CN107081524A - 一种钛合金激光焊接保护方法 - Google Patents

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罗子艺
陈永城
郭瑞·弗拉基米尔
伊戈尔·克里夫出
韩善果
弗拉基米尔·希达列茨
蔡得涛
高雯雯
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Abstract

一种钛合金激光焊接保护方法，其特点是：采用两组气流对激光焊接过程进行保护，其中一组气流为氦气并通过呈锐角放置的保护罩输送到焊接区域用来保护熔池，气体流量Q1为8～16 L/min，另一组气流为低电离能的氩气并通过呈水平放置的保护罩输送到熔池尾部和焊缝用于冷却金属，气体流量Q2为12～20 L/min，且两组气流相互独立设置，气体流量Q2＞气体流量Q1。本发明由于采用了两组不同的气流，能够为钛合金零件的激光焊接提供有效的气体保护，可获得高质量钛合金焊接接头，且能够对1～12mm厚的钛合金板的激光焊接进行有效保护。

Description

一种钛合金激光焊接保护方法
技术领域
本发明属于材料激光加工技术领域，具体是涉及一种钛合金激光焊接保护方法。
背景技术
钛合金具有优良的性能，在工业领域得到了广泛的应用，尤其在航空航天领域。随着钛合金应用范围扩大，其自身的焊接加工问题也日益突出。由于钛元素活泼性高，焊接过程中易吸氢、吸氧、吸氮导致其塑性下降。因此，在钛合金的激光焊接过程中，由于焊接速度较快，凝固后的焊缝温度还较高，需要同时对熔池和以凝固的焊缝进行保护。
钛合金激光焊接的气体保护方法目前主要有两种：一种是真空室条件焊接，该种方法虽能很好保证焊接效果，但是其成本极高，不利于工业化推广；另一种是气体保护，气体保护方法包括同轴气体保护、侧吹气体保护。
公开号为CN105728940A的发明专利申请，公开了一种激光焊接同轴气体保护方法，该方法一般采用氦气或者氩气或者氦气氩气混合气。该方法的缺点是只能对熔池进行保护，未能很好地保护已凝固的焊缝金属，导致焊缝氧化，呈现黑色或者黄色表面，影响力学性能。
公开号为CN105171236A的发明专利申请，公开了一种激光焊接单管侧吹气体保护方法，该方法存在跟同轴气体保护一样未能对已凝固的焊缝进行有效保护的问题。
公开号为CN106425090A的发明专利申请，公开了一种激光焊接多管L型排管侧吹气体保护方法，该方法虽能同时对熔池和已凝固的焊缝进行保护，但若保护性气体采用氦气，其成本较高，若保护性气体采用氩气，对熔池部分进行保护时，氩气易电离形成金属等离子体对激光有屏蔽作用，不利于激光穿透焊接。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种工艺简单灵活、易操作、成本低，能够对熔池和焊缝进行有效气体保护的钛合金激光焊接保护方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的钛合金激光焊接保护方法，其特点是：采用两组气流对激光焊接过程进行保护，其中一组气流为氦气并通过呈锐角放置的保护罩输送到焊接区域用来保护熔池，气体流量Q1为8～16 L/min，另一组气流为低电离能的氩气并通过呈水平放置的保护罩输送到熔池尾部和焊缝用于冷却金属，气体流量Q2为12～20 L/min，且两组气流相互独立设置，气体流量Q2＞气体流量Q1。
其中，所述呈锐角放置的保护罩与呈水平放置的保护罩之间的夹角为30～50°。而且，激光焊接过程中采用的激光功率为0.5～6kW，焊接速度为15～150m/h。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
1、本发明通过一组气流保护熔池的熔融金属，而另一组气流保护焊缝并冷却焊缝，而且第一组气流使用氦气，氦气的电离能相比于氩气的电离能较高，激光焊接过程中自身不易电离形成等离子体，其保护效果下的熔池更为稳定，第二组气流使用氩气，其电离能较低，在激光高能量作用下容易形成等离子体，对激光有屏蔽作用，可避免大气进入熔池或阻止熔池与200℃的焊缝金属接触，从而能够有效地实现1～12mm板厚钛合金激光焊接熔池和焊缝金属的气体保护；
2、本发明具有成本优势，无需使用大型真空室，即可高效低成本地完成钛合金高质量的焊接；
3、本发明具有工艺灵活性优势，可根据熔池和已凝固金属对保护性气体的工艺需求，选择不同类型的保护气，而且两种气体不混合，避免了氩气对熔池保护的影响。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的气保护原理图。
图2为采用本发明焊接的2.5mm厚BT20合金的焊缝上表面外观图。
图3为采用本发明焊接的6mm厚BT6合金的焊缝上表面外观图。
图4为该本发明焊接的6mm厚BT6合金的焊缝金相图。
图5为采用本发明焊接的4.6mm厚BT22合金与1.6mm厚BT22合金对接接头的上表面外观图。
其中，附图标记：1-激光光束；2-聚焦镜；3-呈锐角放置的保护罩；气流量Q1；4-呈水平放置的保护罩；气流量Q2；5-焊缝根部保护气体；6-焊接零件。
具体实施方式
本发明所述的钛合金激光焊接保护方法，是采用两组气流对激光焊接过程进行保护，其中一组气流为氦气并通过呈锐角放置的保护罩输送到焊接区域用来保护熔池，气体流量Q1为8～16 L/min，另一组气流为低电离能的氩气并通过呈水平放置的保护罩输送到熔池尾部和焊缝用于冷却金属，气体流量Q2为12～20 L/min，且两组气流相互独立设置，气体流量Q2＞气体流量Q1，且采用的激光功率为0.5～6kW，焊接速度为15～150m/h。如图1所示，呈锐角放置的保护罩3是设置在呈水平放置的保护罩4的前端，且呈锐角放置的保护罩与呈水平放置的保护罩之间的夹角为30～50°。
本发明激光焊熔池气保护过程如下：
通过聚焦镜2将激光光束1聚焦在焊接零件6上形成小孔，小孔内充满高压金属蒸汽，在后续高能量激光作用下，形成光致等离子体。呈锐角放置的保护罩3利用高电离能的层流氦气保护熔池的熔融金属，气体流量为Q1，该气流覆盖熔池并可吹走金属等离子体，从而可改善金属等离子体对激光的散射作用，提高激光穿透的能力与焊接稳定性。低电离能的层流氩气通过呈水平放置的保护罩4保护熔池尾部及焊缝，并起到冷却金属的作用，气体流量为Q2，通常Q2＞Q1。焊缝根部保护气体5采用低电离能且成本较低的氩气从焊接零件6的底部保护焊缝根部，它的传送方式与本发明的熔池保护系统无关。为了进行相关的研究实验，根据图1所示的原理图并结合标准聚焦系统（聚焦镜的聚焦距离300mm）设计了熔池和焊缝气保护系统。在该保护系统上进行了一系列钛合金焊接实验（如表1所示），材料厚度从1 mm到12mm。光纤和Nd:YAG激光功率在0.5～6kw间变化，焊接速度从15 m/h到150m/h。熔池保护所用氦气量Q1为8～16 L/min，熔池尾部和焊缝熔融金属保护所用氩气量Q2为12～20 L/min。单道可焊厚度达10mm合金，12mm合金则需要双道（两面）。任何时候都需要对焊缝根部进行单独保护，气流量为10～20 L/min。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一：
在设计的焊接保护系统下对2.5mm厚BT20合金激光焊接，其焊接速度为18m/h，离焦量为-1mm，激光功率为1.0kW。如图2所示，为2.5mm厚BT20合金的焊缝上表面外观，从其表面颜色和状态容易看出，即使焊缝宽度很大（焊缝形状系数K=2～3），不会在焊缝表面生成氧化物和氮化物。
实施例二：
在设计的焊接保护系统下对6mm厚BT6合金激光焊接，其焊接速度为36m/h，离焦量为-2mm，激光功率为5 kW（焊缝形状系数K≈1.3）。如图3所示，为厚度6mm BT6合金焊缝的上表面外观，银色焊缝证明大气没有进入熔池，气体保护效果良好。如图4所示，为6mm BT6合金对接接头金相图片，可以看出无冶金气孔，说明焊接过程稳定。
实施例三：
在设计的焊接保护系统下对厚4.6mm BT22合金与1.6mm BT22合金样品焊接，其焊接速度为60m/h，离焦量为-2mm，激光功率为3.0kW。如图5所示，为采用该保护系统激光焊接的4.6mm厚BT22合金与1.6mm厚BT22合金对接接头的上表面外观。焊缝的颜色及状态证实了，可采用本保护方法针对3mm内不同厚度的样品焊接。
表1 钛合金试验所采用的化学成分（质量比%）
NO 合金牌号 С Fe Si Cr Mo V N Al Zr O H
1 ВТ6 <0.1 <0.30 <0.15 - - 3.5-5.3 <0.05 5.3-6.8 <0.3 <0.2 <0.015
2 ВТ20 <0.1 <0.30 <0.15 - 0.5-2.0 0.8-2.5 <0.05 5.5-7.0 1.5-2.5 <0.15 <0.012
5. ВТ22 <0.1 0.5-1.5 <0.15 0.5-2.0 4.0-5.5 4.0-5.5 <0.05 4.4-5.9 <0.3 <0.2 <0.015
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种钛合金激光焊接保护方法，其特征在于：采用两组气流对激光焊接过程进行保护，其中一组气流为氦气并通过呈锐角放置的保护罩输送到焊接区域用来保护熔池，气体流量Q1为8～16 L/min，另一组气流为低电离能的氩气并通过呈水平放置的保护罩输送到熔池尾部和焊缝用于冷却金属，气体流量Q2为12～20 L/min，且两组气流相互独立设置，气体流量Q2＞气体流量Q1。
2.根据权利要求1所述的钛合金激光焊接保护方法，其特征在于：所述呈锐角放置的保护罩与呈水平放置的保护罩之间的夹角为30～50°。
3.根据权利要求1所述的钛合金激光焊接保护方法，其特征在于：激光焊接过程中采用的激光功率为0.5～6kW，焊接速度为15～150m/h。
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