CN107414292A - 一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法 - Google Patents

一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法 Download PDF

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Abstract

一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，经焊接准备加工坡口、电子束补焊、焊后处理，可以解决大厚度钛合金焊接后焊缝存在未熔合、气孔和夹杂等焊接缺陷修补周期长，加工尺寸大，修补工作量大，焊接变形大，组织性能稳定性差等问题，降低修复成本，提高修补效率。同时可以进行精密部件加工和使用过程中出现的凹坑、裂纹等缺陷的修复，解决精密部件缺陷常规焊接方法补焊无法满足要求的问题，实现精密修复，避免报废件的产生，降低使用成本。

Description

一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法
技术领域
本发明属于钛合金焊接方法领域，特别涉及一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法。
背景技术
大厚度钛合金焊接存在的焊接缺陷，采用常规焊接方法进行修补焊接时，为了清除缺陷同时保证焊枪可以顺利进入，一般需要加工宽而长的坡口，这不仅增加了坡口加工量，提高了加工周期和加工难度，同时也增加了补焊时填充的金属量，导致焊接周期增长，补焊成本提高，焊接变形增大，严重影响补焊后零部件的尺寸精度和修补效率。而且超窄间隙焊接时极易出现侧壁未熔合现象，严重影响产品的使用性能。
对于精密零部件在加工和使用过程中，出现的局部凹坑、裂纹等影响零部件尺寸精度和使用性能的缺陷，采用传统焊接方法进行补焊无法满足尺寸精度和性能要求，造成报废件的产生，增加使用成本。
现有报道的精密部件激光修补技术主要有两种，一种是不加填充材料干熔，消除焊接缺陷；一种是将焊接材料放入表面缺陷处，采用激光将填充的材料熔化进行焊接，两种方法补焊的均为表层缺陷，对于深部稍大的缺陷不适用，容易产生新的未熔合或气孔缺陷，补焊效果较差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，可以解决大厚度钛合金焊接后焊缝存在未熔合、气孔和夹杂等焊接缺陷修补周期长，加工尺寸大，修补工作量大，焊接变形大，组织性能稳定性差等问题，降低修复成本，提高修补效率。同时可以进行精密部件加工和使用过程中出现的凹坑、裂纹等缺陷的修复，解决精密部件缺陷常规焊接方法补焊无法满足要求的问题，实现精密修复，避免报废件的产生，降低使用成本。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，包括以下步骤，
步骤一、焊接准备
通过无损检测，确定零件上缺陷位置和大小，采用微尺寸加工刀具进行缺陷去除，在缺陷位置加工坡口，对坡口进行清洁处理之后无损检验，确保坡口位置表面的清洁；
步骤二、焊接方法
在坡口处采用熔丝激光焊接，激光功率1~4KW，离焦量0~+6mm，随焊保护气流量5-40L/min，摆动频率50-200Hz，摆动幅值0-2mm，通过摆动焊接将坡口从头至尾焊接完成；
步骤三、焊后处理
焊接结束后，将零件在工装上固定，采用激光大功率散焦扫描加热，进行局部精确热处理。
本发明所述的步骤一中坡口进行清洁处理的方法是采用300-500W低功率激光快速扫描对缺陷表面进行清理。
本发明所述的步骤一中坡口的宽度在2-4mm，长度4-50mm范围内，孔底圆滑，无直角弯。
本发明所述的摆动波形为折线、圆形、矩形或三角形。
本发明所述的步骤二中，当焊丝和激光部分重叠，焊丝送进位置位于激光光斑中心（-0.35mm，0.65mm）范围内。
本发明所述的步骤三中激光大功率散焦扫描加热方法是，激光功率0.5~4KW，焊接速度0.6-1.2m/min，随焊保护气流量5-20L/min，离焦量+2~+10mm，摆动波形圆形，摆动频率50-200Hz，进行焊缝后热。
本发明所述的步骤二中还包括焦点扫描，在进行焊接时，激光束同时对坡口侧壁进行加热。
本发明所述的焊丝直径1.2mm或3mm。
本发明所述的焊接速度0.6-1.2m/min。
本发明有益效果是：采用激光可以实现零部件缺陷的精密补焊，不仅可以减小缺陷加工消除的深度，降低加工成本，同时由于加工尺寸小，补焊填充量小，焊接变形小，补焊后尺寸精度高，通过后续激光散焦局部精确热处理，减小焊接残余应力，从而保证尺寸精度和力学性能的稳定性。该方法可以保证修复质量，缩短修补周期，降低修补成本，实现精密修复，避免报废件的产生。
附图说明
图1为本发明激光精密补焊示意图；
图2为本发明激光精密补焊坡口示意图；
图3为本发明修补时侧壁加热示意图。
具体实施方式
一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，包括以下步骤：
（1）焊前准备
通过无损检测，确定缺陷位置和大小，采用微尺寸加工刀具进行缺陷去除，在缺陷位置加工坡口，之后无损检验，确保缺陷清除之后，采用低功率（300-500W）激光快速扫描对缺陷表面进行清理，确保待焊缺陷位置表面的清洁。为了保证焊丝熔化后良好的熔入填充，需要保证待补焊位置的坡口宽度在2-4mm，长度4-50mm范围内，孔底圆滑，无直角弯。
（2）焊接方法
采用熔丝激光焊接，激光功率1~4KW，焊接速度0.6-1.2m/min，离焦量0~+6mm，焊丝直径1.2mm或3mm，随焊保护气流量5-40L/min，摆动波形折线、圆形、矩形、三角形，摆动频率50-200Hz，摆动幅值0-2mm，通过摆动预热侧壁，避免侧壁未熔合缺陷的产生。为了保证焊丝加热和熔滴过渡的顺利稳定，需要对焊丝送进位置进行严格控制，当焊丝和激光部分重叠，焊丝送进位置位于激光光斑中心（-0.35mm，0.65mm）范围时，焊丝熔化过程会比较平稳，熔滴以稳定的“搭桥”过渡形式进入熔池，熔滴既与工件表面接触，而且靠近焊接熔池前沿，在熔池表面张力作用下平稳进入熔池，不会产生飞溅和未熔合等焊接缺陷，焊缝成形光滑、均匀。通过单道或多道焊接，保证缺陷位置完全填充为止，通过焊接工艺：散焦、扫描和焊丝与激光相对位置的相对关系，可以实现极有限、极狭窄空间的高效可靠无缺陷焊接。
（3）焊后处理
焊接结束后，零件在工装上固定，采用激光大功率散焦扫描加热，进行局部精确热处理，激光功率0.5~4KW，焊接速度0.6-1.2m/min，随焊保护气流量5-20L/min，离焦量+2~+10mm，摆动波形圆形，摆动频率50-200Hz，通过焊缝后热，细化晶粒，稳定组织，降低焊接残余应力。钛合金焊后会有极大的焊接应力，容易产生焊后延迟缺陷，焊后大功率激光大散焦扫描，只对焊接部分进行处理，可以细化晶粒，消除应力集中，降低残余应力，避免整体热处理带来的变形和性能降低等不良影响，同时降低成本。
（4）焊后检验
检查零部件尺寸是否超差，无损检测焊缝是否存在气孔、裂纹、未熔合等焊接缺陷，如存在缺陷继续修补直到完全消除。
（5）力学性能检测
进行理化性能测试或者工况模拟测试。
如图3所示，采用正离焦量使得焦点位置位于待焊位置的上部，通过正离焦量可以扩大熔化填充金属的范围，保证待修补的位置底部全部被激光束覆盖，有利于焊接填充的金属在激光束的作用下充分铺展。同时添加焦点扫描，通过摆动幅值对侧壁进行加热，从而保证侧壁和填充金属表面张力差减少，有利于填充金属的铺展，从而实现无缺陷的修补。
实施例1 钛合金
待修补零件采用TC4钛合金，焊缝位置存在气孔缺陷，通过无损检测，确定气孔缺陷位置在上表面下方3mm处，缺陷尺寸大小为0.3mm，采用微尺寸加工刀具进行缺陷去除，加工坡口之后无损检验，确保缺陷清除之后，采用低功率300W激光快速扫描对缺陷表面进行清理，确保待焊缺陷位置表面的清洁。坡口加工孔深度为5mm，宽2mm，长8mm，孔底圆滑，无直角弯，可以确保激光补焊时金属液可以稳定的填充过渡。
采用熔丝激光焊接进行修补焊，激光功率1KW，焊接速度0.8m/min，离焦量+4mm，焊丝直径1.2mm，随焊保护气流量10L/min，摆动波形为圆形，摆动频率100Hz，摆动幅值1mm，焊丝送进位置位于激光光斑中心0.2mm处，进行2道焊接，保证缺陷位置完全填充。
焊接结束后，零件继续在工装上固定，采用大功率激光散焦扫描加热，激光功率2KW，焊接速度0.6m/min，随焊保护气流量20L/min，离焦量+6mm，摆动波形圆形，摆动频率200Hz，通过焊缝后热，降低焊接残余应力，改善接头性能。
焊后检验，通过三坐标检测仪检查零件尺寸，平面度0.15mm满足要求；无损检测焊缝不存在气孔、裂纹、未熔合等焊接缺陷，按照NB47013标准I级合格；通过1MPa气密压力试验，未发生泄漏；采用与零部件同材质、同状态、同厚度、同坡口深度尺寸，按照同参数同方法路线进行试验。零件性能如表1所示。
表1 为实施例1的室温拉伸性能
实施例2 钛合金
待修补零件采用TC4钛合金，焊缝位置存在气孔缺陷，通过无损检测，确定气孔缺陷位置在上表面下方8mm处，缺陷尺寸大小为1mm，采用微尺寸加工刀具进行缺陷去除，开出坡口之后无损检验，确保缺陷清除之后，采用功率500W激光快速扫描对缺陷表面进行清理，确保待焊缺陷位置表面的清洁。坡口加工孔深度为10mm，宽4mm，长10mm，孔底圆滑，无直角弯，可以确保激光补焊时金属液可以稳定的填充过渡。
采用熔丝激光焊接进行修补焊，激光功率4KW，焊接速度0.8m/min，离焦量+6mm，焊丝直径3mm，随焊保护气流量10L/min，摆动波形折线1mm，摆动频率100Hz，摆动幅值1.5mm，焊丝送进位置位于激光光斑中心0.6mm处，进行2道焊接，保证缺陷位置完全填充。
焊接结束后，零件继续在工装上固定，采用大功率激光散焦扫描加热，激光功率4KW，焊接速度1.2m/min，随焊保护气流量20L/min，离焦量+6mm，摆动波形圆形，摆动频率50Hz，通过焊缝后热，降低焊接残余应力，改善接头性能。
焊后检验，通过三坐标检测仪检查零件尺寸，平面度0.15mm满足要求；无损检测焊缝不存在气孔、裂纹、未熔合等焊接缺陷，按照NB47013标准I级合格；通过1MPa气密压力试验，未发生泄漏；采用与零部件同材质、同状态、同厚度、同坡口深度尺寸，按照同参数同方法路线进行试验。零件性能如表1所示。
表2为实施例2的室温拉伸性能
实施例3 钛合金
待修补零件采用TC4钛合金，焊缝位置存在气孔缺陷，通过无损检测，确定气孔缺陷位置为上表面下方1mm处，缺陷尺寸大小0.2mm，采用微尺寸加工刀具进行缺陷去除，加工坡口之后无损检验，确保缺陷清除之后，采用低功率300W激光快速扫描对缺陷表面进行清理，确保待焊缺陷位置表面的清洁。坡口加工孔深度为2mm，宽2mm，长3mm，孔底圆滑，无直角弯，可以确保激光补焊时金属液可以稳定的填充过渡。
采用熔丝激光焊接进行修补焊，激光功率1KW，焊接速度0.6m/min，离焦量0mm，焊丝直径1.2mm，随焊保护气流量5L/min，摆动波形圆形1，摆动频率50Hz，摆动幅值2mm，焊丝送进位置位于激光光斑中心0.2mm处，进行1道焊接，保证缺陷位置完全填充。
焊接结束后，零件继续在工装上固定，采用大功率激光散焦扫描加热，激光功率0.5KW，焊接速度0.6m/min，随焊保护气流量10L/min，离焦量+2mm，摆动波形圆形，摆动频率50Hz，通过焊缝后热，降低焊接残余应力，改善接头性能。
焊后检验，通过三坐标检测仪检查零件尺寸，平面度0.15mm满足要求；无损检测焊缝不存在气孔、裂纹、未熔合等焊接缺陷，按照NB47013标准I级合格；通过1MPa气密压力试验，未发生泄漏；采用与零部件同材质、同状态、同厚度、同坡口深度尺寸，按照同参数同方法路线进行试验。零件性能如表1所示。
表3为实施例3的室温拉伸性能
以上所述是本发明的常用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一、焊接准备
通过无损检测，确定零件上缺陷位置和大小，采用微尺寸加工刀具进行缺陷去除，在缺陷位置加工坡口，对坡口进行清洁处理之后无损检验，确保坡口位置表面的清洁；
步骤二、焊接方法
在坡口处采用熔丝激光焊接，激光功率1~4KW，离焦量0~+6mm，随焊保护气流量5-40L/min，摆动频率50-200Hz，摆动幅值0-2mm，通过摆动焊接将坡口从头至尾焊接完成；
步骤三、焊后处理
焊接结束后，将零件在工装上固定，采用激光大功率散焦扫描加热，进行局部精确热处理。
2.如权利要求1所述的一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，其特征在于：所述的步骤一中坡口进行清洁处理的方法是采用300-500W低功率激光快速扫描对缺陷表面进行清理。
3.如权利要求1所述的一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，其特征在于：所述的步骤一中坡口的宽度在2-4mm，长度4-50mm范围内，孔底圆滑，无直角弯。
4.如权利要求1所述的一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，其特征在于：所述的摆动波形为折线、圆形、矩形或三角形。
5.如权利要求1所述的一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，其特征在于：所述的步骤二中，当焊丝和激光部分重叠，焊丝送进位置位于激光光斑中心（-0.35mm，0.65mm）范围内。
6.如权利要求1所述的一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，其特征在于：所述的步骤三中激光大功率散焦扫描加热方法是，激光功率0.5~4KW，焊接速度0.6-1.2m/min，随焊保护气流量5-20L/min，离焦量+2~+10mm，摆动波形圆形，摆动频率50-200Hz，进行焊缝后热。
7.如权利要求1所述的一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，其特征在于：所述的步骤二中还包括焦点扫描，在进行焊接时，激光束同时对坡口侧壁进行加热。
8.如权利要求1所述的一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，其特征在于：所述的焊丝直径1.2mm或3mm。
9.如权利要求1所述的一种钛合金零部件缺陷激光精密修补焊方法，其特征在于：所述的焊接速度0.6-1.2m/min。
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