CN104439707A - 一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置 - Google Patents

一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置 Download PDF

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Abstract

一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置，它涉及焊接技术领域。该装置解决现有厚板钛合金焊接过程中不能一次性焊透，需要多层焊，使得焊接接头更容易过热，使组织粗化的的问题。方案：复合焊枪的支架与激光头通过连接座连接，连接座设有凹型的楔形槽，连接座的楔形槽通过连接块与夹取装置固接，保护气拖罩位于焊枪的后部，保护气拖罩通过铰链机构与连接环连接，连接环装在焊枪上，保护气拖罩设有第一通气孔，垫板上装有多个用于固定试件的快速夹钳，每个快速夹钳通过垫片与垫板连接，垫板上沿长度方向设有铜片，铜片沿厚度方向开有多组第二通气孔。本发明用于中厚度钛合金激光电弧复合焊接。

Description

一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，更具体的涉及一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置。
背景技术
钛合金焊接过程容易被氧化：由于高温下钛合金活性强，在250℃左右开始于空气中的H反应，400℃左右与O反应，600℃左右与N反应。焊接过程中需使用纯度为99.999％的氩气对接头及温度超过300℃以上的区域进行全方位保护，以防止吸氧、氢、氮等杂质。
用激光电弧复合对钛合金进行焊接，热输入量相对于传统的电弧焊要高2-3倍，对焊接过程的保护要求也更高，需要保护的范围也更大，并且焊接过程复合焊枪与激光束呈一定角度导致焊枪附近的区域不能气体保护较为困难。
钛合金相比于其它金属，具有高熔点、密度小、低热传导系数等特点，其在焊接过程中接头极易过热，晶粒易粗化，特别是当钛合金中β稳定元素含量较高时，极易造成β晶粒的粗化，造成塑性的显著降低。由于中厚度钛合金不能一次性焊透，需要多层焊，使得焊接接头更容易过热，使组织粗化。
发明内容
本发明的目的是提供一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置，以解决现有现有厚板钛合金焊接过程中不能一次性焊透，需要多层焊，使得焊接接头更容易过热，使组织粗化的的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述装置包括复合焊枪、激光头、夹取装置、垫板和多个快速夹钳，所述装置还包括连接座、连接块、保护气拖罩、铜片和多个垫片、复合焊枪的支架与激光头通过连接座连接，连接座设有凹型的楔形槽，连接座的楔形槽通过连接块与夹取装置固接，保护气拖罩位于焊枪的后部，保护气拖罩通过铰链机构与连接环连接，连接环装在焊枪上，保护气拖罩设有第一通气孔，第一气动接头与第一通气孔连通，第一气动接头用于通入保护气且设在保护气拖罩的外部，垫板上装有多个用于固定试件的快速夹钳，每个快速夹钳通过垫片与垫板连接，垫板由上至下分为二个腔分别定义为通气腔和通水腔，垫板上端面沿长度方向装有铜片，铜片沿中心线长度方向开有通槽，该通槽位于工件的焊缝的正下方，通槽沿垫板的厚度方向开有多个第二通气孔且第二通气孔与通气腔连通，背保护气进入通气腔后通过第二通气孔对工件的焊缝背部进行保护，第二气动接头与通气腔连通，两个通水接头与通水腔连通，两个通水接头和第二气动接头均设在垫板的外部。
本发明具有以下有益效果：连接座的楔形槽通过连接块与夹取装置固接，此结构简易，并且可以实现焊枪的上下左右调整，以调整激光光斑和电弧中心的距离，并且可以对焊缝的背面和正面进行有效的保护，通过循环水对焊缝的温度进行冷却，防止多层焊多次热输入造成的接头过热。
附图说明
图1是本发明装置示意图，图2是图1的俯视图，图3是保护气拖罩的结构示意图，图4是本发明的立体结构示意图，图5是焊接过程有水冷的焊缝组织图(α′马氏体)，图6是焊接过程无水冷的焊缝组织图(α′马氏体)，图7是热电偶测温曲线图(有水冷)，图8是热电偶测温曲线图(无水冷)，图9是不同层间温度对应的微观组织图，图10是不同层间温度对应的XRD衍射图，图11是不同层间温度对应的焊缝抗拉强度和延伸率图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式装置包括复合焊枪1、激光头2、夹取装置3、垫板4和多个快速夹钳5，所述装置还包括连接座6、连接块7、保护气拖罩8、铜片10和多个垫片9、复合焊枪1的支架与激光头2通过连接座6连接，连接座6设有凹型的楔形槽6-1，连接座6的楔形槽6-1通过连接块7与夹取装置3固接，保护气拖罩8位于焊枪的后部，保护气拖罩8通过铰链机构13与连接环14连接，连接环14装在焊枪1上，保护气拖罩8设有第一通气孔8-1，第一气动接头11与第一通气孔8-1连通，第一气动接头6用于通入保护气且设在保护气拖罩8的外部，垫板4上装有多个用于固定试件的快速夹钳5，每个快速夹钳5通过垫片9与垫板4连接，垫板4由上至下分为二个腔分别定义为通气腔16和通水腔17，垫板4上端面沿长度方向装有铜片10，铜片10沿中心线长度方向开有通槽10-1，该通槽10-1位于工件的焊缝的正下方，通槽10-1沿垫板4的厚度方向开有多个第二通气孔10-2且第二通气孔10-2与通气腔16连通，背保护气进入通气腔16后通过第二通气孔10-2对工件的焊缝背部进行保护，第二气动接头11与通气腔16连通，两个通水接头14与通水腔17连通，两个通水接头14和第二气动接头12均设在垫板4的外部。铰链机构13由4个连接杆顺次铰接构成。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的通水腔17内沿通槽10-1方向设有多个长方体凸块15，每个凸块15的底端面上开有十字形凹槽15-1,如图4所示。在钛合金的焊接过程中，由于钛合金相比于其它金属，具有高熔点、密度小、低热传导系数等特点，其在焊接过程中接头极易过热，晶粒易粗化，特别是当钛合金中β稳定元素含量较高时，极易造成β晶粒的粗化，造成塑性的显著降低。采用水冷装置可以有效的防止上述问题。其它实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的保护气拖罩8靠近激光头2的一端底部开有弧形凹槽8-2，该凹槽8-2靠近激光头2的边缘为弧形且与复合焊枪1的喷嘴贴合，此结构使拖罩与焊枪能够更好的接触。其它实施方式与具体实施方式一相同。
本装置可以由水冷循环系统，通过热传导对焊缝进行冷却，防止晶粒粗化。
通过水冷使焊缝，焊缝区在相变点以上停留的时间变短，在焊缝从液态冷却过程中，抑制了β晶粒充分长大，使其不能形成粗大的晶粒。
原因是焊缝组织在Ms以下发生高温β→α′马氏体的相变时，α′马氏体大量形核，从β相冷却时成核长大或马氏体分解形成的针状α′相。由于在相变温度上停留时间较短，保留下来的细小的初生α′板条马氏体较多。组织形态如图5。
而如果焊接过程无水冷做用，则当焊缝温度焊缝区在相变点以上停留的时间较长，β晶粒充分长大，
原因是降到MS点以下时初生α′板条马氏体首先在原β晶界处形核，其冷却速度缓慢，α′马氏体生长过程时间充分，外观形态较大，同上相互平行规则排列初生α′板条形成集束。针状α′组织也进一步粗化，由细小的针状长大成为较厚的片层状和大的块状形态。由于β→α′相转变的非常充分，所以焊缝中残余的β相的较少，α′板条间β+α′片层厚度极小，如图6所示。缓慢的冷却速度导致了晶粒粗化，次生α′形核率更低，且次生α′长大时间充分，在同一β晶粒内形成的次生α′马氏体相慢慢生长到一起，之间的晶界越来越模糊，最终会长成大的板条马氏体。
在多层焊过程中，前一层焊缝对后一层焊缝有预热作用，不同的层间温度其它参数不变情况下进行焊接，每层的组织性能存在差异。当采用水冷装置焊接时，可以加快焊缝冷却到合适的层间温度，提高焊接效率。有无水冷的测温曲线如图6和图7。
层间温度对焊缝性能影响的结果如下：
通过试验发现当层间温度为200℃时，焊缝力学性能最高。焊缝组织的TEM分析结果如图9。通过观察可以发现α′+β夹层的厚度存在明显差别。主要原因当焊缝层间温度不同时，前一层焊缝表面残留温度不同，对后二层焊缝的预热作用不同，导致后一层焊缝的冷却速率不同。在焊缝冷却的过程中，焊缝组织由单一的β相，发生共析转变，从β相中析出α′相，而组织转变过程中α′和β两相成分比例随冷却速度的变化而不同。当层间温度较低时，后一层焊缝的冷却速度较快，析出β转变不充分，初生α′夹层间的残留β较多。当层间温度较高时，后一层冷却速度较慢，β转变更加充分，析出次生α′相较多，再夹层间可以看到片层状次生α′相。
对不同层间温度的焊缝进行XRD分析。由图10所示，不同层间温度焊缝XRD衍射结果都为α和β相。通过对比两张衍射图片中β相峰的高度可以发现，层间温度100℃时β相峰的高度相对于400℃时较高，说明其β的含量相对较高。通过对其进行力学性能测试发现，当层间温度为200℃是力学性能最好。如图11所示。
钛合金高温的活性强，在高温条件下极易被空气、水份等污染，随着温度的升高，其吸氢、氧、和氮的能力逐渐增强。钛合金在250℃左右开始于空气中的H反应，400℃左右与O反应，600℃左右与N反应，在钛合金焊接过程的对温度超过250℃的位置都要进行氩气隔离保护。为此本装置设计保护拖罩8对焊缝高温区进行保护。

Claims (4)

1.一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置，所述装置包括复合焊枪(1)、激光头(2)、夹取装置(3)、垫板(4)和多个快速夹钳(5)，其特征在于所述装置还包括连接座(6)、连接块(7)、保护气拖罩(8)、铜片(10)和多个垫片(9)，复合焊枪(1)的支架与激光头(2)通过连接座(6)连接，连接座(6)设有凹型的楔形槽6-1，连接座(6)的楔形槽6-1通过连接块(7)与夹取装置(3)固接，保护气拖罩(8)位于焊枪的后部，保护气拖罩(8)通过铰链机构(13)与连接环(14)连接，连接环(14)装在复合焊枪(1)上，保护气拖罩(8)设有第一通气孔(8-1)，第一气动接头(11)与第一通气孔(8-1)连通，第一气动接头(11)用于通入保护气且设在保护气拖罩(8)的外部，垫板(4)上装有多个用于固定试件的快速夹钳(5)，每个快速夹钳(5)通过垫片(9)与垫板(4)连接，垫板(4)由上至下分为二个腔分别定义为通气腔(16)和通水腔(17)，垫板(4)上端面沿长度方向装有铜片(10)，铜片(10)沿中心线长度方向开有通槽(10-1)，该通槽(10-1)位于工件的焊缝的正下方，通槽(10-1)沿垫板(4)的厚度方向开有多个第二通气孔(10-2)且第二通气孔(10-2)与通气腔(16)连通，背保护气进入通气腔(16)后通过第二通气孔(10-2)对工件的焊缝背部进行保护，第二气动接头(18)与通气腔(16)连通，两个通水接头(19)与通水腔(17)连通，两个通水接头(19)和第二气动接头(18)均设在垫板(4)的外部。
2.根据权利要求1所述的一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置，其特征在于通水腔(17)内沿通槽(10-1)方向设有多个长方体凸块(15)，每个凸块(15)的底端面上开有十字形凹槽(15-1)。
3.根据权利要求1所述的一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置，其特征在于保护气拖罩(8)靠近激光头(2)的一端底部开有弧形凹槽(8-2)，该弧形凹槽(8-2)靠近激光头(2)的边缘为弧形且与复合焊枪(1)的喷嘴贴合。
4.根据权利要求1所述的一种中厚度钛合金激光电弧复合焊接装置，其特征在于铰链机构(13)由4个连接杆顺次铰接构成。
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