CN110860788A - 一种用于变厚度零件的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种用于变厚度零件的激光焊接方法，包括：提取每段焊接边的焊接长度及焊接边厚度，以焊接起始点为原点、焊接方向为X轴正方向，建立焊接边厚度与焊接长度之间的函数关系；建立焊接边厚度与焊接时间之间的函数关系；建立焊接热输入与焊接时间之间的函数关系；建立焊接输入功率与焊接时间之间的函数关系；沿焊接方向控制焊接输入功率的变化对变厚度零件进行焊接。本发明根据变厚度零件的特点及焊接工艺需求，在恒定焊接速度下，通过函数控制激光焊接过程中激光器的输入功率，从而保证输入功率与焊接边厚度精确匹配，确保焊接过程焊缝质量稳定，提高生产效率和合格率，进而从根本上避免了变厚度零件因焊接边厚度变化导致的激光焊接缺陷问题。

Description

一种用于变厚度零件的激光焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接加工技术领域，特别是涉及一种用于变厚度零件的激光焊接方法。

背景技术

激光焊接技术以其独有的深宽比大、焊缝宽度小、热影响区小、变形小、焊接速度快、焊缝质量好和易实现自动化等优点，成为最新发展起来的先进焊接技术。该技术在航空航天等领域受到高度重视，因此得以迅速发展，并发挥着非常重要的作用，被誉为21世纪先进制造技术之一。钛合金材料具有比刚度、比强度高等优点，已经广泛应用于航空航天大型超塑薄壁结构，在保证零件刚度和强度的同时，可有效减轻飞行器自身重量。然而，由于实际零件尺寸大、结构复杂及加工工艺性等问题，大型钛合金超塑结构零件常采用分块成形，然后采用激光焊接工艺进行焊接。由于钛合金超塑成型/扩散连接工艺导致超塑零件壁厚不均匀变化，从而造成零件焊接边厚度尺寸成呈阶梯性变化(零件焊接边厚度y＝f(x)，X是焊缝长度，v是焊接速度，t是焊接时间，如图1所示)，或焊接厚度尺寸呈线性连续变化或无规则变化(焊接厚度y＝f(x)，X是焊缝长度，v是焊接速度，t是焊接时间，如图2所示)。

对于薄壁零件对接边厚度梯度变化的激光焊接，目前采取的工艺方法是分段焊接和变速焊接。分段焊接即根据厚度变化，将焊接边分成若干段焊接，每段根据焊接厚度尺寸，选择合适的激光焊接工艺参数，但采用分段焊接需要多次起焊和收焊，从而形成多个起焊和收焊缺陷，影响焊缝质量完整性。变速焊接即整条焊缝采用恒定的激光功率，焊接速度随焊接边厚度尺寸变化而变化(焊接边越厚，焊接速度越小，焊接边越薄，焊接速度越快)，但实际焊接过程中，由于激光焊接执行系统机器人或数控龙门机构具有运动惯性，其运动速度无法在某一位置准确实现运动速度突变，从而在速度突变位置附近形成焊接穿孔、未焊透等焊接缺陷。

目前，针对薄壁变厚度零件激光焊接，采用分段焊接、变速焊接等焊接方法，导致焊接穿孔、未熔透及气孔等焊接缺陷，影响零件焊接质量、焊接过程稳定性和零件的整体性能，降低焊接效率，导致零件制造成本增加。由此可见，现有激光工艺技术方法无法解决变厚度钛合金超塑成型零件激光焊接缺陷问题，如何控制此类变厚度零件激光焊接缺陷，提高激光焊接过程稳定性和焊缝质量，仍是一个待攻克的工艺技术瓶颈，急需进行工艺技术创新。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于变厚度零件的激光焊接方法，通过调节焊接过程中激光器的输入功率，来解决焊接边厚度变化导致的焊接缺陷的技术问题，提高钛合金超塑变厚度零件的激光焊接质量，提高生产效率和合格率。

一种用于变厚度零件的激光焊接方法，包括：

根据厚度变化情况提取每段焊接边的焊接长度及焊接厚度，以焊接起始点为原点、焊接方向为X轴正方向，建立焊接厚度与焊接长度之间的函数关系：y＝f(x)，其中，y为焊接边厚度，x为焊接长度；

根据焊接长度与焊接速度、焊接时间之间的关系，建立焊接厚度与焊接时间之间的函数关系：y＝m(t)＝m(x/v)，其中，y为焊接厚度，t为焊接时间，v为焊接速度；

根据变厚度零件的焊接工艺优化结果，以得到每段焊接厚度对应的焊接热输入，并建立焊接热输入与焊接时间之间的函数关系：J＝n(t)，其中，J为焊接热输入；

根据变厚度零件的焊接工艺优化结果，以得到焊接热输入在恒定焊接速度下对应的焊接输入功率，并建立焊接输入功率与焊接时间之间的函数关系：P＝q(t)，其中，P为焊接输入功率；

沿焊接方向控制焊接输入功率的变化对变厚度零件进行焊接。

进一步地，在所述沿焊接方向控制焊接输入功率的变化对变厚度零件进行焊接之前，所述激光焊接方法还包括：

根据变厚度零件的特点及焊接工艺需求，设计相应的焊接工装，以使焊接边装配间隙满足焊接工艺要求。

进一步地，在所述提取每段焊接边的焊接长度及焊接厚度，以焊接起始点为原点、焊接方向为X轴，建立焊接厚度与焊接长度之间的函数关系步骤之前，所述激光焊接方法还包括：建立变厚度零件的数模。

进一步地，所述变厚度零件为TC4钛合金超塑成形/扩散连接零件。

进一步地，所述焊接厚度与焊接长度之间的函数关系具体为：

进一步地，所述恒定焊接速度为3m/min，所述焊接厚度与焊接时间之间的函数关系具体为：

进一步地，所述焊接热输入与焊接时间之间的函数关系具体为：

进一步地，所述焊接输入功率与焊接时间之间的函数关系具体为：

进一步地，所述激光焊接方法采用的激光器为大功率的光纤激光器、YAG激光器或碟片激光器。

进一步地，所述激光焊接方法采用焊接保护气体为氩气或氦气。

综上，本发明根据变厚度零件的特点及焊接工艺需求，通过建立焊接边厚度尺寸与焊接输入功率之间的函数关系，即在恒定焊接速度下，焊接输入功率与焊接时间之间的函数关系，基于函数控制激光焊接过程中激光器的输入功率，从而保证输入功率与焊接边厚度精确匹配，确保焊接过程焊缝质量稳定，提高生产效率和合格率，进而从根本上避免了变厚度零件因焊接边厚度变化导致的激光焊接缺陷问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中焊接边厚度呈梯度变化的示意图。

图2是现有技术中焊接边厚度呈阶梯性连续变化的示意图。

图3是本发明中用于变厚度零件的激光焊接方法的流程图。

图4是本发明中TC4钛合金超塑零件焊接边厚度变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参阅图3，本发明提供了一种用于变厚度零件的激光焊接方法，该方法包括以下步骤S110～步骤S150：

步骤S110，根据厚度变化情况提取每段焊接边的焊接长度及焊接厚度，以焊接起始点为原点、焊接方向为X轴正方向，建立焊接厚度与焊接长度之间的函数关系：y＝f(x)，其中，y为焊接变厚度，x为焊接长度。

进一步地，在步骤S110步骤之前，所述激光焊接方法还包括：建立变厚度零件的数模，以便于每段焊接变边的数据提取。

步骤S120，根据焊接长度与焊接速度、焊接时间之间的关系，建立焊接厚度与焊接时间之间的函数关系：y＝m(t)＝m(x/v)，其中，y为焊接厚度，t为焊接时间，v为焊接速度。

本步骤中，由于焊接长度是焊接速度和焊接时间的乘积，所以建立焊接厚度与焊接时间之间的函数关系。

步骤S130，根据变厚度零件的焊接工艺优化结果，以得到每段焊接厚度对应的焊接热输入，并建立焊接热输入与焊接时间之间的函数关系：J＝n(t)，其中，J为焊接热输入。

步骤S140，根据变厚度零件的焊接工艺优化结果，以得到焊接热输入在恒定焊接速度下对应的焊接输入功率，并建立焊接输入功率与焊接时间之间的函数关系：P＝q(t)，其中，P为焊接输入功率。

本步骤中，焊接工艺是指，根据便厚度零件的厚度变化特点，选取材料与变厚度零件材料相同、且选取几种典型厚度(厚度尺寸均在零件焊接边变化范围内)进行工艺优化，工艺结果作为建立焊接热输入与焊接时间之间函数的依据。

步骤S150，沿焊接方向控制焊接输入功率的功率变化对变厚度零件进行焊接。

需要说明的是，在步骤S150之前，所述激光焊接方法还包括：

根据变厚度零件的特点及焊接工艺需求，设计相应的焊接工装，以使焊接边装配间隙满足焊接工艺要求。

实施例

请参阅图4，本实施例中，所述变厚度零件以TC4钛合金超塑成形/扩散连接零件为例进行说明，其厚度变化如图4所示，基于零件数模，提取焊接边数据如下：A₀A₁段焊接边长度为0.2m，厚度为2mm，A₁A₂段长度为0.05m，厚度为1mm，A₂A₃段长度为0.06m，厚度为2mm，A₃A₄段长度为0.06m，厚度为1mm，A₄A₅段长度为1.2m，厚度为2mm。

进一步地需要明确的是，本实施例中所述激光焊接方法采用的激光器为大功率的光纤激光器、YAG激光器或碟片激光器。

具体的，本实施例中，所述激光焊接方法采用焊接保护气体为氩气或氦气。可以理解的，在其它实施例中，所述激光焊接方法采用焊接保护气体还可以为其它惰性气体。

本实施例中，根据由图4提取的焊接边数据，所述焊接厚度与焊接长度之间的函数关系具体为：

需要说明的是，本实施例中，根据1mm厚TC4薄壁激光焊接工艺优化结果，焊接热输入为热输入为60J/mm(即激光功率为3000W，焊接速度为3m/min)时，焊缝成形较好，焊缝质量可达航标一级(参考HB/Z20017-2012)；2mm厚TC4薄壁激光焊接工艺优化结果，焊接热输入为热输入为90J/mm(即激光功率为4500W，焊接速度为3m/min)时，焊缝成形较好，焊缝质量可达航标一级(参考HB/Z 20017-2012)。

由于焊接长度是焊接速度和焊接时间的乘积，在所述恒定焊接速度为3m/min，即

所述焊接厚度与焊接时间之间的函数关系具体为：

结合激光焊接工艺结果，TC4薄壁零件焊接过程中，所述焊接热输入与焊接时间之间的函数关系具体为：

结合激光焊接工艺结果，TC4薄壁零件焊接过程中，因零件焊接过程焊接速度保持不变，且焊接速度为3m/min，所述焊接输入功率与焊接时间之间的函数关系具体为：

最后，根据零件激光焊接过程中功率变化关系，设定激光器的输入参数，从而实现变厚度钛合金超塑成型/扩散连接结构零件激光稳定焊接。

综上，本发明根据变厚度零件的特点及焊接工艺需求，通过建立焊接边厚度尺寸与焊接输入功率之间的函数关系，即在恒定焊接速度下，焊接输入功率与焊接时间之间的函数关系，基于函数控制激光焊接过程中激光器的输入功率，从而保证输入功率与焊接边厚度精确匹配，确保焊接过程焊缝质量，提高生产效率和合格率，进而从根本上避免了变厚度零件因焊接边厚度变化导致的激光焊接缺陷问题。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，包括：

根据焊接边厚度变化情况提取每段焊接边的焊接长度及焊接厚度，以焊接起始点为原点、焊接方向为X轴正方向，建立焊接厚度与焊接长度之间的函数关系：y＝f(x)，其中，y为焊接边厚度，x为焊接长度；

根据焊接长度与焊接速度、焊接时间之间的关系，建立焊接厚度与焊接时间之间的函数关系：y＝m(t)＝m(x/v)，其中，y为焊接厚度，t为焊接时间，v为焊接速度；

根据变厚度零件的焊接工艺优化结果，以得到每段焊接厚度对应的焊接热输入，并建立焊接热输入与焊接时间之间的函数关系：J＝n(t)，其中，J为焊接热输入；

根据变厚度零件的焊接工艺优化结果，以得到焊接热输入在恒定焊接速度下对应的焊接输入功率，并建立焊接输入功率与焊接时间之间的函数关系：P＝q(t)，其中，P为焊接输入功率；

沿焊接方向控制焊接输入功率的变化对变厚度零件进行焊接。

2.根据权利要求1所述的用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，在所述沿焊接方向控制焊接输入功率的变化对变厚度零件进行焊接之前，所述激光焊接方法还包括：

根据变厚度零件的特点及焊接工艺需求，设计相应的焊接工装，以使焊接边装配间隙满足焊接工艺要求。

3.根据权利要求1所述的用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，在所述提取每段焊接边的焊接长度及焊接厚度，以焊接起始点为原点、焊接方向为X轴，建立焊接厚度与焊接长度之间的函数关系步骤之前，所述激光焊接方法还包括：建立变厚度零件的数模。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，所述变厚度零件为TC4钛合金超塑成形/扩散连接零件。

5.根据权利要求4所述的用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，所述焊接厚度与焊接长度之间的函数关系具体为：

6.根据权利要求5所述的用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，所述恒定焊接速度为3m/min，所述焊接厚度与焊接时间之间的函数关系具体为：

7.根据权利要求6所述的用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，所述焊接热输入与焊接时间之间的函数关系具体为：

8.根据权利要求7所述的用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，所述焊接输入功率与焊接时间之间的函数关系具体为：

9.根据权利要求4所述的用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接方法采用的激光器为大功率的光纤激光器、YAG激光器或碟片激光器。

10.根据权利要求4所述的用于变厚度零件的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接方法采用焊接保护气体为氩气或氦气。

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