CN111940905A - 薄板钛合金t型接头双侧的同轴双焦距激光填丝焊接方法 - Google Patents

Abstract

薄板钛合金T型接头双侧的同轴双焦距激光填丝焊接方法，属于激光焊接领域。将具有同轴双焦距特征的两个激光枪头分别安装到两个机械手臂上，并置于T型结构件立筋两侧，送丝机构与激光枪头集成在一起，并从侧方将焊接填丝送进。调整所述双焦距激光镜头之间的距离，以及透镜与待焊焊道之间的距离，实现焊接过程中长焦距激光为深熔焊模式、短焦距激光为热导焊模式，调整所述送丝位置，控制两侧激光的错位距离，同时开启激光器进行焊接。利用激光热源同轴双焦距的特性，调整焊接参与机构之间的相对空间位置，实现长、短焦距激光以及送丝端的共熔池焊接，从而调控激光填丝焊接的熔滴过渡行为，改善焊缝成形，同时还可以降低焊缝气孔率，稳定焊接过程。

Description

薄板钛合金T型接头双侧的同轴双焦距激光填丝焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，具体地说是一种薄板T型接头双侧的同轴双焦距激光填丝焊接方法。

背景技术

由于航天航空器在飞行过程中受力的复杂性，因此具有良好受力适应性的钛合金T型构件已经广泛应用于国防航空产品的蒙皮制造。传统的T型构件制造通常采用铆接或壁板穿透焊接，可以看出的是不论是铆接还是壁板穿透焊接均会对零件外表面的完整性造成破坏，导致最终产品的表面质量降低，不能满足当下国防航空产品对特殊使用性能的需要，特别是如果采用铆接还会增加零件本身的重量。

目前，针对航空产品特殊的使用性能，一些科研单位开发出T型构件的双侧双激光填丝焊接工艺，它具有自动化程度高，壁板表面不受破坏等特点，在T型接头的制造领域有着广泛的应用前景。然而，激光焊接小光斑点及指向性好的特点，对填丝位置精度提出了极为严格的要求，且容易引起焊接飞溅，影响工艺过程稳定性；同时由于激光焊接速度快，熔池存在时间短，熔池气泡没有足够的溢出时间，容易引起焊缝气孔残留，影响最终产品的使用性。针对上述双侧双激光焊接填丝过程引起的焊接飞溅，通常采用调节离焦量，增加光斑尺寸，改善填丝焊接的熔滴过渡行为，但这种方法会使激光焊接能量密度的整体降低，减弱激光能量的穿透力。针对焊缝气孔缺陷，通常采用提高焊接速度，减小热输入，加快焊缝的冷却速率，力争在气泡形成前完成焊缝的凝固，但过快的焊接速度又会使得对焊接填丝要求更为苛刻。因此，如何降低焊缝的气孔率，增加对填丝指向性的容忍度，已经成为提高T型构件双侧双激光焊接接头质量的关键。

发明内容

根据上述提出的T型接头双激光填丝焊接焊缝气孔率高且对填丝位置精度要求严格以及焊接效率低、焊接飞溅大等技术问题，而提供一种薄板钛合金T型接头双侧的同轴双焦距激光填丝焊接方法。本发明主要利用T型接头焊接时两侧激光所具有的同轴双焦距的特性，将长焦距激光设置为负离焦量(焦点位于待焊板材表面下方)，同时控制长焦距激光在板材表面的光斑大小，保证长焦距激光足够的能量密度(大于10⁶W/cm²)，从而起到深熔焊的作用；控制短焦距激光离焦量及光斑大小，保证激光斑点直径满足降低送丝容忍度需求，同时还起到热导焊(小于10⁶W/cm²)且延长匙孔存在时间的作用。长、短两焦距同轴激光共同作用熔池，使熔池中的激光匙孔形成上宽下窄的阶梯状形貌，在提高匙孔对激光能量吸收率的同时还可以延长匙孔的存在时间，实现激光深熔焊接同时延长熔池气孔的排出时间；调节焊接速度与激光能量，控制两激光束的错位距离；两者共同作用降低焊缝的气孔率。同时短焦距激光在熔池表面，形成的较大光斑，降低了对填丝位置的容忍度，起到改善熔滴过渡行为，减少焊接飞溅，稳定焊接过程。本发明提出的熔池稳定性控制方法可以大幅提高T型结构件双光束填丝焊接稳定成形的工艺窗口，显著提高制造效率，提高加工成形精度。

本发明的技术方案：

薄板钛合金T型接头双侧的同轴双焦距激光填丝焊接方法，根据所需焊接的对象，将两个具有同轴双焦点特征的激光器，分别安装到两个机械手臂上，并置于T型结构件筋板两侧，采用焊接送丝在前、激光在后的方式将激光头与填丝机构复合在一起，激光入射位置与填丝尖端之间的水平距离以及轴向距离连续可调；具体如下：

根据待焊零件的尺寸需要对激光器能量、光斑大小以及送丝速度进行选择，通过对送丝位置轴向与水平方向的调节，实现在所选焊接参数下深熔焊激光、热导焊激光以及填丝的共熔池焊接；

进一步地，所述激光器具有同轴的双焦点镜头，激光通过光纤传导并从双焦点镜头上方入射，经过双焦点镜头聚焦后在待焊工件侧形成长、短两焦距同轴激光束，且两束同轴激光在同一板材表面所形成的光斑大小不相等，调整聚焦镜片间距离以及镜头与待焊工件间距离，控制两同轴激光焦距以及待焊工件表面光斑直径，并结合与之相匹配的激光能量，实现对两同轴激光焊接模式(长焦距激光的深熔激光焊与短焦距激光的热导激光焊)的分别控制，构建一个焊接模式不同的同轴激光热源形式，激光能量得到重新分配，实现短焦距激光热导焊、长焦距激光深熔焊的效果，保证激光填丝焊接过程中焊丝能够顺利熔化过渡到熔池同时，还不影响短焦距激光的深熔焊接质量；

进一步地，调整聚焦镜片之间轴向距离，以及调整镜头与待焊工件间距离，控制长、短两焦点激光离焦量；同时离焦量与光斑调节的最终状态能够实现短焦距激光在板材表面的光斑直径为长焦距激光在板材表面的光斑直径的2～2.5倍，且保证短焦距激光束在板材表面的光斑直径为焊接送丝直径1～2倍，实现焊接时长焦距激光能量密度大于10⁶W/cm²，而短焦距激光能量密度小于10⁶W/cm²，光斑的半径计算公式为：

式中：r、R分别为长、短焦距平行激光束半径，f1与f2分别为长、短焦距激光焦距，ω为透镜表面激光束半径，L为离焦量。；

进一步地，通过调整填丝机构的轴向和水平距离，使得焊接填丝尖端处在长焦点激光束板材表面光斑外，且在短焦点激光束板材表面光斑内。

进一步地，为了实现同轴激光的不同模式焊接，激光器输出能量根据同轴焦点激光焦距决定，其计算公式为：

进一步地，根据激光器功率和待焊板材厚度进行焊接速度测试验，确定最终焊接速度。

进一步地，送丝速度选择由最终焊缝的截面尺寸决定，其计算公式为：

v_w＝c²πSlv_f (4)

式中，c为焊丝半径，S为单侧焊缝横截面面积，l为焊缝长度，v_f为焊接速度

进一步地，双侧同轴双焦点激光施焊，两激光束的允许错位距离，由焊接速度决定，其计算公式为：

式中：a₀为材料热扩散率，v_f’拟定焊接速度，h为熔深，λ为热导率，T为材料熔点，T₀为环境温度，K₀为贝塞尔函数，a为热流集中系数，d为传热系数。

进一步地，激光轴线与焊丝所形成的平面与T型接头焊接臂板之间的空间角度α为10°～30°；

进一步地，双侧同轴双焦点激光焊接采用氩气进行保护，保护气导管规格为铜制直径10mm，安装与激光束同轴。

本发明的有益效果：

1、延长匙孔存在时间，降低气孔率，本发明利用激光束的同轴双焦距特性，施焊时通过调节激光光斑不同位置的能量密度，更容易实现不同焊接模式激光的共熔池焊接，形成上宽下窄的阶梯状匙孔，在保证长焦距小斑点激光束深熔焊模式的同时，短焦距大斑点激光增加了匙孔开口的比表面积，延长了熔池凝固时间，为熔池中气泡溢出提供了充裕的时间，实现焊缝气孔率的降低。

2、优化送丝状态，提高焊接稳定性，本发明利用激光束同轴双焦点特性，施焊时通过调节激光光斑不同位置的能量密度，更容易实现不同焊接模式激光的共熔池焊接，调节送丝位置，使其位于热导焊模式的范围内，降低了高能量密度激光对熔滴的冲击，稳定送丝，减少飞溅。

3、多参数调节，增强了焊接技术的适应性，扩展了可焊参数窗口范围，有利于实现稳定的自动焊接，从而提高生产效率。

附图说明

图1为双光束激光焊接示意图

图2双焦距激光示意图

图3为焊接错位控制示意图

图4为激光光斑与填丝位置示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

一种T型接头双侧同轴双焦点激光填丝焊接方法，步骤如下：

根据所需焊接的对象，将两个具有同轴双焦点特征的激光器，分别安装到两个机械手臂上，并置于T型结构件筋板两侧，采用焊接送丝在前、激光在后的方式将激光头与填丝机构复合在一起，激光入射位置与填丝尖端之间的水平距离以及轴向距离连续可调，如图1所示；

根据所送焊丝的直径，对同轴双焦距激光光斑进行选择，调整聚焦镜片1与2之间的轴向距离，以及利用公式(1)与(2)计算并调整镜头与待焊工件间距离，控制长、短两焦点激光离焦量；同时离焦量与光斑调节的最终状态可以实现短焦距激光在板材表面的光斑直径约为长焦距激光在板材表面的光斑直径的2～2.5倍，且保证短焦距激光束在板材表面的光斑直径为焊接送丝直径1～2倍，实现焊接时长焦距激光能量密度大于10⁶W/cm²，而短焦距激光能量密度小于10⁶W/cm²，如图2所示；

根据两光斑直径，以及待焊工件厚度，对激光的输出功率进行计算设定，如公式(3)；

根据待焊板材厚度，对焊接速度进行试验测定，保证焊接熔深在不大于板材厚度的同时且不小于板材厚度的2/3；

根据所需要的焊角尺寸，对送丝速度进行计算，如公式(4)，同时对两侧激光错位距离进行计算，如公式(5)，如图3；

通过调节机械手臂姿态，调节送丝位置轴向与水平方向，控制保护气流量，同时，控制两激光束的错位距离如图2所示，最终实现在所选焊接参数下深熔焊激光、热导焊激光以及填丝的共熔池焊接，如图4所示；

实施例1：钛合金T型接头双光束焊接，其中底板厚2.0mm，立筋厚1.5mm，填丝直径为1.2mm。

修配T型接头的底板与立筋之间的拼接间隙小于0.1mm，将修配完成的底板与立筋配合面清洗干净，并将处理好的工件固定在工装夹具上。

根据所送焊丝直径对长、短两焦距激光光斑进行确定，短焦距光斑直径为1～2.5mm，则长焦距光斑直径应为0.4～1.2mm。

对激光功率进行确定，其计算公式为(1)～(3)，最终计算出激光功率应为2200～3000W。

对焊接速度进行确定，最终确定出焊接速度应为8000～12000mm/min。

对送丝速度进行确定，满足最终焊接尺寸K值为0.5～1.5mm，其计算公式为(4)，最终计算结果为2000～6000mm/min，同时利用公式(5)对两侧激光的错位距离进行计算为不大于0～6mm。

调整焊枪姿态，激光入射角度与立筋之间的夹角为60°～80°，控制保护气体流量为30L/min。

采用上述参数可实现钛合金T型接头双光束焊接，焊接过程稳定，无飞溅产生，且接头成形美观、无缺陷。

Claims (1)

1.薄板钛合金T型接头双侧的同轴双焦距激光填丝焊接方法，其特征在于，根据所需焊接的对象，将两个具有同轴双焦点特征的激光器，分别安装到两个机械手臂上，并置于T型结构件筋板两侧，采用焊接送丝在前、激光在后的方式将激光头与填丝机构复合在一起，激光入射位置与填丝尖端之间的水平距离以及轴向距离连续可调；具体如下：

根据待焊零件的尺寸需要对激光器能量、光斑大小以及送丝速度进行选择，通过对送丝位置轴向与水平方向的调节，实现在所选焊接参数下深熔焊激光、热导焊激光以及填丝的共熔池焊接；

所述激光器具有同轴的双焦点镜头，激光通过光纤传导并从双焦点镜头上方入射，经过双焦点镜头聚焦后在待焊工件侧形成长、短两焦距同轴激光束，且两束同轴激光在同一板材表面所形成的光斑大小不相等，调整聚焦镜片间距离以及镜头与待焊工件间距离，控制两同轴激光焦距以及待焊工件表面光斑直径，并结合与之相匹配的激光能量，实现对两同轴激光焊接模式(长焦距激光的深熔激光焊与短焦距激光的热导激光焊)的分别控制，构建一个焊接模式不同的同轴激光热源形式，激光能量得到重新分配，实现短焦距激光热导焊、长焦距激光深熔焊的效果，保证激光填丝焊接过程中焊丝能够顺利熔化过渡到熔池同时，还不影响短焦距激光的深熔焊接质量；

调整聚焦镜片之间轴向距离，以及调整镜头与待焊工件间距离，控制长、短两焦点激光离焦量；同时离焦量与光斑调节的最终状态能够实现短焦距激光在板材表面的光斑直径为长焦距激光在板材表面的光斑直径的2～2.5倍，且保证短焦距激光束在板材表面的光斑直径为焊接送丝直径1～2倍，实现焊接时长焦距激光能量密度大于10⁶W/cm²，而短焦距激光能量密度小于10⁶W/cm²，光斑的半径计算公式为：

式中：r、R分别为长、短焦距平行激光束半径，f1与f2分别为长、短焦距激光焦距，ω为透镜表面激光束半径，L为离焦量；；

通过调整填丝机构的轴向和水平距离，使得焊接填丝尖端处在长焦点激光束板材表面光斑外，且在短焦点激光束板材表面光斑内；

为了实现同轴激光的不同模式焊接，激光器输出能量根据同轴焦点激光焦距决定，其计算公式为：

根据激光器功率和待焊板材厚度进行焊接速度测试验，确定最终焊接速度；

送丝速度选择由最终焊缝的截面尺寸决定，其计算公式为：

v_w＝c²πSlv_f (4)

式中，c为焊丝半径，S为单侧焊缝横截面面积，l为焊缝长度，v_f为焊接速度

双侧同轴双焦点激光施焊，两激光束的允许错位距离，由焊接速度决定，其计算公式为：

式中：a₀为材料热扩散率，v_f’拟定焊接速度，h为熔深，λ为热导率，T为材料熔点，T₀为环境温度，K₀为贝塞尔函数，a为热流集中系数，d为传热系数；

激光轴线与焊丝所形成的平面与T型接头焊接臂板之间的空间角度α为10°～30°；

双侧同轴双焦点激光焊接采用氩气进行保护，保护气导管规格为铜制直径10mm，安装与激光束同轴。

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