TC4鈦合金激光焊接變形與光致等離子體的行為研究.pdf

1、TC4鈦合金由于具有較高比強(qiáng)、耐腐蝕性、耐高溫、材料輕等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于航空航天等行業(yè)。但TC4鈦合金焊接易出現(xiàn)變形大及焊接未熔透等問題,此外,焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體與焊接穩(wěn)定性及焊接質(zhì)量都有著密切的聯(lián)系。基于此,本文展開了對(duì)TC4鈦合金激光焊接變形控制及光致等離子體的行為研究。
　　首先,為了減小TC4鈦合金薄板激光焊接縱向變形,筆者團(tuán)隊(duì)提出了一種采用同步氣體冷卻法(SGCM)減小焊接變形,然而對(duì)于其減小焊接變形的機(jī)理仍有

2、待研究。本文建立了常規(guī)激光焊接和SGCM激光焊接的模型,對(duì)比分析了常規(guī)激光焊接和不同參數(shù)下SGCM焊接的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力及變形,從而揭示了SGCM對(duì)焊接縱向撓曲變形、縱向殘余應(yīng)力的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得焊后變形與模擬所得變形結(jié)果吻合較好。當(dāng)激光束與熱沉間距為10 mm,平均換熱系數(shù)為360W/(m2·K)時(shí),SGCM焊接較常規(guī)焊接能減小變形量達(dá)71％,縱向殘余應(yīng)力減小21％,縱向塑性應(yīng)變減小14％。此外,相對(duì)于常規(guī)焊接而言,采用SGCM焊接

3、獲得的焊縫初始β相及馬氏體α'相變得細(xì)小。
　　其次,論文采用高速相機(jī)觀察鈦合金激光焊接產(chǎn)生的等離子體/金屬蒸氣形貌變化特征。隨著激光功率由700W增大到1200W,等離子體/金屬蒸氣平均質(zhì)心高度先減小后增大;隨著側(cè)吹保護(hù)氣體流量的增大,等離子體/金屬蒸氣平均質(zhì)心高度下降,平均擺角增大。等離子體/金屬蒸氣呈現(xiàn)一定周期波動(dòng)特征,波動(dòng)周期大部分集中在4000Hz以下。等離子體/金屬蒸氣由小孔噴發(fā),同軸拍攝小孔發(fā)現(xiàn)小孔面積亦有相似的波動(dòng)

4、周期性,通過協(xié)方差矩陣法研究?jī)烧咦兓l域的相關(guān)性,研究發(fā)現(xiàn)兩者均在周期為2000Hz區(qū)域附近有很高的相關(guān)度。從而從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度證明了等離子體/金屬蒸氣的周期性波動(dòng)是由小孔周期性波動(dòng)引起的。
　　最后,論文分析了TC4鈦合金激光焊接產(chǎn)生的光致等離子體的光譜特征,為了提高等離子體的參數(shù)計(jì)算精度,去除光譜圖中的背景譜線,并對(duì)譜線進(jìn)行歸一化處理。當(dāng)激光功率從650W增大到1000W時(shí),計(jì)算得到等離子體電子密度為0.64×1016-1.4×1