CN111230296A - 一种多孔薄壁腔体构件及激光焊接方法 - Google Patents

一种多孔薄壁腔体构件及激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多孔薄壁腔体构件及激光焊接方法。确定装置包括：激光焊接方法包括：在所述多孔薄壁腔体构件的待焊接位置上涂覆焊接冷却剂；将待焊接的多孔薄壁腔体构件的待焊接位置合并在一起；向待焊接的多孔薄壁腔体构件内的空腔内通入保护气；启动激光焊接机进行焊接。本发明的激光焊接方法施加多孔薄壁腔体构件上运用对流冷却、冲击冷却以及气膜冷却原理降低激光焊接时热量集聚，有利于快速降低多孔薄壁腔体构件待焊接部位的温度，从而可以降低因温度升高导致焊接出现裂纹的情况，大大提高了激光焊接的质量和效果。

Description

一种多孔薄壁腔体构件及激光焊接方法
技术领域
本发明涉及多孔薄壁腔体构件的激光焊接技术领域，特别是涉及一种多孔薄壁腔体构件及其的激光焊接方法。
背景技术
多孔薄壁的腔体结构多用于发动机的燃烧室、尾喷管等高温部件，其材料多为高温钛合金材料。例如在发动机中，燃烧室或者尾喷管系统的工作温度越来越高，需要高冷却效率的结构实现结构件壁面温度的控制。
目前这种多孔薄壁腔体结构的构件制造流程一般采用超塑或热成型进行型面的成型，采用电解照相或机械方式加工出通气孔，采用激光焊接方式进行组件拼接。受制于材料焊接性的问题，高温合金的多孔薄壁腔体其内部合金元素较多，板材经过高温轧制后，表面极易出现富氧层，焊接时容易出现合金元素偏析，对于焊缝内部气孔的控制以及焊接裂纹的产生都有不利影响。目前以钛合金为代表的高温合金朝着高温、高强度方向的发展，其合金组成元素较为复杂，除了主要组成部分外，还含有Cr、W、Mo、Fe等合金元素，其合金组元复杂，溶解度有限的元素与Ni、Co、Fe作用容易于在晶界形成低熔物质。这些低熔物质在晶界形成所谓的“液态薄膜”，在焊缝金属结晶的过程中，由于收缩而受到拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜就成了薄膜地带。在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄膜地带开裂而形成结晶裂纹。激光焊接时焊缝容易开裂，焊接工艺稳定性较差。
此外，此类多孔薄壁腔体结构件激光焊接时，由于其基体上布满孔洞结构强度下降很多，此类工件激光焊接时，焊接变形极大给后续的热处理校形工艺带来很大困扰。
鉴于此，如何提供一种适用于高温环境的多孔薄壁腔体构件及解决多孔薄壁腔体构件焊接结构强度下降、易变形的激光焊接方法是本领域技术人员需要解决的技术难题。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例第一方面提供了一种多孔薄壁腔体构件。包括:上盖板和下盖板，本发明实施例的多孔薄壁腔体构件更加适用于高温环境中使用。
本发明实施例第二方面提供了一种多孔薄壁腔体构件的激光焊接方法。通过向在多孔薄壁腔体构件的待焊接位置上涂覆焊接冷却剂；将待焊接的多孔薄壁腔体构件的待焊接位置合并在一起；向待焊接的多孔薄壁腔体构件内的空腔内通入保护气；最后，启动激光焊接机进行焊接等方式，从而降低多孔薄壁腔体构件激光焊接时变形量。
(2)技术方案
本发明的实施例第一方面提出了一种多孔薄壁腔体构件，包括:上盖板和下盖板，在所述上盖板和所述下盖板的中间形成空腔，所述上盖板和所述下盖板沿宽度方向的两端分别固接在一起；且所述上盖板和所述下盖板上均匀设有通气孔。
进一步地，所述上盖板为平面板状结构。
进一步地，所述下盖板包括：第一连接板、第一过渡板、中间板、第二过渡板和第二连接板，所述第一过渡板和所述第二过渡板沿宽度方向的一端分别与所述中间板沿宽度方向的一端相连；所述第一过渡板沿宽度方向的另一端与所述第一连接板沿宽度方向的一端相连，所述第二过渡板沿宽度方向的另一端与所述第二连接板沿宽度方向的另一端相连；所述第一连接板和所述第二连接板的一面与所述上盖板的一面固接在一起。
进一步地，所述中间板与所述上盖板平行设置，且所述第一连接板和所述第二连接板沿宽度方向的一端分别与所述上盖板沿宽度方向的一端齐平。
进一步地，所述通气孔的直径为0.5-2mn，相邻所述通气孔的距离为2-20mm。
本发明的实施例第二方面，提供了一种激光焊接方法，应用在本发明实施例第一方面任一项所述的多孔薄壁腔体构件上，包括:
在所述多孔薄壁腔体构件的待焊接位置上涂覆焊接冷却剂；
将待焊接的多孔薄壁腔体构件的待焊接位置合并在一起；
向待焊接的多孔薄壁腔体构件内的空腔内通入保护气；
启动激光焊接机进行焊接。
进一步地，所述焊接冷却剂包括BaF2、La203、Cr2O3，且BaF2、La203、Cr2O3的质量比为2：1：1。
进一步地，所述焊接冷却剂的制备方法包括:按照质量比取BaF2、La203、Cr2O3研磨成粉末后与5-15倍质量的乙醇混合，均匀搅拌成悬浮液。
进一步地，所述激光焊接方法还包括在涂覆焊接冷却剂前打磨掉待焊接位置的氧化层。
进一步地，所述焊接冷却剂的涂覆厚度为20-100mm。
(3)有益效果
综上所述，本发明的多孔薄壁腔体构件通过对流冷却、冲击冷却以及气膜冷却原理降低激光焊接时热量集聚在多孔薄壁腔体构件上，有利于降低多孔薄壁腔体构件待焊接部位的温度，同样条件下能更好地适用于高温环境中；
除此之外，本发明的激光焊接方法施加在多孔薄壁腔体构件上运用对流冷却、冲击冷却以及气膜冷却原理降低激光焊接时热量集聚，有利于快速降低多孔薄壁腔体构件待焊接部位的温度，从而可以降低因温度升高导致焊接出现裂纹的情况，大大提高了激光焊接的质量和效果。
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是本发明实施例第一方面一实施例的多孔薄壁腔体构件的结构示意图。
图2是本发明实施例第二方面一实施例的多孔薄壁腔体构件激光焊接的结构示意图。
图3是本发明实施例第二方面一实施焊接方法焊接后焊缝的X光以及金相检测结果示意图。
图4是采用常规焊接方法焊接后焊缝的X光以及金相检测结果示意图。
图中：上盖板1、下盖板2、第一连接板21、第一过渡板22、中间板23、第二过渡板24、第二连接板25、空腔3、通气孔4。
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1-附图4并结合实施例来详细说明本申请。
参阅附图1所示，根据本发明实施例第一方面的一种多孔薄壁腔体构件，包括:上盖板1和下盖板2，在上盖板1和下盖板2的中间形成空腔3，上盖板1和下盖板2沿宽度方向的两端分别固接在一起；且上盖板1和下盖板2上均匀设有通气孔4。
在本发明实施例中，由上盖板1和下盖板2组成的多孔薄壁腔体构件可广泛适用于适用于航空航天领域，如发动机的燃烧室、尾喷管等高温部件，其中上盖板1和下盖板2的中间形成空腔3有利于高温热量通过空腔3快速散去通过对流进行冷却，也可以在空腔3内输入温度较低的气体通过冲击冷却带走多孔薄壁腔体构件工作产生的热量；除此之外，而上盖板1和下盖板2上均匀设有通气孔4能进一步将上盖板1和下盖板2上的热量与周围环境形成对流，提高散热能力，从而使得本发明实施例的多孔薄壁腔体构件能更好地适用在高温环境中。
具体的，参阅附图1所示，根据本发明实施例的一种多孔薄壁腔体构件中，上盖板1可以为平面板状结构。
具体的，参阅附图1所示，根据本发明实施例的一种多孔薄壁腔体构件中，下盖板2可以包括：第一连接板21、第一过渡板22、中间板23、第二过渡板24和第二连接板25，第一过渡板22和第二过渡板24沿宽度方向的一端分别与中间板23沿宽度方向的一端相连；第一过渡板22沿宽度方向的另一端与第一连接板21沿宽度方向的一端相连，第二过渡板24沿宽度方向的另一端与第二连接板25沿宽度方向的另一端相连；第一连接板21和第二连接板25的一面与上盖板1的一面固接在一起。如附图1所示，当下盖板2由第一连接板21、第一过渡板22、中间板23、第二过渡板24和第二连接板25组成以后，下盖板2变为倒立的等腰梯形结构，且为了提高下盖板2的结构强度，第一连接板21、第一过渡板22、中间板23、第二过渡板24和第二连接板25可以一同成型后将第一连接板21、第二连接板25的上端面固接在上盖板1下端面的两侧。
具体的，参阅附图1所示，根据本发明实施例的一种多孔薄壁腔体构件中，中间板23与上盖板1平行设置，且第一连接板21和第二连接板22沿宽度方向的一端分别与上盖板1沿宽度方向的一端齐平。根据实际发动机的燃烧室、尾喷管等高温部件对结构的哟求，下盖板2可以变为倒立的等腰梯形结构；且当第一连接板21和第二连接板22沿宽度方向的一端分别与上盖板1沿宽度方向的一端齐平时，整个多孔薄壁腔体构件沿宽度方向的两边在焊接过程中可以将上盖板1和下盖板2都焊接上，有利于提高焊接的牢固性。
具体的，参阅附图1所示，根据本发明实施例的一种多孔薄壁腔体构件中，通气孔4的直径可以为0.5-2mn，相邻通气孔4的距离为2-20mm，这样的距离和结构可以使得通气孔4的散热效果最佳。
根据本发明实施例第二方面的一种激光焊接方法，可以应用在本发明实施例第一方面任一项所述的多孔薄壁腔体构件上，包括：首先，在多孔薄壁腔体构件的待焊接位置上涂覆焊接冷却剂；然后，将待焊接的多孔薄壁腔体构件的待焊接位置合并在一起；接着，向待焊接的多孔薄壁腔体构件内的空腔内通入保护气；最后，启动激光焊接机进行焊接。
诚如本发明实施例第一方面所述的多孔薄壁腔体构件中上盖板1和下盖板2的中间形成空腔3有利于高温热量通过空腔3快速散去通过对流进行冷却，也可以在空腔3内输入一定压强且温度较低的气体通过冲击冷却带走多孔薄壁腔体构件工作产生的热量；除此之外，而上盖板1和下盖板2上均匀设有通气孔4能进一步将上盖板1和下盖板2上的热量与周围环境形成对流，提高散热能力，从而使得本发明实施例的多孔薄壁腔体构件能更好地适用在高温环境中。而且，本发明实施例在多孔薄壁腔体构件的待焊接位置上涂覆有焊接冷却剂，焊接冷却剂通过气膜冷却原理把周围环境中较低温度热量通过切向缝隙输送到温度较高的待焊接位置上，沿着高温气流的流向形成薄膜；这层薄膜把多孔薄壁腔体构件的待焊接位置与激光焊接的高温气流隔离开来，从而防止多孔薄壁腔体构件因直接接触高温气流而超温损坏，焊接冷却剂自缝隙喷出以后，与高温气流汇合并逐步掺混，气冷薄膜的隔热作用也随之逐步消失。
综上所述，本发明实施例通过对流冷却、冲击冷却以及气膜冷却原理降低激光焊接时热量集聚在多孔薄壁腔体构件上，有利于降低多孔薄壁腔体构件待焊接部位的温度，从而可以降低因温度升高导致焊接出现裂纹的情况，大大提高了激光焊接的质量和效果。
进一步地，根据本发明实施例第二方面的一种多孔薄壁腔体构件的激光焊接方法中，焊接冷却剂可以包括BaF2、La203、Cr2O3，且BaF2、La203、Cr2O3的质量比可以为2：1：1。2：1：1的BaF2、La203、Cr2O3反应后能形成致密的Cr2O3-BaF2/La203金属陶瓷涂层，具有优异的耐热、抗高温氧化性能，同时Cr2O3-BaF2/La203金属陶瓷涂层具有很强的导热性能，激光焊接时产生的热量其可以很快传导走，能大大降低待焊接部位的温度。
进一步地，根据本发明实施例第二方面的一种多孔薄壁腔体构件的激光焊接方法中，焊接冷却剂的制备方法可以包括:按照质量比取BaF2、La203、Cr2O3研磨成粉末后与5-15倍质量的乙醇混合，均匀搅拌成悬浮液。
进一步地，根据本发明实施例第二方面的一种多孔薄壁腔体构件的激光焊接方法中，还包括在涂覆焊接冷却剂前打磨掉待焊接位置的氧化层。打磨掉待焊接位置的氧化层有利于焊接冷却剂稳定可靠地附着在多孔薄壁腔体构件上，提高焊接冷却剂附着的牢固性，从而间接地可以提高焊接冷却剂的导热效果。
进一步地，根据本发明实施例第二方面的一种多孔薄壁腔体构件的激光焊接方法中，焊接冷却剂的涂覆厚度可以为20-100mm。经实验验证，20-100mm厚度的焊接冷却剂可以有效传导激光焊接时产生的热量，经济性较高。
下面对具体的SP700钛合金板材采用本发明的激光焊接方法和普通方法进行对比说明。
采用1.2mm厚的SP700钛合金板材制备上盖板1和下盖板2，上盖板1和下盖板2沿宽度方向的两端厚度为2.4mm。再采用电加工方式在上盖板1和下盖板2表面制备直径为0.8mm的通气孔4，通气孔4间距为5mm，离焊缝位置最近的通气孔距离焊缝3mm。
激光焊前准备，首先采用钢丝刷将待焊接位置打磨干净去除表面氧化层，然后涂覆焊接冷却剂，焊接冷却剂的化学成分为BaF2，La2O3，Cr2O3，三者的质量比为2:1:1。按配比称取三者混合粉末与10倍质量比的酒精混合，搅拌成悬浊液。将焊接冷却剂涂覆到待焊接位置上，涂覆层的厚度为30μm，宽度15mm。将氩气通入空腔3内使空腔3内压力保持在1MPa左右，气流可以顺利从通气孔4中排出，带走热量；采用激光功率3000W，焊接速度3m/min的功率进行焊接。激光焊接后对焊缝进行X光检测和金相检测，检测结果如附图3(a)、附图3(b)所示。检测结果表明，焊缝无裂纹产生，内部质量满足国家标准中Ⅰ级焊缝标准。
作为对比，同意选用1.2mm厚的SP700钛合金板材制备上盖板1和下盖板2，上盖板1和下盖板2沿宽度方向的两端厚度为2.4mm。首先，采用电加工方式在上盖板1和下盖板2表面面制备直径0.8mm的通气孔4，通气孔4间距为5mm，离焊缝位置最近的通气孔距离焊缝3mm。激光焊前准备，首先采用钢丝刷将焊接位置打磨干净去除表面氧化层，采用常规工艺进行激光拼接，激光功率3000W，焊接速度3m/min的功率进行焊接。激光焊接后对焊缝进行X光检测和金相检测如附图4(a)、附图4(b)所示。检测结果表明，焊缝结合面位置产生裂纹。
综上所述，本发明实施例通过对比方式示例出：本发明实施例所示方法通过对流冷却、冲击冷却以及气膜冷却原理降低激光焊接时热量集聚在多孔薄壁腔体构件上，有利于降低多孔薄壁腔体构件待焊接部位的温度，从而可以降低因温度升高导致焊接出现裂纹的情况，大大提高了激光焊接的质量和效果。
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)

1.一种多孔薄壁腔体构件，其特征在于，包括:上盖板和下盖板，在所述上盖板和所述下盖板的中间形成空腔，所述上盖板和所述下盖板沿宽度方向的两端分别固接在一起；且所述上盖板和所述下盖板上均匀设有通气孔。
2.根据权利要求1所述的一种多孔薄壁腔体构件，其特征在于，所述上盖板为平面板状结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种多孔薄壁腔体构件，其特征在于，所述下盖板包括：第一连接板、第一过渡板、中间板、第二过渡板和第二连接板，所述第一过渡板和所述第二过渡板沿宽度方向的一端分别与所述中间板沿宽度方向的一端相连；所述第一过渡板沿宽度方向的另一端与所述第一连接板沿宽度方向的一端相连，所述第二过渡板沿宽度方向的另一端与所述第二连接板沿宽度方向的另一端相连；所述第一连接板和所述第二连接板的一面与所述上盖板的一面固接在一起。
4.根据权利要求3所述的一种多孔薄壁腔体构件，其特征在于，所述中间板与所述上盖板平行设置，且所述第一连接板和所述第二连接板沿宽度方向的一端分别与所述上盖板沿宽度方向的一端齐平。
5.根据权利要求1所述的一种多孔薄壁腔体构件，其特征在于，所述通气孔的直径为0.5-2mn，相邻所述通气孔的距离为2-20mm。
6.一种激光焊接方法，应用在权利要求1-5任一项所述的多孔薄壁腔体构件上，其特征在于，包括:
在所述多孔薄壁腔体构件的待焊接位置上涂覆焊接冷却剂；
将待焊接的多孔薄壁腔体构件的待焊接位置合并在一起；
向待焊接的多孔薄壁腔体构件内的空腔内通入保护气；
启动激光焊接机进行焊接。
7.根据权利要求6所述的一种激光焊接方法，其待征在于，所述焊接冷却剂包括BaF2、La203、Cr2O3，且BaF2、La203、Cr2O3的质量比为2：1：1。
8.根据权利要求7所述的一种激光焊接方法，其特征在于，所述焊接冷却剂的制备方法包括:按照质量比取BaF2、La203、Cr2O3研磨成粉末后与5-15倍质量的乙醇混合，均匀搅拌成悬浮液。
9.根据权利要求6所述的一种激光焊接方法，其待征在于，所述激光焊接方法还包括在涂覆焊接冷却剂前打磨掉待焊接位置的氧化层。
10.根据权利要求6所述的一种激光焊接方法，其特征在于，所述焊接冷却剂的涂覆厚度为20-100mm。
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