CN110280900A - 一种用于钛合金的光束摆动激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，属于钛合金焊接技术领域，解决了现有技术中钛合金焊接接头抗拉强度不足，焊缝表面易产生裂纹、孔洞，易氧化的问题。本发明焊接方法包括以下步骤：S1.对钛合金待焊接件的待焊接区域表面进行预处理；S2.将待焊接件装配固定；S3.采用摆动激光束对待焊接件进行焊接，激光平行于焊接方向前进，并且在前进时，激光做8字形周期性地摆动；摆动振幅为待焊接件厚度的3％～20％，激光功率为1900W～2300W，离焦量为0，激光入射角3°～4°。本发明焊接方法适用于钛合金的焊接。

Description

一种用于钛合金的光束摆动激光焊接方法

技术领域

本发明属于钛合金焊接技术领域，特别涉及一种用于钛合金的光束摆动激光焊接方法。

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、无磁性等特点，在航空、航天、舰船、石油、冶金、化工、生物医学等领域有着广泛应用。在这些领域的应用中，钛合金常以焊接件的形式使用。但是，钛合金在焊接过程中极易被氧化，接头中也容易产生气孔，这对接头的力学性能产生不利的影响。因此，如何实现该类轻质合金材料的高强度连接成为应用的关键因素之一。

激光焊接具有能量密度高、母材变形小、焊接速度快等特点，在高能束焊接技术领域发展迅速，目前已广泛应用于航空航天钛合金大型复杂结构件的连接。特别是在航天领域，钛合金激光焊接接头的力学性能普遍要求达到中国航天行业标准QJ20465-2016中规定的I类接头的标准，即接头的抗拉强度不低于完全退火态母材强度极限下限值的90％。现在，随着对产品力学性能要求的逐步提高，接头的抗拉强度达到完全退火态母材强度极限下限值的90％已不能满足需求。

可见，目前迫切需要本领域技术人员提供一种适用于钛合金的新型激光焊接方法以进一步提高钛合金激光焊接接头的力学性能。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，用以解决现有技术中钛合金焊接接头抗拉强度不足，焊缝表面易产生裂纹、易氧化，内部易产生孔洞等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，包括以下步骤：

S1.对钛合金待焊接件的待焊接区域表面进行预处理；

S2.将待焊接件装配固定；

S3.采用具有微小摆动振幅的激光束对待焊接件进行焊接，焊接时激光平行于焊接方向前进，并且在前进时，激光做8字形周期性地摆动；摆动振幅为待焊接件厚度的3％～20％，激光功率为1900W～2300W，离焦量为0，激光入射角3°～4°。

进一步的，在步骤S3的焊接过程中，通过惰性气体将待焊接件的正面、背面与空气隔离。

进一步的，惰性气体为氩气，气体流量为9～11L/min。

进一步的，步骤S3中，激光的摆动频率为200～400Hz，焊接速度为0.02～0.04m/s。

进一步的，步骤S1具体为将钛合金待焊接件的待焊区域表面依次进行酸洗、丙酮清洗、干燥和激光清洗。

进一步的，步骤S2中，待焊接件接头为对接接头。

进一步的，步骤S3中，摆动振幅为焊接件厚度的3.3％～16.6％，摆动频率为200～400Hz，激光功率为1900W～2100W，焊接速度为0.02～0.03m/s。

进一步的，步骤S3中，摆动振幅为焊接件厚度的10％，摆动频率为200Hz，激光功率为2000W，焊接速度为0.025m/s。

进一步的，步骤S2中，待焊接件接头为T型接头，采用摆动激光焊接进行穿透焊连接。

进一步的，步骤S2中，摆动振幅为焊接件厚度的3.3％～20％，摆动频率为200～400Hz，激光功率为1900W～2300W，焊接速度为0.02～0.03m/s。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本发明采用具有微小摆动振幅的激光对各待焊接接头进行焊接，摆动振幅为焊接件厚度的3％～20％，使激光光束能量更集中，在低的激光功率下保证对熔池的搅拌作用，激光功率过高会由于能量输入过高，焊缝容易被氧化，焊缝成形孔洞增多，接头力学性能下降；本发明激光功率低，不会造成上述影响。

2)本发明方法既适用于对接接头的连接，也适用于针对T形接头的穿透焊连接，通过激光束的摆动使得T形接头焊合的面积增大，有利于提高接头的力学性能，解决了非可视化焊缝的焊接这一难题。

3)激光深熔焊存在小孔效应，本发明摆动激光焊接方法提高了小孔的稳定性，降低焊接接头的气孔率，甚至可完全抑制小孔型气孔，也有利于提高接头的力学性能。

4)本发明采用参数优化后的微小摆动振幅激光焊接方法，可以提高钛合金焊接件的断后伸长率，这表明钛合金焊接件的塑性变形能力越好，构件安全储备大。

5)激光焊接时做8字形周期性地摆动，能够对焊接部位形成搅拌作用，有利于气孔的排除，减少及减小气孔；T型接头为穿透焊接，进行8字形周期性地摆动能够使T型接头的融合面宽度增加，扩大融合面，有利于提高接头的力学性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1焊接速度为0时的摆动激光运动轨迹；

图2焊接速度不为0时的对应的激光束运动轨迹，其中箭头表示激光束运动方向，实线轨迹为1个周期内激光束运动轨迹；

图3对接接头焊接示意图；

图4 T型接头焊接示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种用于钛合金的光束摆动激光焊接方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

一种用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，包括以下步骤：

S1.将钛合金焊接件依次进行酸洗、丙酮清洗、干燥、激光清洗预处理待焊区域表面；

S2.将焊接件装配固定，其中，焊接接头形式为对接接头或T型接头；

S3.采用具有微小摆动振幅的激光对各待焊接接头进行焊接，焊接时激光沿着一平行于焊接方向的轴线前进，并且在前进时，激光相对于所述轴线做8字形周期性地摆动，如图1、图2所示；8字形周期性地摆动能够对焊接部位形成搅拌作用，有利于气孔的排除，减少及减小气孔；T型接头为穿透焊接，进行8字形周期性地摆动能够使T型接头的融合面宽度增加，扩大融合面。其中摆动振幅为焊接件厚度的3％～20％，使激光光束能量更集中，在低的激光功率下保证对熔池的搅拌作用；

激光功率为1900W～2300W，激光功率低于1900W，焊缝无法熔透，容易产生未焊合缺陷；激光功率高于2100W，由于能量输入过高，焊缝容易被氧化，功率进一步提高高于2300w后，会使焊缝成形进一步恶化，孔洞增多，接头力学性能下降；优选的激光功率为1900～2100W。

摆动频率为200～400Hz；焊接速度为0.02～0.04m/s，焊接速度低于0.02，由于能量输入过高，焊缝氧化严重，再进一步提高的话缝成形进一步恶化，孔洞增多；焊接速度高于0.04，焊缝不能焊透；离焦量为0，焦点直接作用于焊缝，输出能量高，使得本发明可采用较低的激光功率；激光入射角3°～4°，倾斜一定角度可以减少等离子体对激光的吸收，提高激光能量的利用率，入射角若大于4°熔深较小，易产生未焊合等缺陷。

在焊接过程中通过惰性气体将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离。

优选的，焊接接头形式为对接接头，如图3所示，在进行摆动激光焊接时，摆动振幅为焊接件厚度的3.3％～16.6％，摆动频率为200～400Hz，激光功率为1900W～2100W，焊接速度为0.02～0.03m/s。采用上述优选参数，对接接头表面质量、内部质量和力学性能满足QJ20465-2016《钛及钛合金激光焊接技术要求》标准中I级接头要求，接头的抗拉强度达到完全退火态母材强度极限下限值的90％以上。

优选的，焊接接头形式为对接接头，在进行摆动激光焊接时，摆动振幅为焊接件厚度的10％，摆动频率为200Hz，激光功率为2000W，焊接速度为0.025m/s。采用上述优选参数，对接接头表面质量、内部质量和力学性能最优，满足QJ20465-2016《钛及钛合金激光焊接技术要求》标准中I级接头要求，接头的抗拉强度达到完全退火态母材强度极限下限值的100％以上。

优选的，焊接接头形式为T型接头，如图4所示，采用摆动激光焊接进行穿透焊连接，在焊接时摆动振幅为焊接件厚度的3.3％～20％，摆动频率为200～400Hz，激光功率为1900W～2300W，焊接速度为0.02～0.03m/s。采用上述优选参数，T型接头表面质量、内部质量满足QJ20465-2016《钛及钛合金激光焊接技术要求》标准中I级接头要求

本发明焊接参数的共同作用使本申请的钛合金焊接后接头的最大抗拉强度达到母材强度的100％以上。需要指出的是，本发明的焊接参数之间相互配合、相互作用，整体上使焊接质量达到最优。

实施例一

选取3mm厚的TC31钛合金板材作为实施例一中焊接件，其化学成分见表1。该合金在室温条件下的抗拉强度为1119MPa，在650℃条件下的高温抗拉强度为648MPa。

表1 TC31钛合金化学成分(质量分数，％)

本发明实施例的微小摆动振幅激光焊接方法具体包括以下流程：

首先，将钛合金焊接件依次进行酸洗、丙酮清洗、干燥、激光清洗预处理待焊区域表面；

其次，将焊接件按照接头形式为对接接头进行装配固定；

最后，采用具有微小摆动振幅的激光对各待焊接接头进行焊接，其中摆动振幅为0.1mm(即焊接件厚度的3.3％)，摆动频率为200Hz，激光功率为1900W，焊接速度为0.02m/s，且在焊接过程中通过氩气将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离，保护气体流量为10L/min。

焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，呈金黄色，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测、金相观察和电子显微镜观察，可以看出接头中无裂纹、孔洞、夹杂物、未焊合等缺陷。采用万能试验机测试焊接接头的力学性能，其在25℃室温条件下的抗拉强度为1183MPa，达到母材室温抗拉强度的106％，屈服强度为1082MPa，断后伸长率为8％，这表明焊接件具有良好的塑性变形能力；在650℃条件下的抗拉强度为638MPa，达到母材在650℃条件下抗拉强度的98％，屈服强度为536MPa，断后伸长率为18.5％，焊缝质量满足QJ20465-2016《钛及钛合金激光焊接技术要求》标准中I级接头要求。

对比例一

现有技术在铝合金锁底对接焊缝焊接过程中，摆动振幅为1.5-3mm，振幅达到板厚的50％～100％。采用其所获接头常温平均抗拉强度最高时对应的焊接工艺参数进行了3mm厚TC31钛合金激光焊接，其中摆动频率为200Hz，摆动振幅为2mm，激光功率为4200W，焊接速度为1800mm/min，激光入射角为6°，离焦量为5mm，正面气体流量为15L/min。结果表明：采用上述焊接工艺焊接TC31钛合金，焊缝表面严重氧化，焊缝周围存在大量飞溅，焊缝存在咬边和烧穿缺陷，经无损检测内部存在大量气孔，焊缝常温平均抗拉强度仅为430MPa，焊缝质量无法达到QJ20465-2016《钛及钛合金激光焊接技术要求》标准中II级接头要求。

实施例二

选取3mm厚的TC31钛合金板材作为实施例二中焊接件，其化学成分和力学性能同实施例一。

本发明实施例的微小摆动振幅激光焊接方法具体包括以下流程：

首先，将钛合金焊接件依次进行酸洗、丙酮清洗、干燥、激光清洗预处理待焊区域表面；

其次，将焊接件按照接头形式为对接接头进行装配固定；

最后，采用具有微小摆动振幅的激光对各待焊接接头进行焊接，其中摆动振幅为0.3mm(即焊接件厚度的10％)，摆动频率为200Hz，激光功率为2000W，焊接速度为0.025m/s，且在焊接过程中通过氩气将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离，保护气体流量为10L/min。

焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，呈银白色，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测、金相观察和电子显微镜观察，可以看出接头中无裂纹、孔洞、夹杂物、未焊合等缺陷。采用万能试验机测试焊接接头的力学性能，其在25℃室温条件下的抗拉强度为1200MPa，达到母材室温抗拉强度的107％，屈服强度为1106MPa，断后伸长率为3.7％；在650℃条件下的抗拉强度为635MPa，达到母材在650℃条件下抗拉强度的98％，屈服强度为505MPa，焊缝质量满足QJ20465-2016《钛及钛合金激光焊接技术要求》标准中I级接头要求。

实施例三

选取3mm厚的TC31钛合金板材作为实施例三中焊接件，其化学成分和力学性能同实施例一。

本发明实施例的微小摆动振幅激光焊接方法具体包括以下流程：

首先，将钛合金焊接件依次进行酸洗、丙酮清洗、干燥、激光清洗预处理待焊区域表面；

其次，将焊接件按照接头形式为对接接头进行装配固定；

最后，采用具有微小摆动振幅的激光对各待焊接接头进行焊接，其中摆动振幅为0.5mm(即焊接件厚度的16.7％)，摆动频率为400Hz，激光功率为1900W，焊接速度为0.02m/s，且在焊接过程中通过氩气将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离，保护气体流量为10L/min。

焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，呈银白色，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测、金相观察和电子显微镜观察，可以看出接头中无裂纹、孔洞、夹杂物、未焊合等缺陷。采用万能试验机测试焊接接头的力学性能，其在25℃室温条件下的抗拉强度为1190MPa，达到母材室温抗拉强度的106％，屈服强度为1137MPa，焊缝质量满足QJ20465-2016《钛及钛合金激光焊接技术要求》标准中I级接头要求。

实施例四

选取3mm厚的TC31钛合金板材作为实施例四中焊接件，其化学成分和力学性能同实施例一。

本发明实施例的微小摆动振幅激光焊接方法具体包括以下流程：

首先，将钛合金焊接件依次进行酸洗、丙酮清洗、干燥、激光清洗预处理待焊区域表面；

其次，将焊接件按照接头形式为对接接头进行装配固定；

最后，采用具有微小摆动振幅的激光对各待焊接接头进行焊接，其中摆动振幅为0.5mm(即焊接件厚度的16.7％)，摆动频率为400Hz，激光功率为1900W，焊接速度为0.02m/s，且在焊接过程中通过氩气将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离，保护气体流量为10L/min。

焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，呈银白色，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测、金相观察和电子显微镜观察，可以看出接头中无裂纹、孔洞、夹杂物、未焊合等缺陷。采用万能试验机测试焊接接头的力学性能，其在25℃室温条件下的抗拉强度为1190MPa，达到母材室温抗拉强度的106％，屈服强度为1137MPa，焊缝质量满足QJ20465-2016《钛及钛合金激光焊接技术要求》标准中I级接头要求。

实施例五

选取3mm厚的TC31钛合金板材作为实施例五中焊接件，其化学成分和力学性能同实施例一。

本发明实施例的微小摆动振幅激光焊接方法具体包括以下流程：

首先，将钛合金焊接件依次进行酸洗、丙酮清洗、干燥、激光清洗预处理待焊区域表面；

其次，将焊接件按照接头形式为T型接头进行装配固定；

最后，采用具有微小摆动振幅的激光对待焊接接头进行穿透焊焊接，其中摆动振幅为0.6mm(即焊接件厚度的20％)，摆动频率为400Hz，激光功率为2300W，焊接速度为0.04m/s，且在焊接过程中通过氩气将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离，保护气体流量为10L/min。

焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，呈银白色，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测、金相观察和电子显微镜观察，可以看出接头中无裂纹、孔洞、夹杂物、未焊合等缺陷。

实施例六

选取3mm厚的TA15钛合金板材作为实施例六中焊接件。

本发明实施例的微小摆动振幅激光焊接方法具体包括以下流程：

首先，将钛合金焊接件依次进行酸洗、丙酮清洗、干燥、激光清洗预处理待焊区域表面；

其次，将焊接件按照接头形式为对接接头进行装配固定；

最后，采用具有微小摆动振幅的激光对各待焊接接头进行焊接，其中摆动振幅为0.5mm(即焊接件厚度的16.7％)，摆动频率为300Hz，激光功率为2100W，焊接速度为0.025m/s，且在焊接过程中通过氩气将所述待焊接工件的正面、背面与空气隔离，保护气体流量为10L/min。

焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，呈金黄色，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测、金相观察和电子显微镜观察，可以看出接头中无裂纹、孔洞、夹杂物、未焊合等缺陷。

以上所述仅为本发明的最佳实例，并不用以限制本发明。凡依据本发明专利所述的发明技术实质所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利保护范围内。

本发明提出一种用于钛合金高强度连接的微小摆动振幅激光焊接方法，能够解决解决现有技术中存在的钛合金焊接接头易氧化、易产生气孔、力学性能较低的问题。本发明将满足航空航天等领域对钛合金高质量焊接的需求，具有重要的科学和工程意义，应用前景广泛。

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露的技术范围内，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。

Claims (10)

1.一种用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.对钛合金待焊接件的待焊接区域表面进行预处理；

S2.将待焊接件装配固定；

S3.采用摆动激光对待焊接件进行焊接，所述激光平行于焊接方向前进，并且在前进时，所述激光做8字形周期性地摆动；所述激光的摆动振幅为待焊接件厚度的3％～20％，所述激光的功率为1900W～2300W、离焦量为0、入射角为3°～4°。

2.根据权利要求1所述的用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S3中，焊接时采用惰性气体将所述待焊接件与空气隔离。

3.根据权利要求2所述的用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气，气体流量为9～11L/min。

4.根据权利要求1所述的用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S3中，焊接速度为0.02～0.04m/s。

5.根据权利要求1所述的用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S1具体为将所述待焊接区域表面依次进行酸洗、丙酮清洗、干燥和激光清洗处理。

6.根据权利要求1-5任一项所述的用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中，待焊接件焊接处形成的接头为对接接头。

7.根据权利要求6所述的用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S3中，摆动振幅为焊接件厚度的3.3％～16.6％，摆动频率为200～400Hz，激光功率为1900W～2100W，焊接速度为0.02～0.03m/s。

8.根据权利要求6所述的用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S3中，摆动振幅为焊接件厚度的10％，摆动频率为200Hz，激光功率为2000W，焊接速度为0.025m/s。

9.根据权利要求1-5所述的用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中，待焊接件焊接处形成的接头为T型接头，采用摆动激光焊接进行穿透焊连接。

10.根据权利要求9所述的用于钛合金的光束摆动激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中，摆动振幅为焊接件厚度的3.3％～20％，摆动频率为200～400Hz，激光功率为1900W～2300W，焊接速度为0.02～0.03m/s。