CN111843203A - 一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带预热装置的γ‑TiAl金属间化合物激光焊接装置及方法，装置包括预热装置、送粉装置、激光器、气体保护装置以及焊接夹具；预热装置为一个能够实现温度控制的加热台，送粉装置由氩气瓶、刮板式送粉器和同轴送粉头组成，氩气瓶、刮板式送粉器和同轴送粉头依次相互连接；焊接夹具包括固定支座、螺纹杆以及垫片，固定支座夹持在加热台上，螺纹杆穿过固定支架，下端连接一个垫片，待焊试样放置于垫片与加热台台面之间；加热台上方设置一个密闭罩，同轴送粉头位于待焊试样的焊缝上方，所述气体保护装置用于对密闭罩中送入惰性气体。本发明能够在γ‑TiAl金属间化合物激光焊接过程中，降低其脆性，并减少焊缝中萌生裂纹的可能性，进而提升焊接接头的力学性能。

Description

一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置及 方法
技术领域
本发明涉及一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置及方法，属于激光焊接技术领域。
背景技术
γ-TiAl金属间化合物由于具有密度低、比强度和比模量高、高温抗氧化以及抗蠕变性能好等优良特性，成为航空、航天发动机耐热结构件中最有潜力的结构材料，已在航空发动机叶片得到应用，是目前钛合金研究领域的热点。
在利用γ-TiAl金属间化合物生产结构件的过程中，会涉及到材料的焊接工艺问题。由于γ-TiAl金属间化合物存在室温脆性问题，使其在焊接过程中，焊缝中易萌生裂纹，进而影响焊接接头的力学性能。目前焊接γ-TiAl金属间化合物的方法主要是扩散焊和钎焊，关于γ-TiAl金属间化合物激光焊接方面的研究较少。γ-TiAl金属间化合物在熔化焊特别是激光焊接时表现出明显的脆性问题，成为制约其工程应用的技术难题之一。
发明内容
为了解决上述技术难题，本发明提供了一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置，所述装置包括预热装置、送粉装置、激光器、气体保护装置以及焊接夹具；
所述预热装置为一个能够实现温度控制的加热台，所述送粉装置由氩气瓶、刮板式送粉器和同轴送粉头组成，氩气瓶、刮板式送粉器和同轴送粉头依次相互连接；所述焊接夹具包括固定支座、螺纹杆以及垫片，所述固定支座夹持在加热台上，螺纹杆穿过固定支架，下端连接一个垫片，待焊试样放置于垫片与加热台台面之间；
所述加热台上方设置一个密闭罩，同轴送粉头位于待焊试样的焊缝上方，所述气体保护装置用于对密闭罩中送入惰性气体。
优选地，上述激光器为光纤激光器，配合同轴送粉头以及刮板式送粉器。
优选地，上述预热装置采用电阻加热原理，外壳由镍基高温合金构成，内部则由三组并行的电阻丝构成。
优选地，上述电阻丝的材料为镍铬合金丝，其电阻率为1.09μm·Ω。
优选地，为了防止焊接夹具受到激光焊接过程中的热影响，焊接夹具的材料也采用镍基高温合金。利用焊接夹具固定好待焊试样的原因在于，防止待焊试样在激光焊接过程中发生位置偏移，影响焊缝的质量。
一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接方法，利用上述的激光焊接装置，步骤如下：
（1）、焊接前用丙酮擦拭待焊试样表面，去除油污，并通过酸洗、机械打磨，去除其表面氧化膜；
（2）、安放好预热装置，并用焊接夹具将待焊试样固定于预热装置上；
（3）、调节同轴送粉头，使其位于焊缝中心上方；
（4）、通过电脑控制端设定好相关激光工艺参数；
（5）、启动预热装置，并用手持式高温红外测温仪测定待焊试样表面温度；
（6）、闭合密闭罩，启动气体保护装置，对焊缝正、背面进行保护；
（7）、直至待焊试样表面温度达到500℃，启动激光器及送粉装置，进行激光焊接；
（8）、激光焊接完成后，关闭激光器和送粉装置；
（9）、最后，关闭预热装置和气体保护装置。
优选地，上述待焊试样的焊接接头形式为对接接头，对接装配间隙为0mm，且对待焊试样开“V”字形坡口，坡口角度为60°。
优选地，上述步骤（4）中相关激光工艺参数为激光功率为500W~1000W，光斑直径为0.5mm，离焦量为+5mm，焊接速度为300mm/min~1000mm/min。
优选地，上述气体保护装置采用99.99%的高纯度氩气作为保护气体对焊缝正、背面进行保护，且吹气流量为15~20L/min。
优选地，上述送粉装置中的粉末的材料为Ti-22Al-25Nb，送粉速率为4.9g/min。
本发明所达到的有益效果：
本发明的原理在于，焊接过程中，通过预热装置降低焊缝的冷却速度，从而降低的焊缝萌生裂纹的可能性，此外，通过填粉焊接，向焊缝中添加合金元素，进行合金化处理，有利于其室温塑性的改善。
本发明能够在γ-TiA l金属间化合物激光焊接过程中，降低其脆性，并减少焊缝中萌生裂纹的可能性，进而提升焊接接头的力学性能。
附图说明
图1为带有预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置图。
图2为预热装置内部结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置，所述装置包括预热装置1、送粉装置、激光器4、气体保护装置5以及焊接夹具；
所述预热装置为一个能够实现温度控制的加热台，所述送粉装置由氩气瓶、刮板式送粉器和同轴送粉头组成，刮板式送粉器2和氩气瓶10、同轴送粉头3依次相互连接；所述焊接夹具包括固定支座6、螺纹杆7以及垫片8，所述固定支座夹持在加热台1上，螺纹杆7穿过固定支架6，下端连接一个垫片8，待焊试样放置于垫片8与加热台1台面之间；
所述加热台上方设置一个密闭罩9，同轴送粉头3位于待焊试样的焊缝上方，所述气体保护装置5用于对密闭罩9中送入惰性气体。
优选地，上述激光器4为光纤激光器，配合同轴送粉头以及刮板式送粉器。
优选地，如图2所示，上述预热装置1采用电阻加热原理，外壳由镍基高温合金构成，内部则由三组并行的电阻丝构成。
优选地，上述电阻丝的材料为镍铬合金丝，其电阻率为1.09μm·Ω。
优选地，为了防止焊接夹具受到激光焊接过程中的热影响，焊接夹具的材料也采用镍基高温合金。利用焊接夹具固定好待焊试样的原因在于，防止待焊试样在激光焊接过程中发生位置偏移，影响焊缝的质量。
一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接方法，利用上述的激光焊接装置，步骤如下：
（1）、焊接前用丙酮擦拭待焊试样表面，去除油污，并通过酸洗、机械打磨，去除其表面氧化膜；
（2）、安放好预热装置，并用焊接夹具将待焊试样固定于预热装置1上；其中焊接接头形式为对接接头，对接装配间隙为0mm，且对待焊试样开“V”字形坡口，坡口角度为60°；
（3）、调节同轴送粉头3，使其位于焊缝中心上方；
（4）、通过电脑控制端设定好相关激光工艺参数；激光功率为500W~1000W，光斑直径为0.5mm，离焦量为+5mm，焊接速度为300mm/min~1000mm/min；
（5）、启动预热装置1，并用手持式高温红外测温仪测定待焊试样表面温度；
（6）、闭合密闭罩9，启动气体保护装置5，焊缝正、背面处于充满保护气体的氛围内，其中，保护气体为99.99%的高纯度氩气，且吹气流量为(15~20)L/min；
（7）、直至待焊试样表面温度达到500℃，启动激光器4及送粉装置，进行激光焊接；送粉装置中的粉末的材料为Ti-22Al-25Nb，送粉速率为4.9g/min，直至坡口区域被填充完整。此外，焊接过程中，为防止待焊试样反射对实验系统和人员造成伤害，同轴送粉头偏转 10°；
（8）、激光焊接完成后，关闭激光器4和送粉装置；
（9）、10min后关闭预热装置1和气体保护装置5。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置，其特征在于所述装置包括预热装置、送粉装置、激光器、气体保护装置以及焊接夹具；
所述预热装置为一个能够实现温度控制的加热台，所述送粉装置由氩气瓶、刮板式送粉器和同轴送粉头组成，氩气瓶、刮板式送粉器和同轴送粉头依次相互连接；所述焊接夹具包括固定支座、螺纹杆以及垫片，所述固定支座夹持在加热台上，螺纹杆穿过固定支架，下端连接一个垫片，待焊试样放置于垫片与加热台台面之间；
所述加热台上方设置一个密闭罩，同轴送粉头位于待焊试样的焊缝上方，所述气体保护装置用于对密闭罩中送入惰性气体。
2.根据权利要求1所述的一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置，其特征在于所述激光器为光纤激光器，配合同轴送粉头以及刮板式送粉器。
3.根据权利要求1所述的一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置，其特征在于预热装置采用电阻加热原理，外壳由镍基高温合金构成，内部则由三组并行的电阻丝构成。
4.根据权利要求3所述的一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接装置，其特征在于所述电阻丝的材料为镍铬合金丝，其电阻率为1.09μm·Ω。
5.一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接方法，其特征在于利用权利要求1所述的激光焊接装置，步骤如下：
（1）、焊接前用丙酮擦拭待焊试样表面，去除油污，并通过酸洗、机械打磨，去除其表面氧化膜；
（2）、安放好预热装置，并用焊接夹具将待焊试样固定于预热装置上；
（3）、调节同轴送粉头，使其位于焊缝中心上方；
（4）、通过电脑控制端设定好相关激光工艺参数；
（5）、启动预热装置，并用手持式高温红外测温仪测定待焊试样表面温度；
（6）、闭合密闭罩，启动气体保护装置，对焊缝正、背面进行保护；
（7）、直至待焊试样表面温度达到500℃，启动激光器及送粉装置，进行激光焊接；
（8）、激光焊接完成后，关闭激光器和送粉装置；
（9）、最后，关闭预热装置和气体保护装置。
6.根据权利要求5所述的一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接方法，其特征在于所述待焊试样的焊接接头形式为对接接头，对接装配间隙为0mm，且对待焊试样开“V”字形坡口，坡口角度为60°。
7.根据权利要求5所述的一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接方法，其特征在于所述步骤（4）中相关激光工艺参数为激光功率为500W~1000W，光斑直径为0.5mm，离焦量为+5mm，焊接速度为300mm/min~1000mm/min。
8.根据权利要求5所述的一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接方法，其特征在于所述气体保护装置采用99.99%的高纯度氩气作为保护气体对焊缝正、背面进行保护，且吹气流量为15~20L/min。
9.根据权利要求5所述的一种带预热装置的γ-TiAl金属间化合物激光焊接方法，其特征在于所述送粉装置中的粉末的材料为Ti-22Al-25Nb，送粉速率为4.9g/min。
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