CN105397337B - 一种利用吸波涂层对钛合金焊缝进行激光修饰焊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用吸波涂层对钛合金焊缝进行激光修饰焊的方法，该方法包括：1)对焊缝进行预处理；2)将吸波涂层涂覆在焊缝位置；3)采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描，完成对钛合金的激光修饰焊操作；其中，以质量百分比计，所述吸波涂层的组成包括40‑70％NaF、10‑20％Y₂O₃、10‑20％Cr₂O₃和10‑20％La₂O₃。本发明提供的技术方案不仅能够有效消除钛合金焊缝表面的咬边缺陷，而且能够显著降低焊接的残余应力。

Description

一种利用吸波涂层对钛合金焊缝进行激光修饰焊的方法

技术领域

本发明涉及一种利用吸波涂层对钛合金焊缝进行激光修饰焊的方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

与常规焊接方法相比，激光焊能量密度高，加热集中，对材料热损伤小，焊缝深宽比大，焊接接头残余应力低，而且焊接精度高，可显著减少焊后加工量，焊接过程易于集成化、自动化、柔性化，属于高速、高精度、高效的高能束流焊接方法，焊接接头质量与电子束焊媲美，却无需真空环境，不产生X射线，是先进的制造技术之一。钛合金蒙皮类结构件之间的激光焊接常见于工程应用中，例如航空、航天机体的蒙皮整体焊接结构。其它的结构如蒙皮与骨架之间的连接可采用激光双光束焊接或者采用激光角焊缝焊接。采用激光焊接钛合金结构件时，由于其结构的特殊性激光焊接有时无法采用填丝焊进行。激光焊的功率密度通常为10⁴-10⁸W/cm²能量非常集中，在进行焊接时会在焊缝表面产生严重的咬边现象，严重影响焊接接头的疲劳性能。

现有钛合金板材的激光焊接技术一般围绕工艺参数进行优化，例如激光功率、焊接速度、焦点位置等等。这些研究均通过工艺参数的调整，来实现对焊缝形貌及性能的调控。当前的研究可以实现对焊缝形貌及性能的优化，但是无法从根本上消除焊缝咬边现象。现有的激光修饰焊采用散焦方式直接对焊缝表面进行二次重熔，虽然可以消除焊缝表面的咬边缺陷，但是由于修饰焊带入的二次能量效应，使得修饰焊后工件严重变形。同时由于焊缝表面的二次重熔，焊缝表面的杂质(如焊接烟尘、氧化物等)容易造成大量微气孔的产生。

目前钛合金板材的激光焊接技术一般围绕工艺参数进行优化，例如激光功率、焊接速度、焦点距材料表面距离(离焦量)、保护气体，以及聚焦镜焦长和线能量等等。这些研究均通过工艺参数的调整，来实现对焊缝形貌及性能的调控。当前的研究可以实现对焊缝形貌及性能的优化，但是无法从根本上消除焊缝咬边现象。

现有的激光修饰焊采用散焦方式直接对焊缝表面进行二次重熔，虽然可以消除焊缝表面的咬边缺陷，但是由于修饰焊带入的二次能量效应，使得修饰焊后工件严重变形，焊接残余应力较大。同时由于焊缝表面的二次重熔，焊缝表面的杂质(如焊接烟尘、氧化物等)容易造成大量微气孔(＜0.1mm)的产生，对性能产生不利影响。

因此，如何解决钛合金板材在进行激光焊时焊缝表面易产生的咬边缺陷，成为本领域的研究热点之一。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种利用吸波涂层对钛合金焊缝进行激光修饰焊的方法，该方法不仅能够有效消除钛合金焊缝表面的咬边缺陷，而且能够显著降低焊接的残余应力。

为达到上述目的，本发明提供了一种利用吸波涂层对钛合金焊缝进行激光修饰焊的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、对焊缝进行预处理；

步骤二、将吸波涂层涂覆在焊缝上，即将吸波涂层涂覆到焊缝的全部位置；

步骤三、采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描，完成对钛合金的激光修饰焊操作；其中，

在步骤二中，以质量百分比计，所述吸波涂层的组成包括40-70％NaF、10-20％Y₂O₃、10-20％Cr₂O₃和10-20％La₂O₃。

将本发明提供的吸波涂层应用于钛合金的激光修饰焊工艺中时，一方面吸波涂层能够有效增加钛合金材料表面对激光的吸收率，降低激光的反射率，从而减少热输入，减小工件的焊接变形及焊缝的残余应力；另一方面吸波涂层能够降低焊缝熔池的表面能，有利于融化金属的铺展、咬边的消除，与此同时，由于焊缝熔池表面能的降低，焊缝表面的微气孔(气孔直径<0.1mm)易于逸出，从而有利于减少焊缝表面微气孔的产生。

在上述方法中，优选地，所述吸波涂层在使用时，首先研磨成粉末状，然后与丙酮或酒精混合成悬浊液，最后将该悬浊液涂覆在焊缝位置；涂刷时，优选涂刷二遍。

在上述方法中，优选地，所述吸波涂层与丙酮或酒精的质量比1:10。

在上述方法中，优选地，在步骤二中，所述吸波涂层的涂覆宽度为焊缝宽度的1-5倍，涂覆长度为焊缝的长度。

在上述方法中，优选地，所述吸波涂层的涂覆厚度为5-30μm。

在上述方法中，优选地，其中：在步骤一中，所述预处理包括以下步骤：先采用酒精或丙酮对焊缝(特别是带有咬边缺陷的焊缝)的表面进行擦拭，以除去焊缝表面的油污然后采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描，以除去焊缝表面残留的有机物。

在上述方法中，优选地，采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描时，所述激光为连续激光，其波长为1.6μm，功率为1000-5000W；所述散焦激光光斑的直径为3-8mm；所述扫描速度为0.8-5m/min。

在上述方法中，优选地，在步骤三中，采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描时，光斑沿焊缝与钛合金板材的熔合区进行扫描。

在上述方法中，优选地，该方法包括以下步骤：

步骤一、对焊缝进行预处理

采用酒精或丙酮对焊缝的表面进行擦拭，然后利用功率为1000-5000W，波长为1.6μm的连续激光，以散焦光斑的方式对焊缝进行扫描，扫描过程中控制光斑的直径为3-8mm，扫描速度为0.8-5m/min；

步骤二、将吸波涂层涂覆在焊缝上

将吸波涂层研磨成粉末状后与丙酮或酒精按质量比为1:10的比例混合成悬浊液，然后将该悬浊液涂覆在焊缝上，涂覆宽度为焊缝宽度的1-5倍，涂覆长度为焊缝的长度，涂覆厚度为5-30μm；其中，以质量百分比计，所述吸波涂层的组成包括40-70％NaF、10-20％Y₂O₃、10-20％Cr₂O₃和10-20％La₂O₃；

步骤三、采用散焦光斑对焊缝进行扫描

利用功率为1000-5000W，波长为1.6μm的连续激光，以散焦光斑的方式对焊缝与钛合金板材的熔合区进行扫描，扫描过程中控制光斑的直径为3-8mm，扫描速度为0.8-5m/min，完成对钛合金焊缝的激光修饰焊操作。

本发明的有益效果：

针对钛合金板材进行激光焊时焊缝表面易产生的咬边缺陷，传统的修饰焊存在焊后工件变形极大，焊缝表层极易出现微气孔等一系列缺陷；与传统的修饰焊相比，本发明提供的技术方案通过对焊缝中的焊缝进行预处理、涂覆吸波涂层以及激光光斑扫描，能够有效调控焊缝的咬边缺陷，获得低焊接应力，无咬边、气孔等缺陷的高质量焊缝；

此外，该方法对于激光焊接在钛合金材料领域的应用具有很高的参考价值，在其它材料方面应用也具有很好的指导意义。

附图说明

图1为激光光斑的扫描轨迹图；

图2为未经修饰焊处理的焊缝；

图3为采用实施例1提供的修饰焊方法处理后的焊缝；

图4为采用实施例2提供的修饰焊方法处理后的焊缝；

图5为采用传统的修饰焊方法处理后的焊缝。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

以下实施例和对比例均是采用2.0mm厚的TC4钛合金板材作为试验母材，该TC4钛合金板材未经修饰焊处理的焊缝情况如图2所示。

实施例1：

本实施例提供了一种利用吸波涂层对钛合金焊缝进行激光修饰焊的方法，其包括以下步骤：

1)对焊缝中的焊缝进行预处理

采用酒精或丙酮对带有咬边缺陷的焊缝的表面进行擦拭，以除去焊缝表面的油污；然后利用连续激光(波长为1.6μm，功率为2000W)，以散焦激光光斑的方式对焊缝进行扫描，以除去焊缝表面残留的有机物，扫描过程中，控制散焦激光光斑的直径为8mm，扫描的速度为1.2m/min；

2)在焊缝位置涂覆吸波涂层

将NaF、Y₂O₃、Cr₂O₃、La₂O₃粉末按照质量比为40％:20％:20％:20％的比例混合均匀，得到吸波涂层；然后将混合好的粉末与丙酮按照质量比为1：10的比例混合成悬浊液，用毛刷将悬浊液涂刷在焊缝位置，涂刷二遍，涂刷宽度为10mm(焊缝宽度为3mm)，涂刷长度为焊缝的长度，涂刷厚度为5μm；

3)采用散焦光斑对焊缝与钛合金板材的熔合区进行扫描

待丙酮挥发完后，利用连续激光(波长为1.6μm，功率为2000W)，以散焦激光光斑对焊缝与钛合金板材的熔合区进行扫描，光斑的直径为8mm，扫描的速度为1.2m/min；扫描时，采用二次扫描的方式对熔合区进行扫描，光斑的运动轨迹如图1所示，首先从A点到B点，然后从D点到C点，完成对钛合金板材的激光修饰焊，经修饰焊后的焊缝情况如图3所示。

实施例2

本实施例提供了一种利用吸波涂层对钛合金焊缝进行激光修饰焊的方法，其包括以下步骤：

1)对焊缝中的焊缝进行预处理

采用酒精或丙酮对带有咬边缺陷的焊缝的表面进行擦拭，以除去焊缝表面的油污；然后利用连续激光(波长为1.6μm，功率为2200W)，以散焦激光光斑的方式对焊缝进行扫描，以除去焊缝表面残留的有机物，扫描过程中，控制散焦激光光斑的直径为6mm，扫描的速度为1.5m/min；

2)在焊缝位置涂覆吸波涂层

将NaF、Y₂O₃、Cr₂O₃、La₂O₃粉末按照质量比为70％:10％:10％:10％的比例混合均匀，得到吸波涂层；然后将混合好的粉末与丙酮按照质量比为1：10的比例混合成悬浊液，用毛刷将悬浊液涂刷在焊缝位置，涂刷二遍，涂刷宽度为12mm(焊缝宽度为4mm)，涂刷长度为焊缝的长度，涂刷厚度为30μm；

3)采用散焦光斑对焊缝与钛合金板材的熔合区进行扫描

待丙酮挥发完后，利用连续激光(波长为1.6μm，功率为2200W)，以散焦激光光斑对焊缝与钛合金板材的熔合区进行扫描，光斑的直径为6mm，扫描速度为1.5m/min；扫描时，采用二次扫描的方式对熔合区进行扫描，光斑的运动轨迹如图1所示，首先从A点到B点，然后从D点到C点，完成对钛合金板材的激光修饰焊，经修饰焊后的焊缝情况如图4所示。

对比例1

本对比例提供了一种基于钛合金的传统修饰焊方法。

该方法直接采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描，光斑直径为8mm，功率为3000W，扫描速度为1.2m/min，经本对比例修饰焊后的焊缝的情况如图5所示。

从图2至图5可以看出，未经修饰焊处理的钛合金焊缝(如图2所示)，其表面产生了严重的咬边现象，严重影响了焊接接头的疲劳性能；经传统修饰焊处理后的钛合金焊缝(如图5所示)，其咬边现象未能完全消除，修饰焊表面有二次微气孔产生，并且由于传统修饰焊带入的二次能量效应，使得焊后钛合金板材变形严重；而经本发明提供的技术方案处理后的钛合金焊缝(如图3和图4所示)，其表面无咬边、微气孔等缺陷，而且由于修饰焊过程中降低了热输入及焊接残余应力，焊后钛合金板材几乎没有发生变形。由此可见，本发明提供的技术方案能够实现对钛合金激光焊缝的有效调控，获得低焊接应力、无咬边、微气孔等缺陷的高质量焊缝。

Claims (9)

1.一种利用吸波涂层对钛合金焊缝进行激光修饰焊的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、对焊缝进行预处理；

步骤二、将吸波涂层涂覆在焊缝上；

步骤三、采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描，完成对钛合金焊缝的激光修饰焊操作；其中，

在步骤二中，以质量百分比计，所述吸波涂层的组成包括40-70％NaF、10-20％Y₂O₃、10-20％Cr₂O₃和10-20％La₂O₃。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：在步骤二中，所述吸波涂层在使用时，首先研磨成粉末状，然后与丙酮或酒精混合成悬浊液，最后将该悬浊液涂覆在焊缝上。

3.根据权利要求2所述的方法，其中：所述吸波涂层与丙酮或酒精的质量比1:10。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：在步骤二中，所述吸波涂层的涂覆宽度为焊缝宽度的1-5倍，涂覆长度为焊缝的长度。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其中：在步骤二中，所述吸波涂层的涂覆厚度为5-30μm。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：在步骤一中，所述预处理包括以下步骤：

先采用酒精或丙酮对焊缝的表面进行擦拭，然后采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其中：采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描时，所述激光为连续激光，其波长为1.6μm，功率为1000-5000W；

所述散焦激光光斑的直径为3-8mm；

扫描速度为0.8-5m/min。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：在步骤三中，采用散焦激光光斑对焊缝进行扫描时，光斑沿焊缝与钛合金板材的熔合区进行扫描。

9.根据权利要求1所述的方法，其中：该方法包括以下步骤：

步骤一、对焊缝进行预处理

采用酒精或丙酮对焊缝的表面进行擦拭，然后利用功率为1000-5000W，波长为1.6μm的连续激光，以散焦光斑的方式对焊缝进行扫描，扫描过程中控制光斑的直径为3-8mm，扫描速度为0.8-5m/min；

步骤二、将吸波涂层涂覆在焊缝上

将吸波涂层研磨成粉末状后与丙酮或酒精按质量比为1:10的比例混合成悬浊液，然后将该悬浊液涂覆在焊缝上，涂覆宽度为焊缝宽度的1-5倍，涂覆长度为焊缝的长度，涂覆厚度为5-30μm；其中，以质量百分比计，所述吸波涂层的组成包括40-70％NaF、10-20％Y₂O₃、10-20％Cr₂O₃和10-20％La₂O₃；

步骤三、采用散焦光斑对焊缝进行扫描

利用功率为1000-5000W，波长为1.6μm的连续激光，以散焦光斑的方式对焊缝与钛合金板材的熔合区进行扫描，扫描过程中控制光斑的直径为3-8mm，扫描速度为0.8-5m/min，完成对钛合金焊缝的激光修饰焊操作。