CN106944756A - 一种薄板对接焊接净成形的双光束激光‑tig复合焊接工艺 - Google Patents

一种薄板对接焊接净成形的双光束激光‑tig复合焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明为一种薄板对接焊接净成形的双光束激光‑TIG复合焊接工艺，适用于薄板对接焊接。目的在于提供一种适用于对接间隙条件下可实现薄板对接焊接净成形的焊接方法，解决其对接焊接过程中容易出现的凹陷、咬边、背部凸起及飞溅等缺陷。其特征在于，以对接焊缝为中心，双激光束倾斜入射，且双光束焦点对称分布在对接间隙两侧金属基材上；TIG电弧中心线同对接焊缝中心线在同一平面，并同板面呈一定角度；焊接时，TIG电弧位于两激光束焦点连线垂直平分线的后侧。与传统激光对接焊接方法相比，本方法在薄板对接焊接过程中，间隙适应性得到较大提升，焊缝熔宽得到明显增加，焊缝表面成形及背部成形得到显著改善，背部飞溅及凸起等缺陷得到有效抑制。

Description

一种薄板对接焊接净成形的双光束激光-TIG复合焊接工艺
技术领域
本发明涉及一种薄板对接焊接(间隙条件下)新方法，具体采用双光束激光-TIG复合焊接工艺。该方法可实现薄板对接焊接焊缝正面无咬边，背面无飞溅、咬边及凸起等缺陷的净成形焊接效果，属于材料加工技术领域。
背景技术
出于构件冷却及长时间稳定工作的目的，火箭发动机尾喷管等主要承热结构多采用具有内流道的主动热防护结构(主要由蒙皮和加工有内流道的基体组成)。由于蒙皮呈三维结构特征，目前采用多段拼焊的工艺进行连接制造。由于蒙皮具有尺寸较大、薄壁的特点，受制造工艺的限制，各段蒙皮间极难实现无缝对接。由于激光束的聚焦光斑小、穿透能力强、熔池桥连性差，单激光焊接时，对接间隙会导致焊缝正面及背面出现咬边，影响焊缝连接强度；焊缝背部会出现凸起、飞溅等缺陷，污染流道，增加流道流阻，降低构件热防护效果。所以，在一定间隙冗余度(间隙不大于板厚的0.2倍)条件下，实现蒙皮这一薄板结构的无缺陷净成形对接焊接，是主动热防护构件激光焊接制造的技术关键和瓶颈。
要提高激光焊接工艺对间隙的适应性，在不添加填充材料的前提下，适当增加焊接熔池体量可有效改善焊缝成形。通过激光束倾斜入射及双光束并行作用等方法，可有效增加对接间隙两侧基体金属熔化区域，改善焊接工艺对间隙的适应性。但这些方法在焊接过程中，要实现双面成形，焊缝熔深必然大于板厚，这将导致焊缝背部出现飞溅及凸起等缺陷，无法满足主动热防护构件对流道形貌的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄板对接(间隙不大于板厚的0.2倍)焊接净成形的焊接方法，消除单激光焊接工艺存在的焊缝凹陷、咬边、背部凸起及飞溅等缺陷，实现净成形的焊接效果，适用于薄板对接焊接。
所述的薄板对接焊接净成形的双光束激光-TIG复合焊接工艺，其特征在于：双激光束倾斜入射，激光束与基体法线的夹角可调节；两束激光的分布方式为沿焊接方向的并列式分布，且双光束焦点对称分布在对接间隙两侧金属基材上，两焦点之间的距离连续可调；TIG电弧中心线同对接焊缝中心线在同一平面；采用双激光束在前，电弧在后的焊接方式进行焊接，即在焊接方向上，TIG电弧位于两激光束焦点连线垂直平分线的后侧，TIG电弧与两束激光焦点的垂直距离连续可调；通过调整激光入射角度、激光功率、电弧电流、双激光束焦点间距、双光束激光与电弧的热源间距、焊接速度等工艺参数，可实现薄板在不同对接间隙下的净成形对接焊接。
所述的薄板对接焊接净成形的双光束激光-TIG复合焊接工艺，其特征在于：可实现厚度为1～2mm、对接间隙不大于板厚的0.2倍的薄板对接焊接，主要工艺参数为：激光入射角度10～40°，双激光束焦点间距0.5～2mm，双光束与电弧热源的垂直间距0.5～3mm，单激光束功率为500～1500W，电弧电流50～200A，焊接速度为1～5m/min。
本方法通过采用激光束在前，电弧在后的双光束激光-TIG复合焊接工艺，首先依靠双光束激光桥接熔池，有效保证桥接焊缝形成的基础上，再充分利用双激光于焊缝两侧的对称作用效果以及激光与电弧热源的复合效果，增加热作用区域，改善焊缝成形，有效增加熔池宽度，进而有效提高熔池桥接能力和间隙适应性，消除焊缝咬边缺陷。另外，在激光深熔焊接深度小于板厚的基础上，通过利用电弧的熔化效应，实现单面焊接双面成形的效果，并从焊缝成形机理上抑制焊缝背部飞溅、凸起等缺陷，实现焊缝净成形的目的。综上，双光束-TIG复合焊接工艺可以实现薄板对接(间隙不大于板厚的0.2倍)焊接净成形，满足主动热防护构件蒙皮对接焊接的工艺要求。
本发明包含以下有益效果：在优化的焊接工艺参数焊接时，可实现焊缝正面成形良好、无咬边缺陷；焊缝背部成形饱满，无凹陷、咬边、凸起等缺陷，实现薄板焊接净成形的目的。同单激光-TIG复合焊接工艺相比，焊缝成形对称性好；同双激光焊接工艺相比，可有效抑制背部飞溅及凸起等缺陷，实现焊缝背部净成形。
附图说明
图1为双光束激光-TIG复合焊接工艺示意图；
图2为实施例1得到的焊缝形貌及背部飞溅；
图3为实施例2得到的焊缝形貌及背部飞溅；
图中，1.左侧激光束LB1，2.TIG电弧，3.左侧工件，4.右侧激光束LB2，5.右侧工件；
具体实施方式
结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式针对有对接间隙条件下的薄板对接焊接，采用双光束激光-TIG复合焊接工艺。其中：左侧激光束1和右侧激光束4以并列方式对称分布在待焊左工件3和右工件5对接间隙两侧，左侧激光束1和右侧激光束4均以角度α倾斜入射，双激光束的焦斑间距a连续可调；TIG电弧2中心线同对接焊缝中心线在同一平面，与工件表面夹角为β，激光束4与TIG电弧2的中心线在工件3上的间距b连续可调。
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
实施例1焊接工艺参数如下表所示：
其中，P为激光功率，V为焊接速度，I为电弧电流，α为激光束入射角，β为电弧倾角，a为激光束焦点之间的距离；对接间隙设置为0.2mm，激光束离焦量为0mm，钨极高度H＝1.5mm，钨极伸出长度L＝5mm；激光束4与电弧2的中心线在工件6上的间距b＝2mm，保护气体为Ar气体，气体流量为15L/min；焊接时在工件下表面2mm处设置飞溅承接板，用其焊后表面状态表征焊接时背部飞溅程度。本实施例所用材料为GH3128薄板，板厚为1mm，焊前用丙酮去除待焊工件表面及对接面上的油污。
从焊缝表面和截面形貌(如图2所示)可以看出，对于实施例1，无电弧条件下，双光束激光对接焊接焊缝熔宽较小，焊缝成形较差，焊缝表面及焊缝背部均存在较大的凹陷缺陷；焊接过程中背部存在飞溅(如飞溅承接板表面状态所示)。而双光束激光-TIG复合对接焊接的焊缝熔宽显著增加；在不同激光入射角度条件下，采用优化焊接工艺参数，焊缝正面成形良好，背部成形饱满，无凹陷、咬边及凸起等缺陷；焊接过程中背部无飞溅。说明在此实施例条件下，双光束激光-TIG复合焊接对间隙对接焊接的焊缝成形具有较好的改善效果，实现焊缝的净成形。
具体实施例2
实施例2焊接工艺参数如下表所示：
其中，P为激光功率，V为焊接速度，I为电弧电流，△t为对接间隙；激光束焦点之间的距离a＝1.5mm,激光束入射角度α＝10°，电弧倾角β＝60°，激光束离焦量为0mm，钨极高度H＝1.5mm，钨极伸出长度L＝5mm；激光束4与电弧2的中心线在工件6上的间距b＝2mm，保护气体为Ar气体，气体流量为15L/min；焊接时在工件下表面2mm处设置飞溅承接板，用其焊后表面状态表征焊接时背部飞溅程度。本实施例所用材料为GH3128薄板，板厚为2mm，焊前用丙酮去除待焊工件表面及对接面上的油污。
从焊缝表面和截面形貌(如图3所示)可以看出，对于实施例2，无TIG电弧条件下，焊缝熔宽较小，焊缝成形极差，焊缝表面及焊缝背部均存在较大的凹陷缺陷；焊接过程中背部存在飞溅(如飞溅承接板表面状态所示)。而双光束激光-TIG复合对接焊接的焊缝熔宽显著增加；两组对接间隙条件下的焊缝表面成形均良好，背部成形饱满，无凹陷、咬边及凸起等缺陷；焊接过程中背部无飞溅。说明在此实施例条件下，双光束激光-TIG复合焊接在保证双面成形良好的前提下，可实现板厚2mm、对接间隙分别为0.3mm和0.4mm条件下的对接焊接净成形。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种薄板对接焊接净成形的双光束激光-TIG复合焊接工艺，其特征在于：双激光束倾斜入射，激光束与基体法线的夹角为10～40°；两束激光的分布方式为沿焊接方向的并列式分布，且双光束焦点对称分布在对接间隙两侧金属基材上，双光束焦点之间的距离为0.5～2mm；TIG电弧中心线同对接焊缝中心线在同一平面，TIG电弧中心线同基体法线夹角为20°～40°。
2.根据权利要求1所述的一种薄板对接净成形的双光束激光-TIG复合焊接工艺，其特征在于：所述的TIG电弧采用直流正接方式。
3.根据权利要求1所述的一种薄板对接净成形的双光束激光-TIG复合焊接工艺，其特征在于：采用双激光束在前，电弧在后的焊接方式进行焊接，即在焊接方向上，TIG电弧位于两激光束焦点连线垂直平分线的后侧，TIG电弧与两束激光焦点的垂直距离范围为0.5～3mm。
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