CN103386551A - 一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统及方法，包括工作台、第一、第二压板和横向拘束力加载机构；第一、第二压板呈T型状；第一压板的第一水平部压在待焊接的第一平板上并与工作台固定，防止第一平板在竖直方向和水平方向移动；第一平板的远离焊缝的一面抵在第一压板的第一竖直部内侧；第二压板的第二水平部压在待焊接的第二平板上并在竖直方向与工作台固定，防止第二平板在竖直方向移动，第二平板的远离焊缝的一面抵在第二压板的第二竖直部内侧；所述横向拘束力加载机构连接所述第二压板。本发明能够保证横向拘束力加载的准确性与精度，通过施加横向拘束力能够在焊缝中形成凸起，改善钛合金薄板激光焊接过程中出现的凹陷缺陷。

Description

一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统及方法

技术领域

本发明涉薄板激光焊接技术领域，特别涉及一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统及方法。

背景技术

激光焊接具有能量密度集中，焊接效率高，焊缝组织晶粒细小，深宽比大等优点而受到广泛关注，然而，对于薄板激光焊接，焊接结构中产生的残余应力，焊接变形、凹陷等现象较大的影响了结构的使用性能。

钛合金薄板激光焊接过程中出现的凹陷缺陷，会导致焊接结构的使用性能降低：1、变形量大，影响结构装配；2、凹陷引起应力集中，容易在应力集中处发生失效；然而，现有技术中还没有一种方法能够改善焊缝截面形貌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统及方法，以改善钛合金薄板激光焊接过程中出现的凹陷缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

具体技术方案如下：

一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统，包括工作台、第一压板、第二压板和横向拘束力加载机构；第一压板和第二压板呈T型状，第一压板包括第一竖直部和垂直于第一竖直部的第一水平部；第二压板包括第二竖直部和垂直于第二竖直部的第二水平部；第一压板的第一水平部压在待焊接的第一平板上并与工作台固定，防止第一平板在竖直方向和水平方向移动；第一平板的远离焊缝的一面抵在第一压板的第一竖直部内侧；第二压板的第二水平部压在待焊接的第二平板上并在竖直方向与工作台固定，防止第二平板在竖直方向移动，第二平板的远离焊缝的一面抵在第二压板的第二竖直部内侧；所述横向拘束力加载机构连接所述第二压板。

本发明进一步的改进在于：所述横向拘束力加载机构包括活动板和固定侧板；固定侧板固定在工作台上，固定侧板上设有螺纹孔，预紧螺丝与固定侧板上的螺纹孔相配合，用于推动活动板给第一平板和第二平板施加横向拘束力。

本发明进一步的改进在于：活动板与第二压板之间连接有压力传感器。

本发明进一步的改进在于：第一压板的第一水平部和第二压板的第二水平部之间的间距为3-5mm。

本发明进一步的改进在于：待焊接的第一平板与工作台之间设有第一垫块；待焊接的第二平板与工作台之间设有第二垫块。

本发明进一步的改进在于：第一垫块的长度等于第一水平部的长度，第二垫块的长度等于第二水平部的长度。

本发明进一步的改进在于：第一平板和第二平板为厚度0.6-1.0mm的TC1钛合金板。

一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的方法，包括以下步骤：

1）待焊接平板准备：对第一平板和第二平板的待焊接面进行打磨，去除氧化层，然后清洗并吹干；

2）待焊接平板装夹：将步骤1）准备好的第一平板和第二平板固定在改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统上；

3）焊接：控制横向拘束力加载机构给第一平板和第二平板施加横向拘束力，然后进行激光焊接，焊接过程中正面、背面、侧吹三路采用氩气保护；其中，控制横向拘束力加载机构施加给第二压板的压强为P，0MPa≤P≤600MPa。

本发明进一步的改进在于：50MPa≤P≤75MPa。

本发明进一步的改进在于：步骤3）中，激光焊接所采用的激光器为Nd:YAG激光器，焊接的工艺参数为：激发电流180A、脉冲宽度5.5ms、焊接速度不高于300mm/min、脉冲频率20Hz，离焦量0mm；正面、背面、侧吹三路氩气的流量大小分别为20L/Min、20L/Min、15L/Min。

本发明进一步的改进在于：横向拘束力的施加方向垂直于焊缝的延伸反向。

本发明进一步的改进在于：横向拘束力的施加方向平行于待焊接平板。

相对于现有技术，本发明具有如下的积极效果及优点：

本发明的改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统设计合理，能够保证横向拘束力加载的准确性与精度，通过施加横向拘束力能够在焊缝中形成凸起，有效的改善钛合金薄板激光焊接过程中出现的凹陷缺陷，解决了凹陷变形所带来的装配问题和应力集中问题，提高试件的性能。

本发明数据采集可靠，采集得到的数据能够准确表征焊接过程中的横向拘束力大小。在此基础上，准确分析不同横向拘束力的大小对改善焊缝形貌效果的影响。该种方法试验操作简单、方便，成本低。

附图说明

图1为实验夹具三维结构示意图图；

图2为实验夹具横截面示意图；

图3为焊接试样示意图；

图4为焊缝横截面取样示意图；

图5（a）-图5（f）为不同横向拘束载荷（0MPa、25MPa、50MPa、75MPa、125MPa、150MPa）下的截面宏观形貌图；

图6为计算用旋转高斯体热源模型；

图7为结构场计算时的材料约束状态示意图；

图8（a）-图8（f）为计算得到不同横向拘束载荷（25MPa、50MPa、75MPa、100MPa、125MPa、150MPa）下的截面凸起形貌图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统，包括工作台1、第一垫块21、第二垫块22、第一压板31、第二压板32、压力传感器4、活动板5和固定侧板6。

工作台1上间隔设有平板状的第一垫块21和第二垫块22；待焊接的第一平板81设置在第一垫块21上，待焊接的第二平板82设置在第二垫块22上；第一压板31和第二压板32呈T型状，第一压板31包括第一竖直部310和垂直于第一竖直部310的第一水平部311；第二压板32包括第二竖直部320和垂直于第二竖直部320的第二水平部321；第一压板31的第一水平部311压在待焊接的第一平板81上并与工作台1固定，防止第一平板81在竖直方向和水平方向移动；第一平板81的远离焊缝的一面抵在第一压板31的第一竖直部310内侧。

第二压板32的第二水平部321压在待焊接的第二平板82上并在竖直方向与工作台1固定，防止第二平板82在竖直方向移动，第二平板82的远离焊缝的一面抵在第二压板32的第二竖直部320内侧。第二竖直部320外侧通过压力传感器4连接活动板5；固定侧板6固定在工作台1上，固定侧板6上设有螺纹孔，预紧螺丝7与固定侧板6上的螺纹孔相配合，用于推动活动板6运动，进而通过压力传感器6和第二压板32给第一平板81和第二平板82施加不同的预紧力。固定后，第一压板31的第一水平部311和第二压板32的第二水平部321之间的间距为3-5mm，能够满足Nd:YAG激光器进行激光焊接，而不影响焊缝。

工作台1上在焊缝下方设有一个通槽，通槽内设有带孔的铜管在焊接时给焊缝背面

由于对接试板厚度小于1.0mm，若直接施加横向力，容易发生打滑现象，因此加入垫板，保证压板与对接试板之间不发生横向的相对位移；旋转顶紧螺丝可以顶紧右活动板，使活动板向左移动，通过压力传感器将力传递给压板，再传递给对接试板。压力传感器可将压力信号转换为电信号，再经过信号变送器转换为0-5V的电压信号，传输到数据采集卡进行AD转化，并进行数字量的传输的存储，来记录横向预紧力在焊接过程中的变化。

本发明一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的方法，包括以下步骤：

1）待焊接平板准备：如图3所示为待焊接平板，待焊接平板尺寸为50×10×0.8mm，焊接方式为平板对接，对接边为10mm短边。焊接前采用80#砂纸对第一平板81和第二平板82的待焊接面进行打磨，去除氧化层，然后分别采用丙酮和无水乙醇进行清洗并吹干。

2）待焊接平板装夹：将准备好的第一平板81设置在第一垫块21上，第二平板82设置在第二垫块22上；然后将第一压板31的第一水平部311压在待焊接的第一平板81上并与工作台1固定，防止第一平板81在竖直方向和水平方向移动；第一平板81的远离焊缝的一面抵在第一压板31的第一竖直部310内侧；然后将第二压板32的第二水平部321压在待焊接的第二平板82上并与竖直方向与工作台1固定，防止第二平板82在竖直方向移动，第二平板82的远离焊缝的一面抵在第二压板32的第二竖直部320内侧。

3）焊接：通过调节预紧螺丝7控制横向拘束力的大小，选择横向拘束力大小分别为0MPa、25MPa、50MPa、75MPa、125MPa、150MPa下分别焊接一组试样样品，焊接工艺参数如表1所示。焊接过程中为防止表面氧化，采用正面、背面、侧吹三路氩气进行保护，气流量大小分别为20L/Min、20L/Min、15L/Min。

表1焊接工艺参数

焊后对试样表面进行清洗，然后，采用线切割方法对焊缝截面进行取样，为了能够较好地反映焊缝横截面各项参数，每个试样截取3个横截面（150MPa所对应试样取两个横截面），对各项参数分别进行测量后取其平均值作为最终值，焊缝横截面取样图如图4所示，选取的横截面为靠近熄弧端的横截面。

之后，对不同横向拘束载荷下截面试样制作金相。首先，进行镶嵌试样，然后，按照80#，400#，800#，1200#，1500#，2000#的顺序磨制试样，之后采用电解抛光方法对试样表面进行抛光处理，电解抛光中采用的电解液配方为高氯酸：正丁醇：甲醇=1:7:12（体积比），抛光后采用氢氟酸：硝酸：水=1:1:15（体积比）的腐蚀液进行腐蚀，以显示出焊缝区域。

将制备好的金相试样在VMS-1510标准影像测量仪下观察并存储截面宏观形貌照片。不同横向拘束载荷下的截面宏观形貌如图5所示。

请参阅表2所示，为截面凸起统计结果，结果表明，随着横向拘束力的增加，焊缝截面出现凸起，且凸起量逐渐增加。为比较不同横向拘束力大小对焊缝凸起量的影响，对不同横向拘束载荷下，截面凸起量大小进行了统计分析。

表2截面凸起统计结果

由于焊接试板的厚度较小，其凸起量也相对较小，为了直观起见，将凸起量换算为厚度方向的百分比，即实际凸起的高度除以板厚进行比较。每种横向拘束载荷下加工三个试样进行横截面形貌的提取，并对三组数据进行平均，以降低试验误差。“总和”一项指正面凸起与背面凸起的总量，代表了横向拘束条件下整个焊接接头的被挤出量的大小。统计分析结果如表2所示。由统计结果可知，随着横向拘束载荷的增加，截面凸起量显著增加。50MPa、75MPa时所产生的凸起能够有效的改善钛合金薄板激光焊接过程中出现的凹陷缺陷，而且也不至于凸起太高而引起新的一些缺陷。

本发明具有如下特征：

本发明适用材料范围为：试样厚度为0.6-1.0mm，试样长度为30-80mm，试样宽度为8-15mm的TC1钛合金。

（2）本发明适用于平均功率为400W，Nd:YAG激光器进行焊接，焊接平均功率不小于190w，焊接速度不高于300mm/min焊接条件下。

（3）本发明适用横向拘束力大小范围为0-600MPa。

有限元验证分析：在实验分析的基础上，采用二维有限元数值模拟方法对实验过程进行验证。本发明基于Ansys有限元软件热-力耦合分析，首先建立尺寸为20mm×10mm×0.8mm的二维有限元模型，选择单元类型为PLANE55，对二维有限元模型施加一定的边界换热条件，输入材料的热物理性能参数，选择旋转高斯体热源模型进行加载，旋转高斯体热源模型如图6所示，控制方程如公式所示，进行二维有限元热分析，得到二维的温度场分布；再将模型单元转化为支持粘塑性分析的PLANE42单元，添加一定的机械性能参数及机械边界条件，然后将热分析结果按计算子步读入结构场中进行热力耦合分析，得到热力耦合分析结果，最后在Ansys后处理中提取焊接接头的形貌，并与实际实验所得数据进行对比。高斯体热源公式如下：

$q_{\mathrm{laser}}=\frac{9\mathrm{\ηQ}}{\mathrm{\πH}{r}_0^2(1-e^{-3})}\exp \left(\frac{9(x^2+{(z-\mathrm{vt})}^2)}{r_0^2\log \left(\frac{y}{H}\right)}\right)$

式中：

q_laser——节点作用热流量；

Q——激光额定功率；

η——热效率；

v——焊接速度/m·s^-1；

r₀——材料表面热源有效加热半径/m；

H——热源高度；

x、y、z为热源三维坐标；

计算过程中，当计算温度场时，不添加除温度外的自由度约束，在计算焊缝挤出变形时，约束材料一端的所有自由度，在另一端添加压力约束（Pressure）。由于焊接试板的横截面尺寸为100mm×0.8mm，其长宽比很大，在外加横向应力后，极易产生失稳变形，因此，需要在远离焊缝处施加x方向的自由度约束，防止计算过程中产生失稳变形。如图7所示为结构场计算时的材料约束状态，在进入求解模块后，首先设置收敛准则、大变形开关、求解器等参数，再进行约束的添加；添加约束后，选取很小的时间节点，作为第一个载荷步，求解得到试板的初始应力分布，再通过时间节点依次读取温度载荷进行加载求解，并在温度加载完成后再添加载荷步，将所有施加的约束删除，进行求解。计算得到的凸起变形结果如图8-图8（f）所示。有限元计算结果与实验结果趋势基本一致，随着横向拘束载荷的增加，焊缝截面凸起量显著增加。

Claims (10)

1.一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统，其特征在于，包括工作台（1）、第一压板（31）、第二压板（32）和横向拘束力加载机构；

第一压板（31）和第二压板（32）呈T型状，第一压板（31）包括第一竖直部（310）和垂直于第一竖直部（310）的第一水平部（311）；第二压板（32）包括第二竖直部（320）和垂直于第二竖直部（320）的第二水平部（321）；

第一压板（31）的第一水平部（311）压在待焊接的第一平板（81）上并与工作台（1）固定，防止第一平板（81）在竖直方向和水平方向移动；第一平板（81）的远离焊缝的一面抵在第一压板（31）的第一竖直部（310）内侧；

第二压板（32）的第二水平部（321）压在待焊接的第二平板（82）上并在竖直方向与工作台（1）固定，防止第二平板（82）在竖直方向移动，第二平板（82）的远离焊缝的一面抵在第二压板（32）的第二竖直部（320）内侧；

所述横向拘束力加载机构连接所述第二压板（32）。

2.根据权利要求1所述的一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统，其特征在于，所述横向拘束力加载机构包括活动板（5）和固定侧板（6）；固定侧板（6）固定在工作台（1）上，固定侧板（6）上设有螺纹孔，预紧螺丝（7）与固定侧板（6）上的螺纹孔相配合，用于推动活动板（5）给第一平板（81）和第二平板（82）施加横向拘束力。

3.根据权利要求1所述的一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统，其特征在于，活动板（5）与第二压板（32）之间连接有压力传感器（4）。

4.根据权利要求1所述的一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统，其特征在于，第一压板（31）的第一水平部（311）和第二压板（32）的第二水平部（321）之间的间距为3-5mm。

5.根据权利要求1所述的一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统，其特征在于，待焊接的第一平板（81）与工作台（1）之间设有第一垫块（21）；待焊接的第二平板（82）与工作台（2）之间设有第二垫块（22）。

6.根据权利要求5所述的一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统，其特征在于，第一垫块（21）的长度等于第一水平部（311）的长度，第二垫块（22）的长度等于第二水平部（321）的长度。

7.根据权利要求1所述的一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统，其特征在于，第一平板（81）和第二平板（82）为厚度0.6-1.0mm的TC1钛合金板。

8.一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）待焊接平板准备：对第一平板（81）和第二平板（82）的待焊接面进行打磨，去除氧化层，然后清洗并吹干；

2）待焊接平板装夹：将步骤1）准备好的第一平板（81）和第二平板（82）固定在权利要求1-7中任一项所述的一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的系统上；

3）焊接：控制横向拘束力加载机构给第一平板（81）和第二平板（82）施加横向拘束力，然后进行激光焊接，焊接过程中正面、背面、侧吹三路采用氩气保护；其中，控制横向拘束力加载机构施加给第二压板（32）的压强为P，0MPa≤P≤600MPa。

9.根据权利要求8所述的一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的方法，其特征在于，50MPa≤P≤75MPa。

10.根据权利要求8所述的一种改善钛合金薄板激光焊接焊缝形貌的方法，其特征在于，步骤3）中，激光焊接所采用的激光器为Nd:YAG激光器，焊接的工艺参数为：激发电流180A、脉冲宽度5.5ms、焊接速度不高于300mm/min、脉冲频率20Hz，离焦量0mm；正面、背面、侧吹三路氩气的流量大小分别为20L/Min、20L/Min、15L/Min。

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