CN109352179A - 镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，包括：步骤一：对待焊补铸件进行X射线探伤，获得探伤数据；步骤二：根据获得的探伤数据，分析获得铸件内部缺陷的类型及分布位置，通过机械加工对铸件内部缺陷进行清除，获得缺陷清除后的铸件；步骤三：对获得的缺陷清除后的铸件，采用可精密控制激光功率的激光自熔焊接方法使激光束熔化深度为d1的基材底部及侧壁，通过焊接熔池流动释放压铸基材表层的气体。本发明能够实现运载器与飞行器复杂压铸结构件多层多道激光堆焊焊缝强度控制，焊缝与压铸基材结合强度高，多层多道焊缝组织致密，焊缝结合强度高，连续性好。

Description

镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法

技术领域

本发明涉及激光制造技术领域，具体地，涉及镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法。

背景技术

航天运载器、空间飞行器、航空飞行器常用镁合金压铸结构件以满足气动外形和液体贮存的需要，是运载火箭、空间站、超高速飞行器等关键特殊结构，具有轻量化程度高、外形气动性好等特点。然而产品研制过程中，镁合金压铸结构件常常有具有疏松、缩孔、气孔、裂纹、冷隔、浇不足、夹渣和偏析等常见缺陷，除了在铸造过程中采取工艺措施和加强过程控制外，对于铸件缺陷的焊补就成了重要的补救措施。

但镁合金压铸件补焊方法中，镁合金电弧焊接时容易出现粗晶、氧化、裂纹及气孔等缺陷。难以实现镁合金多层多道焊缝强度控制。

采用镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法进行生产，可以焊缝与压铸基材结合强度高，多层多道焊缝组织致密，焊缝结合强度高，连续性好，自动化生产效率高，解决航天复杂镁合金压铸结构焊缝强度控制等问题。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法。

根据本发明提供的一种镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：对待焊补铸件进行X射线探伤，获得探伤数据；

步骤二：根据获得的探伤数据，分析获得铸件内部缺陷的类型及分布位置，通过机械加工对铸件内部缺陷进行清除，获得缺陷清除后的铸件；

步骤三：对获得的缺陷清除后的铸件，采用可精密控制激光功率的激光自熔焊接方法使激光束熔化深度为d1的基材底部及侧壁，通过焊接熔池流动释放压铸基材表层的气体；

步骤四：采用可精准聚焦的激光填丝焊接方法，激光束同步加热焊丝与压铸基材，并调控焊接热输入和焊丝填充量，进行底层多道焊接，压铸基材的熔化深度为d2，每道焊缝搭接宽度为d3，并清理干净底层填充焊缝表面；

步骤五：在清理干净的底层激光填充焊缝表面的基础上，采用激光焊接方法进行多层多道焊接，控制每层焊丝熔化填充量，每层焊缝高度为h1，每层焊缝间熔深度为d4，同一层每道焊缝搭接宽度为d5，控制焊缝层间温度，防止因下层焊缝多次热循环而导致晶粒粗大；

步骤六：在对与压铸基材凹坑侧壁相邻的焊道进行补焊时，增加激光功率，使激光向压铸基材凹坑侧壁偏移，促进凹坑侧壁基材熔化，使焊缝与压铸基材凹坑侧壁熔合；

步骤七：根据镁合金多层堆焊焊缝表面平整度标准，采用激光熔化表层焊缝，根据需要填丝或不填丝，熔合表层焊缝间隙，完成多层多道堆焊。

优选地，所述步骤二，所述通过机械加工对铸件内部缺陷进行清除：

清除后凹坑侧壁倾角的角度大于或等于15°。

优选地，所述深度d1的范围为2mm至4mm，深度d2的范围为1mm至2mm，宽度d3的范围为0.5mm至1mm，高度h1小于或等于5mm，每层焊缝间熔深度为d4的范围为0.5mm至1mm，宽度d5的范围为0.5mm至1mm。

优选地，所述激光自熔焊接方法包括：

选用激光功率密度均匀分布的半导体激光束或者高斯分布散焦激光束，通过激光功率和焊接速度精确控制激光自熔焊接的热输入。

优选地，所述激光填丝焊接方法包括：

利用光斑激光光束同时加热焊丝与压铸基材，并依据焊丝填充量，调整光斑光束的辐照位置，进行能量分配；

所述光斑激光光束包括以下任一种或任多种：圆形光斑光束、双焦点光斑光束、矩形光斑光束。

优选地，所述步骤五，所述焊缝层间温度小于或等于200℃。

优选地，所述步骤七，所述熔合表层焊缝间隙：

采用低热输入激光光束熔化焊缝，消除未熔合间隙，使多道焊缝圆滑成形，且每道焊缝激光加热不超过预设次数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明能够实现运载器与飞行器复杂压铸结构件多层多道激光堆焊焊缝强度控制，焊缝与压铸基材结合强度高，多层多道焊缝组织致密，焊缝结合强度高，连续性好。

2、本发明采用低热输入的激光补焊技术，对航天复杂镁合金结构适应性强，多层多道层间温度控制好，焊缝性能均匀、强度高，铸件基材与焊丝同步熔化而产生冶金结合，提高了焊缝与压铸基材结合力，可以实现镁合金压铸结构件补焊焊缝强度及其均匀性，自动化生产效率高，解决复杂航天镁合金压铸结构件内部缺陷多层多道堆焊的焊缝强度控制难题。

3、本发明解决了镁合金压铸结构件电弧焊接时出现粗晶、氧化、裂纹及气孔等缺陷，难以实现镁合金多层多道焊缝强度控制等技术难题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例1提供的镁合金激光堆焊焊缝强度控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：对待焊补铸件进行X射线探伤，获得探伤数据；

步骤二：根据获得的探伤数据，分析获得铸件内部缺陷的类型及分布位置，通过机械加工对铸件内部缺陷进行清除，获得缺陷清除后的铸件；

步骤三：对获得的缺陷清除后的铸件，采用可精密控制激光功率的激光自熔焊接方法使激光束熔化深度为d1的基材底部及侧壁，通过焊接熔池流动释放压铸基材表层的气体；

步骤四：采用可精准聚焦的激光填丝焊接方法，激光束同步加热焊丝与压铸基材，并调控焊接热输入和焊丝填充量，进行底层多道焊接，压铸基材的熔化深度为d2，每道焊缝搭接宽度为d3，并清理干净底层填充焊缝表面；

步骤五：在清理干净的底层激光填充焊缝表面的基础上，采用激光焊接方法进行多层多道焊接，控制每层焊丝熔化填充量，每层焊缝高度为h1，每层焊缝间熔深度为d4，同一层每道焊缝搭接宽度为d5，控制焊缝层间温度，防止因下层焊缝多次热循环而导致晶粒粗大；

步骤六：在对与压铸基材凹坑侧壁相邻的焊道进行补焊时，增加激光功率，使激光向压铸基材凹坑侧壁偏移，促进凹坑侧壁基材熔化，使焊缝与压铸基材凹坑侧壁熔合；

步骤七：根据镁合金多层堆焊焊缝表面平整度标准，采用激光熔化表层焊缝，根据需要填丝或不填丝，熔合表层焊缝间隙，完成多层多道堆焊。

具体地，所述步骤二，所述通过机械加工对铸件内部缺陷进行清除：

清除后凹坑侧壁倾角的角度大于或等于15°。

具体地，所述深度d1的范围为2mm至4mm，深度d2的范围为1mm至2mm，宽度d3的范围为0.5mm至1mm，高度h1小于或等于5mm，每层焊缝间熔深度为d4的范围为0.5mm至1mm，宽度d5的范围为0.5mm至1mm。

具体地，所述激光自熔焊接方法包括：

选用激光功率密度均匀分布的半导体激光束或者高斯分布散焦激光束，通过激光功率和焊接速度精确控制激光自熔焊接的热输入。

具体地，所述激光填丝焊接方法包括：

利用光斑激光光束同时加热焊丝与压铸基材，并依据焊丝填充量，调整光斑光束的辐照位置，进行能量分配；

所述光斑激光光束包括以下任一种或任多种：圆形光斑光束、双焦点光斑光束、矩形光斑光束。

具体地，所述步骤五，所述焊缝层间温度小于或等于200℃。

具体地，所述步骤七，所述熔合表层焊缝间隙：

采用低热输入激光光束熔化焊缝，消除未熔合间隙，使多道焊缝圆滑成形，且每道焊缝激光加热不超过预设次数。

下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。

实施例1:

如附图1所示，一种镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，包括如下步骤：

步骤一、根据镁合金铸件X射线探伤结果，甄别铸件内部缺陷类型，明确缺陷分布位置，采用机械加工将缺陷完全去除，清除后凹坑侧壁倾角≥15°，满足后续侧壁焊接熔化结合要求；

步骤二、采用精密控制激光功率的激光自熔焊接方法，激光束熔化基材底部及侧壁的熔化层深度2～4mm，经焊接熔池流动释放压铸基材表层饱含气体，消除压铸基材与堆焊层结合面气孔缺陷，提高焊缝结合强度；

步骤三、采用精准聚焦的激光填丝焊接方法，激光束同步加热焊丝与压铸基材，并严格调控焊接热输入和焊丝填充量，进行底层多道焊接，压铸基材熔化深度1～2mm，且每道焊缝搭接宽度约为0.5～1mm，提高每道焊缝间结合强度；

步骤四、在清理干净的底层激光填充焊缝基础上，采用激光焊接方法进行多层多道焊接，控制每层焊丝熔化填充量，每层焊缝高度≤5mm，每层焊缝间熔深0.5～1mm，同层每道焊缝搭接宽度约为0.5～1mm，并严格控制焊缝层间温度，防止下层焊缝多次热循环而晶粒粗大；

步骤五、在压铸基材凹坑侧壁附近焊道补焊时，适当增加激光功率，同步偏移激光倾向压铸基材凹坑侧壁，促进凹坑侧壁基材熔化，强化焊缝与侧壁的熔合，提高侧壁焊缝结合力，同时促进焊缝与基材圆滑过渡，提高焊缝与侧壁结合强度；

步骤六、根据镁合金多层堆焊焊缝表面平整度要求，采用激光熔化表层焊缝，根据需要少量填丝或不填丝，熔合表层焊缝间隙，完成多层多道堆焊。

所述的热输入精密可控的激光自熔焊接方法进行铸件凹坑熔化焊接处理，选用激光功率密度均匀分布的半导体激光或者高斯分布散焦激光束，激光自熔焊接的热输入通过激光功率和焊接速度精确控制，激光束熔化基材底部及侧壁的熔化层深度2～4mm。

所述的底层多道填丝激光焊接方法，利用圆形光斑、双焦点光斑、矩形光斑等激光光束，同时加热焊丝与压铸基材，并依据焊丝填充量，调整光斑辐照位置，进行合理能量分配，同时充分熔化焊丝并控制压铸基材熔深1～2mm。镁合金焊丝依据压铸基材材料成分进行选取，满足铸件强度匹配要求，且易于控制气孔缺陷。

所述的多层多道激光填丝焊接方法，采用精密能量控制的激光光束，同时加热焊丝与下层焊缝，依据送丝速度调整激光束能量分配，同时充分熔化焊丝并控制下层焊缝熔深0.5～1mm，并严格控制层间温度≤200℃。

所述的多层多道激光填丝焊接方法，每层焊接时，如遇焊缝道间间隙，采用低热输入激光光束熔化焊缝，消除未熔合间隙，促进多道焊缝圆滑成形，且每道焊缝激光加热不超过两次，以控制焊缝强度。

实施例2:

根据镁合金压铸结构件多层多道焊缝强度控制要求，采用镁合金激光堆焊焊缝强度控制方法，进行低热输入激光堆焊方法，进行严格控制层间温度的多层多道补焊，实现补焊层焊缝强度及其均匀性控制。航天镁合金压铸结构复杂，难以避免产生气孔、夹杂、疏松等内部铸造缺陷，该方法选用强度匹配镁合金焊丝，采用激光光束同步熔化压铸基材与填充焊丝，混合熔池凝固形成冶金结合，并通过焊接过程层间温度控制，实现镁合金多层多道堆焊焊缝强度控制，获得经补焊合格的复杂结构镁合金铸件。

激光清除过程，需要采用机械加工将缺陷完全去除，清除后凹坑侧壁倾角≥15°；采用精密控制激光功率的激光自熔焊接方法，激光束熔化基材底部及侧壁的熔化层深度3～5mm，经焊接熔池流动释放压铸基材表层饱含气体；采用精准聚焦的激光填丝焊接方法，激光束同步加热焊丝与压铸基材，并严格调控焊接热输入和焊丝填充量，进行底层多道焊接，压铸基材熔化深度1～2mm，且每道焊缝搭接宽度约为0.5～1mm；采用激光焊接方法进行多层多道焊接，控制每层焊丝熔化填充量，每层焊缝高度≤5mm，每层焊缝间熔深0.5～1mm，同层每道焊缝搭接宽度约为0.5～1mm，并严格控制焊缝层间温度，防止下层焊缝多次热循环而晶粒粗大；选用激光功率密度均匀分布的半导体激光或者高斯分布散焦激光束，激光自熔焊接的热输入通过激光功率和焊接速度精确控制，激光束熔化基材底部及侧壁的熔化层深度2～4mm，完成多层多道镁合金激光堆焊焊缝强度控制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：对待焊补铸件进行X射线探伤，获得探伤数据；

步骤二：根据获得的探伤数据，分析获得铸件内部缺陷的类型及分布位置，通过机械加工对铸件内部缺陷进行清除，获得缺陷清除后的铸件；

步骤三：对获得的缺陷清除后的铸件，采用可精密控制激光功率的激光自熔焊接方法使激光束熔化深度为d1的基材底部及侧壁，通过焊接熔池流动释放压铸基材表层的气体；

步骤四：采用可精准聚焦的激光填丝焊接方法，激光束同步加热焊丝与压铸基材，并调控焊接热输入和焊丝填充量，进行底层多道焊接，压铸基材的熔化深度为d2，每道焊缝搭接宽度为d3，并清理干净底层填充焊缝表面；

步骤五：在清理干净的底层激光填充焊缝表面的基础上，采用激光焊接方法进行多层多道焊接，控制每层焊丝熔化填充量，每层焊缝高度为h1，每层焊缝间熔深度为d4，同一层每道焊缝搭接宽度为d5，控制焊缝层间温度，防止因下层焊缝多次热循环而导致晶粒粗大；

步骤六：在对与压铸基材凹坑侧壁相邻的焊道进行补焊时，增加激光功率，使激光向压铸基材凹坑侧壁偏移，促进凹坑侧壁基材熔化，使焊缝与压铸基材凹坑侧壁熔合；

步骤七：根据镁合金多层堆焊焊缝表面平整度标准，采用激光熔化表层焊缝，根据需要填丝或不填丝，熔合表层焊缝间隙，完成多层多道堆焊。

2.根据权利要求1所述的镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，其特征在于，所述步骤二，所述通过机械加工对铸件内部缺陷进行清除：

清除后凹坑侧壁倾角的角度大于或等于15°。

3.根据权利要求1所述的镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，其特征在于，所述深度d1的范围为2mm至4mm，深度d2的范围为1mm至2mm，宽度d3的范围为0.5mm至1mm，高度h1小于或等于5mm，每层焊缝间熔深度为d4的范围为0.5mm至1mm，宽度d5的范围为0.5mm至1mm。

4.根据权利要求1所述的镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，其特征在于，所述激光自熔焊接方法包括：

选用激光功率密度均匀分布的半导体激光束或者高斯分布散焦激光束，通过激光功率和焊接速度精确控制激光自熔焊接的热输入。

5.根据权利要求1所述的镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，其特征在于，所述激光填丝焊接方法包括：

利用光斑激光光束同时加热焊丝与压铸基材，并依据焊丝填充量，调整光斑光束的辐照位置，进行能量分配；

所述光斑激光光束包括以下任一种或任多种：圆形光斑光束、双焦点光斑光束、矩形光斑光束。

6.根据权利要求1所述的镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，其特征在于，所述步骤五，所述焊缝层间温度小于或等于200℃。

7.根据权利要求1所述的镁合金多层多道激光堆焊的焊缝强度控制方法，其特征在于，所述步骤七，所述熔合表层焊缝间隙：

采用低热输入激光光束熔化焊缝，消除未熔合间隙，使多道焊缝圆滑成形，且每道焊缝激光加热不超过预设次数。