律，为焊接变形控制方法的实现提供技术依据。

针对TC4钛合金激光焊接后发生纵向挠曲变形的特征以及材料高温易吸收杂质元素的控制难点，在避免现有变形控制方法焊缝结构受限、设备庞杂、实现困难以及带来焊缝污染等缺陷的前提下，提出了一种适用于钛合金薄板激光焊接过程中变形主动控制的随焊气体动态冷却方法，简称SGCW。该方法的结构通过由液氮冷却装置、激光热源焊接头和夹持连接器三部分组成的系统实现，采用被液氮冷却装置冷却的氩气作为冷却介质，对钛合金激光焊接过程中激光热源的后部进行跟随激冷。运用SGCW技术对TC4钛合金焊接变形进行相关工艺试验以考察该方法的可行性，试验结果用以指导钛合金薄壁结构件的焊接制造。

银焊条选用要点：①考虑焊缝金属力学性能和化学成分对于普通结构钢，通常要求焊缝金属与母材等强度，应选用熔敷金属抗拉强度等于或稍高于母材的焊条。对于合金结构钢，有时还要求合金成分与母材相同或接近。在焊接结构刚性大、接头应力高、焊缝易产生裂纹的不利情况下，应考虑选用比母材强度低的焊条。当母材中碳、硫、磷等元素的含量偏高时，焊缝中容易产生裂纹，应选用抗裂性能好的碱性低氢型焊条。②考虑焊接构件使用性能和工作条件对承受载荷和冲击载荷的焊件，除满足强度要求外，主要应焊缝金属具有较高的冲击韧性和塑性，可选用塑、韧性指标较高的低氢型焊条。接触腐蚀介质的焊件，应根据介质的性质及腐蚀特征选用不锈钢类焊条或其他焊条。在高温、低温、抗磨或其他特别条件下工作的焊接件，应选用相应的耐热钢、低温钢、堆焊或其他特别用途焊条。③考虑焊接结构特点及受力条件对结构形状复杂、刚性大的厚大焊接件，由于焊接过程中产生很大的内应力，易使焊缝产生裂纹，应选用抗裂性能好的碱性低氢焊条。对受力不大、焊接部位难以清理干净的焊件，应选用对铁锈、氧化皮、油污不敏感的酸性焊条。对受条件限制不能翻转的焊件，应选用适于全位置焊接的焊条。④考虑施工条件和经济效益在满足产品使用性能要求的情况下，应选用工艺性好的酸性焊条。在狭小或通风条件差的场合，应选用酸性焊条或低尘焊条。对焊接工作量大的结构，有条件时应尽量采用高速率焊条，如铁粉焊条、高速率重力焊条等，或选用底层焊条立向下焊条之类的焊条，以提高焊接生产率。

同其他传统焊接方法一样，激光焊接中不均匀的热输入也会使得焊后的结构中出现不同程度的残余应力和变形，从而影响焊接结构的制造精度和使用性能。目前许多学者对薄板结构的焊接残余应力和变形已经开展了较多的工作，但是对于钛合金薄板激光焊接的变形试验工作还很少。本章着重对钛合金的激光焊接工艺与焊接应力变形进行系统的试验，一方面，可以给后续有限元数值模拟工作的开展提供需要的参数；另一方面，可将试验结果与有限元计算结果相比较，以验证三维非线性瞬态热传导模型的正确性。

焊接变形是一个复杂的过程，变形的产生与温度息息相关，其大小也随着受热温度的变化而变化。根据热胀冷缩的原理可知，金属受热会发生膨胀，遇冷则会收缩。金属的不均匀加热将导致各部分金属的膨胀程度不一样，被加热部分的膨胀受到旁边金属的阻碍，各部分金属间互相牵制，从而产生暂时应力和暂时变形。而变形分为弹性变形和塑性变形两种，在不超过材料弹性限度或屈服限度的相应温度范围内金属随温度变化发生的变形具有可恢复性，称为弹性变形；而当应力超过材料的屈服限度后发生的变形则被称为塑性变形，不具备可恢复性。金属材料的弹性限度及屈服限度等特性参数是随温度变化的，比如，当低碳钢的温度超过600℃时，其屈服限度接近于零，这就意味着很小的应力就会产生塑性变形。