CN103817403A - 高温合金激光焊接的收弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温合金激光焊接的收弧方法。将高温合金激光焊缝的收弧过程分为三个收弧段：收弧段1、收弧段2、收弧段3；三个收弧段激光扫描方向为：收弧段1按顺向-收弧段2按逆向-收弧段3按顺向，三个收弧段依次连续工作构成激光往复扫描动作，对焊接收弧处的熔池进行往复扫描；收弧时，各收弧段激光输出功率波形为连续衰减的三角波；激光输出功率在收弧脉冲内衰减为基值功率。本发明因适当延长收弧熔池的存在时间，使熔池中的气体充分溢出，避免收弧密集气孔的出现，同时减小焊接弧坑的大小；实现了在不用收弧板的情况下，避免高温合金激光焊接收弧密集气孔、弧坑等缺陷问题。主要运用于激光焊接领域。

Description

高温合金激光焊接的收弧方法

技术领域

本发明涉及一种合金激光焊接方法，特别是涉及高温合金激光焊接的收弧方法，属于激光焊接技术领域。

背景技术

随着航空航天技术的发展，高温合金材料由于其优异的高温性能越来越多的被应用于上述领域。随着产品性能的不断提高，高温合金结构件的外形变的越来越复杂，特别是高温合金长用于服役环境恶劣的部位，对焊接结构的内部质量和外观形面要求也越来越高，因此需要对高温合金的焊接方法和焊接工艺进行严格控制。激光焊接具有热输入小、焊接能量集中、焊缝深宽比大、热影响区窄、焊接变形小、易于实现柔性化加工等优点，特别适用于复杂高温合金结构的焊接。

高温合金激光焊接时由于高温合金对焊接热输入的敏感性较大，焊接收弧时容易形成密集气孔、弧坑等缺陷，严重影响产品质量。在实际焊接生产中，一般采用两种方法来避免高温合金的焊接收弧缺陷：一是在焊缝收尾处放置收弧板，使焊缝在收弧板上进行收弧，从而避免产品的焊缝部位出现收弧缺陷；另一种是焊后对收弧缺陷进行挖排补焊。采用收弧板的方式不但增加了焊接装配工作，同时也常常受制于产品结构形式的限制；而焊后挖排补焊，则容易导致二次缺陷、变形等，影响产品结构整体质量。由上可见，无论是用收弧板还是焊后挖排，往往受制于产品结构形式，同时生产效率较低，焊缝质量难以保证，不利用发挥激光焊接质量高、效率高等优势。

随着高温合金产品焊接结构日趋复杂，焊缝数量越来越多，对焊缝内部质量及外观要求越来越高。采用收弧板和挖排补焊的方法难以满足高温合金复杂焊接结构的要求，同时限制了激光焊接的技术优势，影响了高温合金焊接结构在复杂产品中的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种高温合金激光焊接的收弧方法，旨在提供一种实现了不需预设收弧板，无需焊后挖排补焊，可消除焊接收弧气孔的激光焊接收弧方法，克服高温合金激光焊接收弧时易产生密集收弧气孔、弧坑等缺陷问题，获得良好的焊缝内部质量及外观质量。

本发明采用如下的技术方案实现的：

高温合金激光焊接收弧方法，焊接的收弧过程中激光对收弧处进行往复扫描，将高温合金激光焊缝的收弧过程分为三个收弧段：收弧段1、收弧段2、收弧段3；三个收弧段激光扫描方向为：收弧段1按顺向-收弧段2按逆向-收弧段3按顺向，三个收弧段依次连续工作构成激光往复扫描动作，对焊接收弧处的熔池进行往复扫描；收弧时，各收弧段激光输出功率波形为连续衰减的三角波；激光输出功率在收弧脉冲内衰减为基值功率；各收弧段激光输出功率波形如附图1所示。

其中收弧脉冲周期△t为10～20ms；收弧时的激光基值功率P_基为50～100W；

收弧脉冲的个数n由以下公式确定：

$n=[\frac{d}{v\×\mathrm{\Δt}}+0.5];$

收弧段1中，激光输出功率三角波各个峰值功率P_a'（a=1,2,3，…，n）可由以下公式确定：

收弧段2中，激光输出功率三角波各个峰值功率P″_b可由以下公式确定，其中b=1,2,3，…，n，

收弧段3中，激光输出功率三角波各个峰值功率P_c'''，可由以下公式确定，其中c=n+1,n+2,n+3，…，2n，

以上各式中：P_焊为正常焊接时激光的输出功率，P_基为焊接激光的基值功率，n为收弧脉冲的个数，d为收弧长度，v为收弧速度；△t为收弧脉冲的周期。

高温合金激光焊接，保护气一般为氩气，侧吹气流量L为8～12L/min，背保护气流量L为4～8L/min；

具体实施时，收弧速度v优选为700～1100mm/min；焊接功率P_焊优选为1700～3300W；

根据实际焊接情况，可以设置相应的收弧长度，一般收弧长度取值为10mm，也可根据结构需要自行设定。

本发明所提出的高温合金激光焊接收弧方法，是在焊接收弧阶段，将激光输出调整为连续衰减的三角形波，并对收弧熔池在递减的激光能量下进行2次扫描，适当延长收弧熔池的存在时间，使熔池中的气体充分溢出，避免焊接收弧密集气孔的出现，同时减小焊接弧坑的大小，保证焊缝内部质量和外观质量。试验表明：采用本发明提出的收弧方法，在焊接2～5mm厚高温合金时，可有效避免收弧密集气孔的出现，同时减小收弧弧坑的大小，焊缝过度圆滑，符合GB/T22085.1-2008标准严格B级焊缝要求。实现了在不用收弧板的情况下，避免高温合金激光焊接收弧密集气孔、弧坑等缺陷问题，获得良好的焊缝内部质量，同时保证了焊缝外观质量。

附图说明

图1收弧段1激光输出功率功率曲线示意图

图2收弧段2激光输出功率功率曲线示意图

图3收弧段3激光输出功率功率曲线示意图

图4收弧段1收弧处焊接熔池示意图

图5收弧段2收弧处焊接熔池示意图

图6收弧段3收弧处焊接熔池示意图

图中：P_焊为正常焊接时激光的输出功率，P_基为焊接激光的基值功率，△t为收弧脉冲的周期，P₁为收弧段3的起始激光功率。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施例，对发明的具体实施方式作进一步的说明。

工作原理：本发明为一种高温合金激光焊接收弧方法，将高温合金激光焊缝的收弧过程分为三个收弧段，通过在焊接收弧阶段将激光输出调整为连续衰减的三角形波用于收弧。当高温合金激光焊接收弧时，衰减的激光三角形波可对焊接收弧处的熔池进行2次往复扫描，使收弧熔池在2次衰减的激光脉冲波作用下反复加热、冷却，适当延长熔池存在时间，促进气孔的溢出，如附图2收弧阶段焊接熔池示意图所示。避免了焊接收弧快速冷却形成弧坑密集气孔、弧坑等缺陷。

本发明采用德国通快Nd:YAG固体激光器作为激光源，最大输出功率4kW，激光波长为1.06μm，激光焊接收弧时将激光调整为连续衰减的三角形波，激光输出功率在n个收弧脉冲内衰减为基值功率50～100W。

收弧过程中，各收弧段激光参数由以下公式得出：

收弧脉冲个数n由以下公式确定：

$n=[\frac{d}{v\×\mathrm{\Δt}}+0.5];$

收弧段1中，激光输出功率三角波各个峰值功率P′_a可由以下公式确定，其中a=1,2,3，…，n：

收弧段2中，激光输出功率三角波各个峰值功率P″_b可由以下公式确定，其中b=1,2,3，…，n：

收弧段3中，激光输出功率三角波各个峰值功率P″′_c，可由以下公式确定，其中c=1,2,3，…，n：

以上各式中：P_焊为正常焊接时激光输出功率，P_基为焊接激光的基值功率，n为收弧脉冲个数，d为收弧长度，v为收弧速度；△t为收弧脉冲周期。

实施例1：GH4169高温合金材料2mm厚平板对接焊

焊接接头厚度2mm的GH4169高温合金对接焊。激光焊接时，焊接功率P_焊为1700W，保护气为氩气，侧吹气流量L为8L/min，背保护气流量L为4L/min，收弧速度v为1100mm/min，收弧脉冲周期20ms，收弧焊长度10mm；根据公式，收弧脉冲个数n=28；进入收弧阶段；

在收弧段1，激光扫描方向为顺向，经过28个收弧脉冲，在560ms内收弧焊接激光输出功率由1700W震荡衰减为基值功率50W；

进入收弧段2，激光扫描方向转为逆向，经过28个收弧脉冲，在560ms内收弧焊接激光输出功率由1700W震荡衰减为基值功率875W；

进入收弧段3，激光扫描方向再转为顺向，经过28个收弧脉冲，在560ms内收弧焊接激光输出功率由875W震荡衰减为基值功率50W；

各收弧段的激光输出功率峰值可由前述公式得出。

所获得的焊缝收弧处无收弧密集气孔，焊缝收弧坑深度小于0.1mm，焊缝气体保护良好。

实施例2：Inconel601高温合金材料3mm厚平板对接焊

焊接接头厚度2mm的GH4169高温合金对接焊。激光焊接时，焊接功率P_焊为2300W，保护气为氩气，侧吹气流量L为8L/min，背保护气流量L为5L/min，收弧速度v为900mm/min，收弧脉冲周期10ms，收弧长度10mm；根据公式，收弧脉冲个数n=67，进入收弧阶段；

在收弧段1，激光扫描方向为顺向，经过67个收弧脉冲，在670ms内收弧焊接激光输出功率由2300W震荡衰减为基值功率80W；

进入收弧段2，激光扫描方向转为逆向，经过67个收弧脉冲，在670ms内收弧焊接激光输出功率由2300W震荡衰减为基值功率1190W；

进入收弧段3，激光扫描方向再转为顺向，经过67个收弧脉冲，在670ms内收弧焊接激光输出功率由1190W震荡衰减为基值功率80W；

各收弧段的激光输出功率峰值可由公式得出。

所获得的焊缝收弧处无收弧密集气孔，焊缝收弧坑深度小于0.1mm，焊缝气体保护良好。

实施例3：GH4169高温合金材料5mm厚平板对接焊

焊接接头厚度5mm的GH4169高温合金对接焊。激光焊接时，焊接功率P_焊为3300W，保护气为氩气，侧吹气流量L为10L/min，背保护气流量L为8L/min，收弧速度v为700mm/min，收弧脉冲周期20ms，收弧长度10mm；根据公式，收弧脉冲个数n=43，进入收弧阶段；

在收弧段1，激光扫描方向为顺向，经过43个收弧脉冲，在860ms内收弧焊接激光输出功率由3300W震荡衰减为基值功率100W；

进入收弧段2，激光扫描方向转为逆向，经过43个收弧脉冲，在860ms内收弧焊接激光输出功率由3300W震荡衰减为基值功率1700W；

进入收弧段3，激光扫描方向再转为顺向，经过43个收弧脉冲，在860ms内收弧焊接激光输出功率由1700W震荡衰减为基值功率100W；

各收弧段的激光输出功率峰值也可由公式得出。

所获得的焊缝收弧处无收弧密集气孔，焊缝收弧坑深度小于0.3mm，焊缝气体保护良好。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的专利范围，故凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高温合金激光焊接的收弧方法，焊接的收弧过程中激光对收弧处进行往复扫描，其特征在于，将收弧过程分为三个收弧段：收弧段1、收弧段2、收弧段3；三个收弧段激光扫描方向为：收弧段1按顺向-收弧段2按逆向-收弧段3按顺向，三个收弧段依次连续工作构成激光往复扫描动作；各收弧段激光输出功率波形为连续衰减的三角波；激光输出功率在收弧脉冲内衰减为基值功率。

2.根据权利要求1所述高温合金激光焊接的收弧方法，其特征在于，各收弧段中，收弧脉冲的个数由下式确定：

$n=[\frac{d}{v\×\mathrm{\Δt}}+0.5];$

式中，n为收弧脉冲的个数，d为收弧长度，v为收弧速度；△t为收弧脉冲的周期。

3.根据权利要求2所述高温合金激光焊接的收弧方法，其特征在于，收弧段1中，激光输出功率波形为连续衰减的三角波，三角波各个峰值功率，由下式确定：

式中：P_a'三角波各个峰值功率，P_焊为正常焊接时激光的输出功率，P_基为焊接激光的基值功率；n为收弧脉冲的个数，d为收弧长度，v为收弧速度；△t为收弧脉冲的周期；a=1,2,3，…，n。

4.根据权利要求2所述高温合金激光焊接的收弧方法，其特征在于，收弧段2中，激光输出功率波形为连续衰减的三角波，三角波各个峰值功率，由下式确定，

式中：P_b''三角波各个峰值功率，P_焊为正常焊接时激光的输出功率，P_基为焊接激光的基值功率；n为收弧脉冲的个数，d为收弧长度，v为收弧速度；△t为收弧脉冲的周期；b=1,2,3，…n。

5.根据权利要求2所述高温合金激光焊接的收弧方法，其特征在于，收弧段3中，激光输出功率波形为连续衰减的三角波，三角波各个峰值功率，由以下式确定，其中

式中：P_c'''为三角波各个峰值功率，P_焊为正常焊接时激光的输出功率，P_基为焊接激光的基值功率；n为收弧脉冲的个数，d为收弧长度，v为收弧速度；△t为收弧脉冲的周期；c=n+1,n+2,n+3，…，2n。

6.根据权利要求1～5任一项所述高温合金激光焊接的收弧方法，其特征在于，所述收弧脉冲的周期为10～20ms。

7.根据权利要求1～5任一项所述高温合金激光焊接的收弧方法，其特征在于，所述基值功率为50～100W。

8.根据权利要求1～5任一项所述高温合金激光焊接的收弧方法，其特征在于，三个收弧段的保护气为氩气，侧吹气流量为8～12L/min，背保护气流量为4～8L/min。

9.根据权利要求2～5任一项所述高温合金激光焊接的收弧方法，其特征在于，收弧速度v为700～1100mm/min；焊接功率P_焊为1700～3300W。

10.根据权利要求2～5任一项所述高温合金激光焊接的收弧方法，其特征在于，收弧长度为10mm。

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