CN106862771B - 一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法 - Google Patents

一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法，属于焊接技术领域。该方法将激光电弧复合焊接技术和增材制造技术结合，通过激光光致等离子体和熔化极电弧的耦合作用，实现了小电流下稳定的熔滴过渡，通过精确控制每一道焊缝的宽度和深度，实现微小焊道的逐层累积，形成焊接接头，使得每道焊缝热输入更小，焊接热影响区更窄，熔池高温停留时间短，凝固速度加快，获得的熔池宽度变窄，熔池深度变浅，化学成分和组织更加均匀，气孔、裂纹等缺陷更容易控制，晶粒更细小，焊接应力和残余变形小，显著提高高温合金焊接接头的综合性能，增加构件使用寿命，具有较高的性价比。

Description

一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法
技术领域
本发明涉及一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
高温合金是目前航空发动机以及燃气轮机等高温部件不可替代的关键结构材料，焊接是高温合金结构件制造不可缺少的连接手段，高温合金长期在高温、高压、高速旋转及各种氧化腐蚀环境下运行，服役条件苛刻，对焊接接头的性能要求高，焊接的难度大。目前常采用的焊接方法是钨极氩弧焊、电子束焊、钎焊、摩擦焊等，主要问题是高温合金的裂纹敏感性、过热区的晶粒长大、焊缝化学成分及接头组织的不均匀性和焊接接头的等强性等。为了对高温合金焊接接头的缺陷、组织和性能综合控制，提高高温合金的使用寿命，保证高温合金焊接结构的安全运行，对新的焊接方法和工艺提出了越来越高的要求。
激光焊接技术具有能量密度集中、熔深大、焊接速度快、热影响区窄、焊接应力和残余变形小等特点，激光增材制造技术以分层制造为基础，突出个性化、小批量、少流程等特点，适合于精密零件的制造及关键复杂部件的修复，目前受到了广泛关注，将激光焊接技术和增材制造技术结合起来形成激光增材连接技术，将会综合各自的优点，适用于难焊金属和异种材料的连接。经对现有技术的文献检索发现，申请号201511028021.5公开了一份名称为“一种基于激光增材制造技术的激光连接方法”专利文件，该方法利用激光沉积的方法在两连接材料的焊缝之间通过逐层堆积的方法形成一个类似于两母材之间焊缝形状的新材料，利用所形成的新材料来连接两母材的新方法，添加的材料形式是粉末。申请号201511023612.3公开了一份名称为“一种TIG电弧同步预热辅助的基于激光增材制造的连接方法”专利文件，该发明采用非熔化极TIG电弧进行预热，缓解材料焊接过程裂纹敏感倾向，有效改善材料对激光吸收率低、焊接过程耗能大等缺点。申请号201610681729.9公开了一份名称为“激光电弧复合焊3D增材修补装置及修补方法”专利文件，该发明提供一种操作方便、可靠性高、适应性强的激光电弧复合焊增材修补装置，用于增材修补。然而，对于添加的材料是焊丝，利用激光光致等离子体和熔化极电弧的耦合作用，实现小电流下稳定的熔滴过渡，并与增材制造技术结合用于高温合金连接的方法还未见报道，由于采用焊丝，使得添加的成分稳定，成本低，作业环境改善。
发明内容
为了克服现有高温合金焊接技术的不足，本发明提供了一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法，该方法能够提高高温合金焊接接头的性能，增加使用寿命，具有较高的性价比。
本发明的一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法，它是按照以下步骤进行：
步骤一、在焊接前采用刨边机将高温合金的待连接部位加工成X型坡口，然后对距离坡口两端20cm范围内进行打磨露出金属光泽，最后对加工及打磨的部位进行清洗，将清洗后的工件用焊接工装夹具固定；
步骤二、将焊枪与激光头置于同一平面内，激光头竖直向下，焊枪与工件的夹角为30°～60°，与激光头形成旁轴复合，焊丝与工件的交点到激光作用点的距离为0mm～2mm；
步骤三、设置激光辅助熔化极电弧增材连接工艺参数，离焦量为-6mm～+6mm，激光功率为300W～1600W，焊接速度为0.5m/min～1.5m/min，对于直流电源，电弧电压为12V～22V，焊接电流为30A～80A，对于脉冲电源，电弧电压为12V～25V，平均电流为30A～60A，基值电流为20A～40A，脉冲频率为50Hz～120Hz，搭接宽度为0.3mm～1.5mm，每层厚度为0.5mm～2mm，保护气为惰性气体He、Ar或He、Ar的混合气，保护气流量为15L/min～25L/min；
步骤四、设定好运行路径后，启动开关，激光头在前，焊枪在后，激光光致等离子体和电弧形成复合热源熔化焊丝和母材，每堆焊一层结束后，翻转工件，焊接坡口的另一面，坡口两面交叉焊接，形成焊接接头。
本发明焊接方法的原理如下：
该方法的基本思想是通过将大的焊接熔池变为许多小的焊接熔池，改变了熔池的热循环参数，使得每道焊缝热输入更小，焊接热线影响区更窄，熔池高温停留时间短，凝固速度加快，获得的熔池宽度变窄，熔池深度变浅，化学成分和组织更加均匀，气孔、裂纹等缺陷更容易控制，晶粒更细小，焊接应力和残余变形小，最终显著改善焊接接头的综合性能。为了形成微小的焊接熔池，加入激光，形成激光辅助熔化极电弧增材连接方法，通过激光光致等离子体和熔化极电弧的耦合作用，使得复合的电弧稳定，温度提高，进而能够实现在小电流下稳定的熔滴过渡，因此能够降低熔池的大小，通过精确控制每一道焊缝的宽度和深度，实现微小焊道的逐层累积，实现高温合金的连接，该方法是将激光电弧复合焊接技术和增材制造技术结合起来，综合两种技术的优点的一种焊接方法。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
(1)焊接热输入更小，热影响区更窄，降低热影响区的不利影响；
(2)化学成分和组织更加均匀，避免成分偏析；
(3)容易消除气孔、裂纹等焊接缺陷，改善焊缝内部质量；
(4)形成的晶粒更加细小，有利于提高力学性能；
(5)焊接应力和残余变形小；
(6)焊接接头使用寿命提高20％以上。
总之，该方法通过改善焊接接头的组织，细化晶粒，均匀成分，控制缺陷，降低应力和减小变形，显著提高高温合金焊接接头的综合性能，增加使用寿命，具有较高的性价比。
附图说明
图1是用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接示意图，其中，1为焊丝盘，2为送丝轮，3为激光头，4为激光束，5为待焊工件，6为焊枪；图2是采用该方法获得的焊接接头形貌。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
本实施采用光纤激光辅助熔化极电弧增材连接方法对板厚为8mm的Inconel625合金进行焊接，采用的焊丝直径为0.6mm，具体实施方法如下：
步骤一、在焊接前采用刨边机将高温合金的待连接部位加工成X型坡口，坡口角度为90°，钝边为0.6mm，然后对距离坡口两端20cm范围内进行打磨露出金属光泽，最后用丙酮清洗加工及打磨的部位，将清洗后的工件用焊接工装夹具固定；
步骤二、将焊枪与激光头置于同一平面内，激光头竖直向下，焊枪与工件的夹角为35°，与激光头形成旁轴复合，焊丝与工件的交点到激光作用点的距离为0.6mm；
步骤三、设置激光辅助熔化极电弧增材连接工艺参数，离焦量为-4mm，激光功率为600W，焊接速度为1.3m/min，采用脉冲电源，电弧电压为14V，平均电流为40A，基值电流为25A，脉冲频率为60Hz，搭接宽度为0.4mm，每层厚度为0.6mm～0.8mm，保护气为50％He+50％Ar的惰性混合气，保护气流量为17L/min；
步骤四、设定好运行路径后，启动开关，激光头在前，焊枪在后，激光光致等离子体和电弧形成复合热源熔化焊丝和母材，每堆焊一层结束后，翻转工件，焊接坡口的另一面，坡口两面交叉焊接，形成焊接接头。
采用该方法形成的焊接接头的使用寿命比采用钨极氩弧焊形成的焊接接头的使用寿命提高22％，成本降低10％。
实施例2：
本实施采用YAG固体激光辅助熔化极电弧增材连接方法对板厚为12mm的Inconel718合金进行焊接，采用的焊丝直径为0.8mm，具体实施方法如下：
步骤一、在焊接前采用刨边机将高温合金的待连接部位加工成X型坡口，坡口角度为120°，钝边为1.0mm，然后对距离坡口两端20cm范围内进行打磨露出金属光泽，最后用丙酮清洗加工及打磨的部位，将清洗后的工件用焊接工装夹具固定；
步骤二、将焊枪与激光头置于同一平面内，激光头竖直向下，焊枪与工件的夹角为45°，与激光头形成旁轴复合，焊丝与工件的交点到激光作用点的距离为1.8mm；
步骤三、设置激光辅助熔化极电弧增材连接工艺参数，离焦量为+4mm，激光功率为1000W，焊接速度为1.0m/min，采用直流电源，电弧电压为18V，焊接电流为65A，搭接宽度为0.8mm，每层厚度为1.2mm～1.4mm，保护气为惰性气体He，保护气流量为24L/min；
步骤四、设定好运行路径后，启动开关，激光头在前，焊枪在后，激光光致等离子体和电弧形成复合热源熔化焊丝和母材，每堆焊一层结束后，翻转工件，焊接坡口的另一面，坡口两面交叉焊接，形成焊接接头。
采用该方法形成的焊接接头的使用寿命比采用钨极氩弧焊形成的焊接接头的使用寿命提高24％，成本降低12％。
实施例3：
本实施采用光纤激光辅助熔化极电弧增材连接方法对板厚为16mm的GH4738合金进行焊接，采用的焊丝直径为1.0mm，具体实施方法如下：
步骤一、在焊接前采用刨边机将高温合金的待连接部位加工成X型坡口，坡口角度为150°，钝边为1.4mm，然后对距离坡口两端20cm范围内进行打磨露出金属光泽，最后用丙酮清洗加工及打磨的部位，将清洗后的工件用焊接工装夹具固定；
步骤二、将焊枪与激光头置于同一平面内，激光头竖直向下，焊枪与工件的夹角为55°，与激光头形成旁轴复合，焊丝与工件的交点到激光作用点的距离为1.2mm；
步骤三、设置激光辅助熔化极电弧增材连接工艺参数，离焦量为0mm，激光功率为1400W，焊接速度为0.7m/min，采用脉冲电源，电弧电压为20V，平均电流为55A，基值电流为30A，脉冲频率为100Hz，搭接宽度为1.2mm，每层厚度为1.6mm～1.8mm，保护气为惰性气体Ar，保护气流量为21L/min；
步骤四、设定好运行路径后，启动开关，激光头在前，焊枪在后，激光光致等离子体和电弧形成复合热源熔化焊丝和母材，每堆焊一层结束后，翻转工件，焊接坡口的另一面，坡口两面交叉焊接，形成焊接接头。
采用该方法形成的焊接接头的使用寿命比采用钨极氩弧焊形成的焊接接头的使用寿命提高23％，成本降低11％。

Claims (5)

1.一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法，其特征在于，它是按照以下步骤进行：
步骤一、在焊接前采用刨边机将高温合金的待连接部位加工成X型坡口，坡口角度为80°～160°，钝边为0.5mm～1.5mm，然后对距离坡口两端20cm范围内进行打磨露出金属光泽，最后对加工及打磨的部位进行清洗，将清洗后的工件用焊接工装夹具固定；
步骤二、将焊枪与激光头置于同一平面内，激光头竖直向下，焊枪与工件的夹角为30°～60°，与激光头形成旁轴复合，焊丝与工件的交点到激光作用点的距离为0mm～2mm；
步骤三、设置激光辅助熔化极电弧增材连接工艺参数，离焦量为-6mm～+6mm，激光功率为300W～1600W，焊接速度为0.5m/min～1.5m/min，对于直流电源，电弧电压为12V～22V，焊接电流为30A～80A，对于脉冲电源，电弧电压为12V～25V，平均电流为30A～60A，基值电流为20A～40A，脉冲频率为50Hz～120Hz，搭接宽度为0.3mm～1.5mm，每层厚度为0.5mm～2mm，保护气为惰性气体He、Ar或He、Ar的混合气，保护气流量为15L/min～25L/min；
步骤四、设定好运行路径后，启动开关，激光头在前，焊枪在后，激光光致等离子体和电弧形成复合热源熔化焊丝和母材，每堆焊一层结束后，翻转工件，焊接坡口的另一面，坡口两面交叉焊接，形成焊接接头。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法，其特征在于，采用的激光是光纤激光或YAG固体激光。
3.根据权利要求1所述的一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法，其特征在于，采用的高温合金厚度大于5mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法，其特征在于，步骤一所述的清洗采用的是丙酮。
5.根据权利要求1所述的一种用于高温合金的激光辅助熔化极电弧增材连接方法，其特征在于，步骤四所述的焊丝直径为0.4mm～1.0mm。
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