激光清理在TA2焊接接頭氧化去除上的應用研究

劉鴻彥，孫修圣，李衛(wèi)華

（南京寶色股份公司 技術中心，江蘇 南京 211178）

引言

激光去除及清洗表面處理技術是利用高能的激光束照射工件表面，使工件表面的污物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，高速有效地清除表面的污染物或涂層及其他方法難以去除干凈的吸附在物體表面的亞微米粒子[1,2]。該技術憑借柔性高、可控性好、易于選區(qū)定位精密清洗，易于遠距離遙控清洗難以到達的區(qū)域等優(yōu)點，逐步應用在航空航天、重裝機械及汽車制造等工業(yè)領域[3,4]。

在鈦制壓力容器及管道制造過程中，因清理或保護不當，極易發(fā)生焊接氧化，造成焊縫污染，目前業(yè)內(nèi)對發(fā)生氧化的焊縫通常采用金屬磨頭刮磨去除后重新焊接的方式返修，勞動強度大、操作要求高。本文以工業(yè)純鈦為研究對象，對焊接過程中發(fā)生氧化問題的焊接接頭采用激光清理的方式去除氧化表征，并對焊接接頭的性能進行對比試驗，驗證使用激光進行焊接接頭氧化去除方式的可行性，為鈦制壓力容器及管道制造過程中的焊接氧化問題的處理提供一種新的技術參考。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

采用牌號為TA2的純鈦進行試驗。工業(yè)純鈦TA2的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）如表1所示[5]。

表1 工業(yè)純鈦 TA2化學成分（%）

1.2 試驗設備

試板采用昆山華恒焊接股份生產(chǎn)的自動化拼焊專機HL3000進行施焊，專機集成了等離子（PAW）和自動鎢極氬弧焊（TIG）的焊接功能。焊接接頭采用重慶凱沃德光電科技生產(chǎn)的100W便攜式激光表面清理裝置進行氧化去除。圖1為P+T焊接專機，圖2為激光清理裝置手持端。

圖1 P+T焊接專機

圖2 激光清理裝置手持端

2 試板制備

2.1 母材

TA2具有良好的焊接性，焊接熔池的表面張力較好，熔敷金屬的流動性和潤濕效果良好，在保護得當?shù)那闆r下，焊縫呈現(xiàn)銀白色光澤，隨著氣體保護的效果減弱，焊縫將逐步出現(xiàn)黃色、藍色、紫色、灰色，灰白色、粉狀黃色黃色。本文采用焊縫表面為藍紫色的氧化狀態(tài)進行激光清理，為保證焊縫接頭質(zhì)量的均一性，采用自動等離子(PAW)打底，自動鎢極氬弧焊(TIG)蓋面的方式施焊試板，焊接試板尺寸為700mm*125mm*6mm，兩塊，試板采用I型坡口進行組對，坡口形式及焊接道次示意如圖3所示。

圖3 坡口組對及焊接道次示意圖

2.2 焊接工藝

采用機加工方式加工I型坡口成型，并采用丙酮對坡口及兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的區(qū)域清洗去除油污等臟物，對試板進行PAW+TIG焊接，PAW打底為自熔焊接，TIG蓋面為填絲焊接，蓋面焊絲的生產(chǎn)廠家為寶鈦股份，焊絲的牌號為ERTA2ELI，尺寸Φ1.2mm，符合NB/T47018.7-2011標準要求，焊接保護氣體采用純度≥99.99%Ar。焊接工藝參數(shù)見表2，焊接完成后的試板見圖4。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖4 焊接后試板

焊接前，圖4中700mm長的試板需按圖中的分隔線分成左、右兩段進行焊接對比試驗，左側(cè)標記為HS1959-2-1，右側(cè)標記為HS1959-2-2。由試板左端起弧開始焊接，對焊接熔池進行得當?shù)亩栊詺怏w保護，使試板左側(cè)獲得符合要求的焊縫，當焊接至分隔線處時，關斷焊接保護氣，使右側(cè)焊接時焊縫發(fā)生氧化問題，以便于進行激光清理去除氧化，進行對比試驗。

2.3 激光清理

按上節(jié)中的要求完成焊接，獲得試板右側(cè)區(qū)域背面PAW灰色氧化焊縫，正面TIG藍、紫色氧化焊縫。對圖4中試板右側(cè)(HS1959-2-2)的氧化區(qū)域進行激光清理，將焊縫正面TIG焊的藍、紫色氧化表征以及焊縫背面PAW焊的灰色氧化表征去除干凈，激光清理后的焊縫形貌如圖5中對應試板右側(cè)區(qū)域所示，對圖4中試板左側(cè)(HS1959-2-1)的焊接接頭不作任何處理。從外觀上看，右側(cè)區(qū)域焊接接頭的氧化已完全去除，焊縫表面呈現(xiàn)出近似亞光銀的鈦材金屬色。由此獲得了本文所需的目標研究試板。

圖5 激光氧化清理后試板

3 試驗內(nèi)容與結(jié)果分析

為考察激光在TA2焊縫氧化處理上的應用可行性，需對清理前后的焊接接頭的力學性能進行檢測分析。

3.1 射線檢測

為排除焊縫中存在其他缺陷對試驗結(jié)果造成影響，按NB/T47013.2-2015對清理前后的試板進行射線檢測，檢測結(jié)果顯示焊縫中無缺陷，滿足I級合格，表明激光去氧化處理未對焊接接頭造成體積型焊縫缺陷。射線檢測結(jié)果見圖6。

圖6 試板RT檢測圖

3.2 力學性能檢測

按NB/T47014-2011的力學取樣要求對試板進行常規(guī)拉伸試驗和面、背彎試驗的取樣。因焊后氧化的激光處理是針對焊縫表面，可能影響到的是焊縫近表面的性能，所以試驗對面、背彎試樣進行特殊處理，在對焊縫余高進行拋光時，對2件面彎試樣中的1件保留焊縫的受拉面原始狀態(tài)，對受拉面的焊縫外觀不進行處理，另1件的受拉面按標準要求進行表面拋光，形成面彎試樣受拉面不同表面狀態(tài)的對比，以便直接觀測激光處理的焊縫表面的性能；同樣2件背彎試樣按同樣的方式進行處理。

（1）拉伸性能檢測

對兩組試板的拉伸試樣進行室溫拉伸性能檢測，檢測結(jié)果詳見表3，拉伸后試樣狀態(tài)如圖7所示。對比激光去氧化處理的HS1959-2-2試板1-1#、1-2#試樣和原始焊縫的HS1959-2-1試板1-1#、1-2#試樣，抗拉強度無明顯的差異，兩組拉伸試樣斷裂特征均為塑性斷裂，均能滿足NB/T47014-2011對TA2試板焊接接頭的拉伸性能要求，結(jié)果表明激光表面去除焊后氧化的清理方式并未對焊縫的拉伸性能產(chǎn)生明顯影響。

圖7 拉伸試樣檢測圖

（2）彎曲性能檢測

采用D=8t彎心直徑的壓頭對面、背彎試樣進行彎曲試驗，彎曲后的試樣狀態(tài)如圖8所示，彎曲試樣的對比結(jié)果如表4所示。

表4 焊接接頭彎曲性能檢驗結(jié)果

圖8 彎曲試樣檢測圖

兩組試樣分別為2件面彎，2件背彎，對2件面彎試樣及2件背彎試樣分別進行1件受拉面拋光處理，1件受拉面保持原焊縫表面狀態(tài)，以對比材料表面狀態(tài)是否對彎曲結(jié)果產(chǎn)生影響。

根據(jù)表4中的彎曲結(jié)果，對焊后合格的焊縫試板直接進行面、背彎檢測，不論彎曲試樣的受拉面是否進行拋光處理，彎曲的結(jié)果均合格，說明焊縫的塑韌性較好，滿足焊接接頭的性能要求，且焊接接頭的性能不受試樣表面狀態(tài)的影響；對比氧化焊縫的激光清理試板發(fā)現(xiàn)，2-1#和2-2#的面彎試樣合格，2-3#和2-4#的背彎試樣均出現(xiàn)縱向密集開裂（見圖8 d），此與焊接接頭的氧化狀態(tài)有關，2-1#和2-2#的面彎試樣是TIG蓋面時發(fā)生的氧化，氧化焊縫呈現(xiàn)藍、紫色狀態(tài)，激光清理后藍、紫色氧化狀被去除，而發(fā)生縱向密集開裂的2-3#和2-4#的背彎試樣是PAW打底焊接時發(fā)生的氧化，因背面保護不充分致使焊縫氧化成灰色，激光清理后灰色氧化表征被去除，出現(xiàn)開裂的背彎的試樣焊后氧化程度高于未開裂的面彎試樣，雖經(jīng)激光處理去除了表面氧化，但實際焊縫的氧化較嚴重，影響了焊接接頭的本身塑韌性，且激光清理未能消除該氧化對焊接接頭的影響，所以2-3#和2-4#的背彎試樣出現(xiàn)彎曲后在焊縫區(qū)和接頭氧化區(qū)呈現(xiàn)縱向密布型彎曲裂紋。

4 結(jié)論

1）TA2焊接接頭發(fā)生焊接氧化后，采用激光的方式可以實現(xiàn)表面氧化色的清理，使氧化焊接接頭達到近似亞光銀的TA2金屬色；

2）激光清理前后的焊接接頭抗拉強度無明顯差異，能滿足相關標準對焊接接頭的拉伸性能指標要求，受到焊接氧化嚴重情況對接頭本身塑韌性的影響，激光清理對焊接接頭的塑韌性并無顯著改善效果；

3）焊接接頭氧化呈現(xiàn)出較嚴重的灰色或更嚴重的其他情況時，無法采用激光清理去除氧化而獲得合規(guī)的焊接接頭，當接頭為輕微氧化的黃色或不太嚴重的藍紫色時，可以考慮采用激光清理清理的方式代替刮磨去除氧化。