CN110091066B - 一种钛合金件的激光-电弧复合焊接方法 - Google Patents

一种钛合金件的激光-电弧复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钛合金件的激光‑电弧复合焊接方法，包括对焊接材料选用、开V型坡口、进行复合焊接参数选择以及焊接路径规划。对钛合金件进行焊接，焊接后焊缝成形优良，无明显飞溅、咬边、夹渣等缺陷，焊缝总深宽比大，焊后变形很小，还克服了层间融合不良、裂纹夹渣较多、缝成型不良及生产效率低等缺点，同时，打底焊所用激光功率为5700‑6000W，可以获得较大的深宽比，可保证打底焊焊透且不会因为采用较高的热输入导致晶粒粗大、焊后变形，在焊接钛合金板时采用三层焊缝，在焊缝处的正面先打底焊一道，然后继续直线焊接路径填充三道，最后在焊缝处的背面直接焊接路径填充一道，这样的焊接层次提高钛合金焊接接头力学性能，保证了焊接的稳定性。

Description

一种钛合金件的激光-电弧复合焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接方法，尤其涉及一种钛合金件的激光-电弧复合焊接方法。
背景技术
钛及钛合金有众多优点，如比强度高、耐蚀性好、耐热、无磁、低温力学性能良好、加工性能好等，钛在中性和氧化性气氛及众多恶劣环境中，具有比其它常用金属高得多的耐腐蚀性能。在长期处于高温、高湿及海水飞溅的海洋气氛中能具有良好的抗腐蚀能力，由于其优良的特性在高性能飞行器结构材料中更占有重要地位，主要用来代替飞机结构中常用的高强结构钢，可减轻结构重量的40％，船用钛合金应用领域涉及船体结构、推进系统、电力系统、电子信息系统、辅助系统、特种装置等。除了航空、航天、舰船，钛合金还被广泛应用于兵器、化工、汽车和生物医学等领域。
对钛合金的焊接多采用电弧焊接，其焊接深宽比小，容易造成未焊透、未融合等焊接缺陷，而采用较高的热输入又容易造成晶粒粗大、焊后变形严重，因此，钛合金件的焊接改进为熔化极气体保护焊(MIG焊)，并进行多层多道填充，虽然该工艺操作简单、成本较低，但也存在局限性，在焊接厚板钛合金板时，层间融合不良，裂纹夹渣较多，焊缝成型不良，同时，焊道数量多导致层数和焊接时间长，效率低下，多次焊接同样增加了劳动强度，且误差和缺陷逐渐积累，会影响焊接质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种焊接变形量小、焊接质量稳定且焊接效率高的钛合金件的激光-电弧复合焊接方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种钛合金件的激光-电弧复合焊接方法，包括以下步骤：
1)焊接材料的选用：钛合金件的厚度为14mm～16mm，其化学成分的重量百分比为：Al5.5％～6.3％、V3.9％～4.3％、Fe0.03％～0.07％、C0.009％～0.01％、N0.026％～0.028％、H0.005％～0.007％、O0.11％～0.13％、余量为Ti；
2)设计待焊接钛合金件的坡口形状：进行单面焊接成形，待钛合金件开V型坡口，坡口角度为45°，钝边6-8mm，钝边间距0.05-0.2mm，焊前对坡口附近进行仔细打磨，去除焊板表面残留的杂质，使用丙酮擦拭、清洗焊板，去除残余油污；
3)对钛合金件进行激光-电弧复合焊接处理，复合焊接参数：
打底焊所用激光功率为5700-6000W，焊接电流为160A，焊接速度为2m/min，送丝速度为8m/min；
填充焊所用激光功率为800-900W，焊接电流为130-210A，焊接速度为1m/min，送丝速度为12m/min；
4)焊接路径规划：在焊缝处的正面先打底焊一道，然后继续直线焊接路径填充三道，最后在焊缝处的背面直接焊接路径填充一道。
为了保证较好的焊接效果，优选地，在步骤3)中，焊接过程保护采用99.99％Ar，焊枪流量控制在28-40L/min，外接保护罩气体流量为10-15L/min，提前送气时间6-10s，滞后关气时间7-10s，光丝间距为0mm，离焦量为-2mm，干伸长为19-25mm，电弧焊枪倾角45°。
进一步优选，在步骤3)中，焊枪流量控制在30L/min，外接保护罩气体流量为12.5L/min，提前送气时间6s，滞后关气时间8s。
为了保证焊接效果，进一步减小，优选地，上述步骤3)中填充焊所用焊接电流为200A，打底焊所用的焊接电流为160A。
优选地，所述钛合金件的化学成分的重量百分比为：Al6％、V4.1％、Fe0.05％、C0.01％、N0.027％、H0.006％、O0.12％、余量为Ti。
为了更好对钛合金件进行焊接，保证焊接效果，所述钛合金件的厚度为14mm～16mm。
进一步优选，所述钛合金件的厚度为15mm。
优选地，所述V型坡口的钝边为7mm，钝边间距为0.1mm。
所述钛合金件包括有至少两个相邻布置的待焊板，为了保证能形成优良的焊缝，作为改进，焊接过程采用以下步骤：
a、在相邻两个待焊板的拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道；
b、在相邻两个待焊板的拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道；
c、相邻两个待焊板的拼接焊缝处的正面在偏向其中一个待焊板的一侧进行直接焊接路径填充第二道；
d、在相邻两个待焊板的拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道；
e、相邻两个待焊板的拼接焊缝处的正面在偏向另外一个待焊板的一侧进行直接焊接路径填充第三道。
进一步地，所述钛合金件包括有底板、设置在底板左右两侧的其中一侧的侧立板以及设置在底板后侧的后立板，焊接过程采用以下步骤：
a、在相邻底板与侧立板拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道，相邻底板与后立板拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道，相邻后立板与侧立板拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道；
b、在相邻后立板与侧立板拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道，相邻底板与后立板拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道，相邻底板与侧立板拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道；
c、相邻底板与后立板拼接焊缝处的正面在偏向底板的一侧进行直线焊接路径填充第二道，后立板与侧立板拼接焊缝处的正面在偏向侧立板的一侧进行直线焊接路径填充第二道，底板与侧立板拼接焊缝处的正面在偏向底板的一侧进行直线焊接路径填充第二道；
d、相邻底板与后立板拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道，相邻后立板与侧立板拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道，相邻底板与侧立板拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道；
e、相邻底板与后立板拼接焊缝处的正面在偏向后立板的一侧进行直线焊接路径填充第三道，相邻后立板与侧立板拼接焊缝处的正面在偏向后立板的一侧进行直线焊接路径填充第三道，相邻底板与侧立板拼接焊缝处的正面在偏向侧立板的一侧进行直线焊接路径填充第三道。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1、本发明通过激光-电弧复合焊接技术，对钛合金件进行焊接，焊接后焊缝成形优良，无明显飞溅、咬边、夹渣等缺陷，焊缝总深宽比大，焊后变形很小，本发明还克服了采用传统电弧焊接技术焊接厚板钛合金时存在的层间融合不良，裂纹夹渣较多，焊缝成型不良，生产效率低等缺点；2、在焊接厚度为15mm的钛合金板时采用三层焊缝，在焊缝处的正面先打底焊一道，然后继续直线焊接路径填充三道，最后在焊缝处的背面直接焊接路径填充一道，这样的焊接层次提高钛合金焊接接头力学性能，保证了焊接的稳定性；3、打底焊所用激光功率为5700-6000W，可以获得较大的深宽比，可保证打底焊焊透且不会因为采用较高的热输入导致晶粒粗大、焊后变形。
附图说明
图1为本发明实施例的俯视图；
图2为本发明实施例的侧立板的结构示意图；
图3为本发明实施例的后立板的结构示意图；
图4为图2中沿A-A方向的剖面图；
图5为图1中沿B-B方向的剖面图；
图6为图1中沿C-C方向的剖面图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：
如图1至图6所示，为本发明的一个优选实施例，本实施例的钛合金件的激光-电弧复合焊接方法适用于钛合金件的相互焊接，本实施例中的钛合金件具体包括至少两个相邻布置的待焊板，焊接时所采用的设备为KR30HA机器人、TPS-4000福尼斯焊机、YLS-6000型光纤激光器(含配套水冷机)等共同组成的激光-电弧复合焊接装置。
该钛合金件的激光-电弧复合焊接方法包括以下步骤：
1)焊接材料的选用：钛合金件的厚度为14mm～16mm，本实施例中的待焊板板材厚度具体为15mm，其化学成分的重量百分比为：Al5.5％～6.3％、V3.9％～4.3％、Fe0.03％～0.07％、C0.009％～0.01％、N0.026％～0.028％、H0.005％～0.007％、O0.11％～0.13％、余量为Ti，具体地，在本实施例中，钛合金件的化学成分的重量百分比为：Al6％、V4.1％、Fe0.05％、C0.01％、N0.027％、H0.006％、O0.12％、余量为Ti，上述的板材属于钛合金，室温下微观形貌为典型的α+β型两相组织，所用的焊接材料为TC4焊丝，焊丝直径1.2mm，焊丝化学成分与板材化学成分相同；
2)设计待焊接钛合金件的坡口形状：进行单面焊接成形，待钛合金件开V型坡口，坡口角度为45°，钝边6-8mm，钝边间距0.05-0.2mm，本实施例中优选，钝边7mm，钝边间距0.1mm，焊前对坡口附近进行仔细打磨，去除焊板表面残留的杂质，使用丙酮擦拭、清洗焊板，去除残余油污以确保钛合金板材表面清洁；
3)对钛合金件进行激光-电弧复合焊接处理，其激光-电弧复合焊接参数为：
焊接过程保护采用99.99％Ar，焊枪流量控制在28-40L/min，外接保护罩气体流量为10-15L/min，提前送气时间6-10s，滞后关气时间7-10s，本实施例中，主要采用参数为：焊枪流量为30L/min，外接保护罩气体流量为12.5L/min，提前送气时间6s，滞后关气时间8s，光丝间距为0mm，离焦量为-2mm，干伸长为19-25mm，电弧焊枪倾角45°；
打底焊所用激光功率为5700-6000W，在这一范围内的激光功率能满足焊接成形优良的需求，不会因为功率过大而导致造成晶粒粗大、焊后严重变形，也不会因为功率过低导致未焊透，在本实施例中，打底焊所用的激光功率优选为5700W，采用5700W不会出现焊透现象，也不会发生未焊透现象；所采用的焊接电流为150A-170A，采用该焊接电流范围满足了焊接成形优良的需求，不会因电流过大而出现焊后严重变形，而电流过小时层间融合不良，此外，打底焊所采用的焊接速度为2m/min，送丝速度为8m/min；
填充焊所用激光功率为800-900W，焊接电流为130-210A，焊接速度为1m/min，送丝速度为12m/min，具体地，本实施例中填充焊所用焊接电流为200A，采用该焊接电流使得电弧可以在激光的引导下进行稳定高效的焊接，保证了焊缝成型优良，焊缝表面不会出现常见的焊接缺陷，此外，填充焊及盖面焊时，可降低激光功率，增大电弧功率，从而适当减小焊缝深宽比；通过激光引导并稳定电弧，可获得较好的层间熔合效果及盖面成形；
4)焊接路径规划：在焊缝处的正面先打底焊一道，然后继续直线焊接路径填充三道，最后在焊缝处的背面直接焊接路径填充一道。
在本实施例中，焊接过程采用以下步骤：
a、在相邻两个待焊板的拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道；
b、在相邻两个待焊板的拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道；
c、相邻两个待焊板的拼接焊缝处的正面在偏向其中一个待焊板的一侧进行直接焊接路径填充第二道；
d、在相邻两个待焊板的拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道；
e、相邻两个待焊板的拼接焊缝处的正面在偏向另外一个待焊板的一侧进行直接焊接路径填充第三道。
在本实施例中，具体而言，上述的钛合金件包括有底板1、设置在底板1左右两侧的其中一侧的侧立板2以及设置在底板1后侧的后立板3，在焊接过程中，结合上述的底板1、侧立板2和后立板3，本实施例中的焊接过程具体采用以下步骤：
a、在相邻底板1与侧立板2拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道，相邻底板1与后立板3拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道，相邻后立板3与侧立板2拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道；
b、在相邻后立板3与侧立板2拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道，相邻底板1与后立板3拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道，相邻底板1与侧立板2拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道；
c、相邻底板1与后立板3拼接焊缝处的正面在偏向底板1的一侧进行直线焊接路径填充第二道，后立板3与侧立板2拼接焊缝处的正面在偏向侧立板2的一侧进行直线焊接路径填充第二道，底板1与侧立板2拼接焊缝处的正面在偏向底板1的一侧进行直线焊接路径填充第二道；
d、相邻底板1与后立板3拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道，相邻后立板3与侧立板2拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道，相邻底板1与侧立板2拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道；
e、相邻底板1与后立板3拼接焊缝处的正面在偏向后立板3的一侧进行直线焊接路径填充第三道，相邻后立板3与侧立板2拼接焊缝处的正面在偏向后立板3的一侧进行直线焊接路径填充第三道，相邻底板1与侧立板2拼接焊缝处的正面在偏向侧立板2的一侧进行直线焊接路径填充第三道。
经本焊接方法焊接后的钛合金件焊缝宏观形貌成形好，没有明显飞溅、咬边、夹渣及宏观裂纹缺陷，焊接接头表面呈均匀的鱼鳞状，结构整体变形小。
另外，在本实施例中，需要注意的是，激光-电弧复合焊接时，填充层以电弧焊接为主，激光焊接为辅，主要进行材料填充及熔覆的过程；而打底焊接以激光焊接为主，实现深熔焊接，确保钝边底部可焊透。
实施例二：
本实施例与上述实施例一的区别仅在于打底焊所采用的激光功率不同，具体地，该打底焊所用激光功率为6000W。
采用该激光功率所得到的焊缝宏观形貌成形好，没有明显飞溅、咬边、夹渣及宏观裂纹缺陷，焊接接头表面呈均匀的鱼鳞状，结构无变形。
另外，激光-电弧复合焊接时，填充层以电弧焊接为主，激光焊接为辅，主要进行材料填充及熔覆的过程；而打底焊接以激光焊接为主，实现深熔焊接，确保钝边底部可焊透。

Claims (6)

1.一种钛合金件的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
1)焊接材料的选用：钛合金件的化学成分的重量百分比为：Al5.5％～6.3％、V3.9％～4.3％、Fe0.03％～0.07％、C0.009％～0.01％、N0.026％～0.028％、H0.005％～0.007％、O0.11％～0.13％、余量为Ti；
2)设计待焊接钛合金件的坡口形状：进行单面焊接成形，待钛合金件开V型坡口，坡口角度为45°，钝边6-8mm，钝边间距0.05-0.2mm，焊前对坡口附近进行仔细打磨，去除焊板表面残留的杂质，使用丙酮擦拭、清洗焊板，去除残余油污；
3)所述钛合金件包括有底板(1)、设置在底板(1)左右两侧的其中一侧的侧立板(2)以及设置在底板(1)后侧的后立板(3)所述钛合金件的厚度为14mm～16mm，对钛合金件进行激光-电弧复合焊接处理，复合焊接参数：
焊接过程保护采用99.99％Ar，焊枪流量控制在28-40L/min，外接保护罩气体流量为10-15L/min，提前送气时间6-10s，滞后关气时间7-10s，光丝间距为0mm，离焦量为-2mm，干伸长为19-25mm，电弧焊枪倾角45°；
打底焊所用激光功率为5700-6000W，焊接电流为150A-170A，焊接速度为2m/min，送丝速度为8m/min；
填充焊所用激光功率为800-900W，焊接电流为130A-210A，焊接速度为1m/min，送丝速度为12m/min；
4)焊接路径规划：
焊接过程采用以下步骤：
a、在相邻底板(1)与侧立板(2)拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道，相邻底板(1)与后立板(3)拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道，相邻后立板(3)与侧立板(2)拼接焊缝处的正面居中进行打底焊第一道；
b、在相邻后立板(3)与侧立板(2)拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道，相邻底板(1)与后立板(3)拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道，相邻底板(1)与侧立板(2)拼接焊缝处的正面居中进行直线焊接路径填充第一道；
c、相邻底板(1)与后立板(3)拼接焊缝处的正面在偏向底板(1)的一侧进行直线焊接路径填充第二道，后立板(3)与侧立板(2)拼接焊缝处的正面在偏向侧立板(2)的一侧进行直线焊接路径填充第二道，底板(1)与侧立板(2)拼接焊缝处的正面在偏向底板(1)的一侧进行直线焊接路径填充第二道；
d、相邻底板(1)与后立板(3)拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道，相邻后立板(3)与侧立板(2)拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道，相邻底板(1)与侧立板(2)拼接焊缝处的背面进行直线焊接路径填充第一道；
e、相邻底板(1)与后立板(3)拼接焊缝处的正面在偏向后立板(3)的一侧进行直线焊接路径填充第三道，相邻后立板(3)与侧立板(2)拼接焊缝处的正面在偏向后立板(3)的一侧进行直线焊接路径填充第三道，相邻底板(1)与侧立板(2)拼接焊缝处的正面在偏向侧立板(2)的一侧进行直线焊接路径填充第三道。
2.根据权利要求1所述的钛合金件的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：在步骤3)中，焊枪流量控制在30L/min，外接保护罩气体流量为12.5L/min，提前送气时间6s，滞后关气时间8s。
3.根据权利要求1所述的钛合金件的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：步骤3)中填充焊所用焊接电流为200A，打底焊所用的焊接电流为160A。
4.根据权利要求1所述的钛合金件的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述钛合金件的化学成分的重量百分比为：Al6％、V4.1％、Fe0.05％、C0.01％、N0.027％、H0.006％、O0.12％、余量为Ti。
5.根据权利要求1所述的钛合金件的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述钛合金件的厚度为15mm。
6.根据权利要求1所述的钛合金件的激光-电弧复合焊接方法，其特征在于：所述V型坡口的钝边为7mm，钝边间距为0.1mm。
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