CN112108655A - 一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其是通过成形装置对钛合金厚板窄间隙进行激光焊接的，成形装置包括激光器、气体保护罩、刮刀、送料漏斗、控制器、机械手、传动机构以及滑轨滑块组件，先通过送料漏斗将粉末铺设在窄间隙内，然后利用设于送料漏斗后方的刮刀将窄间隙内的粉末刮平，之后通过气体保护罩向窄间隙内通入保护气，再利用激光器进行熔化连接，完成单层激光熔化成形后，使刮刀和激光器均升高一层预铺设粉末的厚度；重复上述步骤，直至完成钛合金厚板窄间隙的连接。该连接方法能够提升厚板窄间隙连接成形的稳定性与精度，改善接头组织的均匀性，降低接头内部未熔合与气孔类缺陷的生成，进而提升接头性能。

Description

一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法
技术领域
本发明涉及材料激光加工技术领域，具体的说是一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法。
背景技术
钛合金具有质轻、高强、耐蚀以及无磁等特点，是一类优异的轻型结构材料，在船舶制造、海洋工程、核工业以及航空航天领域有着广泛的应用前景。钛合金的厚板连接在上述领域中是必不可少的一项关键技术，钛合金厚板连接技术难度高，目前采用的连接方法主要为窄间隙钨极氩弧焊和真空高能电子束焊，其中，窄间隙钨极氩弧焊只能用于窄间隙的宽度大于8mm以上的情况，且连接效率偏低，适应性不佳，此外还因热输入量大会使得接头残余应力偏高而易于产生变形；真空高能电子束焊虽然速度快、热影响区小、变形小，但需要在真空室或气氛室内进行，限制了工件的尺寸和形状。
激光机工技术因其具有高能量激光加工技术因其具有高能量密度、高精度、高可靠性以及低成本等优点，已在汽车、电子以及航空航天等领域的薄板熔化连接中取得广泛应用，但在以船舶制造与核工业为代表的领域中，钛合金厚板连接特别是成形条件极为苛刻的钛合金大厚板连接应用中仍处于起步探索阶段。如公开号为CN103801833B及CN105312739B的中国发明专利，均采用填丝窄间隙激光焊的方法对厚板进行熔化连接，该连接方法存在熔池不稳定、易形成未熔合与气孔类缺陷以及激光热转化效率较低等问题；另在公开号为CN104874919B的中国发明专利中，还采用同步送粉窄间隙激光焊的方法对厚板进行熔化连接，仍然面临着同激光填丝焊一样的熔池不稳定以及易形成未熔合与气孔类缺陷等问题；此外，上述连接方法多采用同层单道熔化连接，为保证接头质量对激光器功率要求较高，不利于规模化应用，与此同时因热输入量较大还会引起接头内残余应力偏高，进而会对接头性能产生影响。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，该连接方法能够有效提升厚板窄间隙连接成形的稳定性与精度，改善接头组织的均匀性，同时降低接头内部未熔合与气孔类缺陷的生成，进而提升接头性能。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其是通过一个成形装置对钛合金厚板窄间隙进行激光焊接的，所述的成形装置包括激光器、气体保护罩、刮刀、送料漏斗、控制器、机械手、传动机构以及滑轨滑块组件，滑轨滑块组件中的两条滑轨对称设于钛合金厚板上窄间隙的两侧，滑轨滑块组件中的滑块在传动机构作用下能够沿滑轨移动，所述滑块上垂直设有支撑杆I，支撑杆I上连接有能够向窄间隙内输送粉末的送料漏斗，滑块上在支撑杆I后方设有与控制器电连接的丝杠升降机，丝杠升降机上设有与滑轨垂直的支撑杆II，一端悬空的支撑杆II上竖直设有能够将输送至窄间隙坡口处的粉末刮平的刮刀，通过丝杠升降机能够调节支撑杆II升降进而带动刮刀升降；所述机械手的数量为两个，所述控制器能够通过两个机械手分别控制激光器和气体保护罩的移动，所述气体保护罩与气罐管路连接，气体保护罩的中部设有多个与窄间隙相对的能够向窄间隙中输送保护气的微孔，气体保护罩中部的上下两面均向内凹陷形成矩形通槽以使激光器发出的激光通过通槽发射至窄间隙内铺设的粉末上；
该激光熔化连接方法包括如下步骤：
（1）、将送料漏斗置于窄间隙的始端，令铺设的各层粉末的目标厚度为d，调节刮刀竖直方向的位置使刮刀与窄间隙底部的间距等于d，然后操作控制器使传动机构带动置于滑块上的送料漏斗沿滑轨移动，将粉末均匀铺设在窄间隙内，同时，置于送料漏斗后方的刮刀也随送料漏斗同步前移，将粉末推刮平铺到窄间隙内；
（2）、将气体保护罩置于窄间隙的始端，打开气罐使保护气经气体保护罩通入窄间隙内，打开激光器，调节激光器的位置使激光聚焦于窄间隙的始端，开始进行钛合金厚板窄间隙的连接，操作控制器通过两个机械手分别控制气体保护罩和激光器沿窄间隙的长度方向移动，所述气体保护罩和激光器在移动过程中的相对位置保持不变；
（3）、完成单层激光熔化成形后，通过控制器控制丝杠升降机进而带动刮刀上升d的高度，通过控制器控制激光器也上升d的高度；
（4）、重复步骤（1）~步骤（3），直至完成钛合金厚板窄间隙的连接。
进一步地，待步骤（1）中的刮刀从窄间隙的始端移动至尾端后，再开始进行步骤（2）。
进一步地，待步骤（1）中的刮刀从窄间隙的始端前移10~150mm后，开始进行步骤（2），且刮刀的前进速度和气体保护罩的前进速度相等。
进一步地，步骤（2）中，控制器控制激光器发出的激光在窄间隙内以“Z”字形路径移动且沿窄间隙的长度方向前进。
进一步地，激光器的功率为0.05~50KW，激光在窄间隙内的聚焦光斑移动速度为10-1~104mm/s。
进一步地，钛合金厚板的厚度范围为10~500mm。
进一步地，钛合金厚板窄间隙的宽度为1~30mm。
进一步地，所述粉末的粒径为5~103μm。
进一步地，铺设的各层粉末的目标厚度d为10~104μm。
进一步地，通入气体保护罩内的保护气为高纯氩气或高纯氦气。
有益效果：
本发明通过刮刀对铺粉的层厚及其均匀性进行控制，能够有效提升厚板窄间隙连接成形的稳定性与精度，改善接头组织的均匀性，同时降低接头内部未熔合与气孔类缺陷的生成，进而提升接头性能。
本发明采用“Z”字形路径移动且沿窄间隙的长度方向前进的方式进行熔化连接（即单层多道熔化连接），对激光器功率限制小，可以采用低成本的小功率激光器，因而能够有效降低能量输入，减小熔池尺寸，细化晶粒，提高组织均匀性，并减少残余应力的形成，从而进一步提升接头性能。
附图说明
图1是本发明中成形装置的结构示意图。
图2是实施例1中钛合金厚板激光熔化连接接头的金相组织图。
附图标记：1、控制器，2、钛合金厚板，3、气体保护罩，4、刮刀，5、滑块，6、滑轨，7、支撑杆I，8、送料漏斗，9、支撑杆II，10、丝杠升降机，11、激光器，12、机械手。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其是通过一个成形装置对钛合金厚板窄间隙进行激光焊接的，请参考图1，所述的成形装置包括控制器1、能够为激光熔化连接提供稳定连续光源的激光器11、用于向窄间隙内输送保护气的气体保护罩3、能够向窄间隙内输送粉末的送料漏斗8、能够将输送至窄间隙坡口处的粉末刮平的刮刀4、机械手12、传动机构以及滑轨滑块组件，滑轨滑块组件中的两条滑轨6对称设于钛合金厚板2上窄间隙的两侧，滑轨滑块组件中的滑块5在传动机构作用下能够沿滑轨6移动，所述滑块5上垂直设有支撑杆I 7，支撑杆I 7上连接有送料漏斗8，所述送料漏斗8上还有送料阀门，通过控制送料阀门的开合能够控制送料与否，通过调节送料漏斗8的移动速度能够控制每层的送粉量，滑块5上在支撑杆I 7后方设有与控制器1电连接的丝杠升降机10，丝杠升降机10上设有与滑轨6垂直的支撑杆II 9，支撑杆II 9远离丝杠升降机10的一端悬空设置，支撑杆II 10上竖直设有刮刀4，通过丝杠升降机10能够调节支撑杆II 10升降进而带动刮刀4升降，以对每层铺粉厚度进行精确控制。所述机械手12的数量为两个，所述控制器1能够通过两个机械手12分别控制激光器11和气体保护罩3的移动，所述气体保护罩3与气罐管路连接，气体保护罩3的中部设有多个与窄间隙相对的能够向窄间隙中输送保护气的微孔，能够避免激光熔化过程中已呈现部位合金发生氧化，气体保护罩3中部的上下两面均向内凹陷形成矩形通槽以使激光器11发出的激光穿过通槽射至窄间隙内铺设的粉末上。
该激光熔化连接方法包括如下步骤：
（1）、将送料漏斗8置于窄间隙的始端，令铺设的各层粉末的目标厚度为d，调节刮刀4竖直方向的位置使刮刀4与窄间隙底部的间距等于d，然后使送料漏斗8沿滑轨6移动，将粉末均匀铺设在窄间隙内，同时，置于送料漏斗8后方的刮刀4也随送料漏斗8同步前移，将粉末推刮平铺到窄间隙内；
（2）、将气体保护罩3置于窄间隙的始端，打开气罐使保护气经气体保护罩3通入窄间隙内，打开激光器11，调节激光器11的位置使激光聚焦于窄间隙的始端，开始进行钛合金厚板2窄间隙的连接，操作控制器1通过相应的机械手12控制气体保护罩3和激光器11沿窄间隙的长度方向移动，所述气体保护罩3和激光器11在移动过程中的相对位置保持不变；
（3）、待该层焊接完成后，通过控制器1控制丝杠升降机10进而带动刮刀4上升d的高度，通过控制器1控制相应的机械手12带动激光器11也上升d的高度；
（4）、重复步骤（1）和步骤（3），直至完成钛合金厚板2窄间隙的连接。
其中，待步骤（1）中的刮刀4从窄间隙的始端移动至尾端后，再开始进行步骤（2）。或者，待步骤（1）中的刮刀4从窄间隙的始端前移10~150mm后，开始进行步骤(2)，且刮刀4和气体保护罩3的移动速度相等。
需要说明的是，步骤（2）中，控制器1控制激光器11发出的激光在窄间隙内以“Z”字形路径移动且沿窄间隙的长度方向前进。
激光器11的功率为0.05~50KW，激光在窄间隙内的聚焦光斑移动速度为10-1~104mm/s。
钛合金厚板2的厚度范围为10~500mm。钛合金厚板2窄间隙的宽度为1~30mm。
所述粉末的粒径为5~103μm。铺设的各层粉末的目标厚度d为10~104μm。通入气体保护罩3内的保护气为高纯氩气或高纯氦气。
实施例1
基于预铺粉的Ti6Al3Nb2Zr1Mo合金30mm厚板窄间隙激光熔化连接方法，包括如下步骤：
（1）、将送料漏斗8置于窄间隙的始端，铺设的各层粉末的目标厚度d为400μm，调节刮刀4与窄间隙底部的间距为400μm，操作控制器1使传动机构带动送料漏斗8沿窄间隙的长度方向以1mm/s的速度移动，将粒径分布在50~100μm的Ti6Al3Nb2Zr1Mo合金粉末均匀铺设在宽度为5mm的窄间隙内，同时，置于送料漏斗8后方的刮刀也随送料漏斗8同步前移，进而将粉末推刮平铺到窄间隙内；
（2）、操作控制器1通过相应的机械手12控制气体保护罩3和激光器11均置于窄间隙的始端，打开气罐使高纯氩气经气体保护罩通入窄间隙内，打开激光器11，之后激光聚焦于窄间隙起始位置开始熔化成形，成形过程中激光在窄间隙内以“Z”字形路径移动且沿窄间隙的长度方向前进，激光功率为1000W，激光聚焦光斑移动速度为3mm/s，气体保护罩3同激光器11的相对位置保持不变，并以1mm/s的速度的恒定速度向前移动直至窄间隙末端；
（3）、待该层焊接完成后，通过控制器1控制丝杠升降机10使刮刀4上升400μm，通过控制器1控制相应的机械手12带动激光器11也上升400μm；
（4）、重复步骤（1）-步骤（3），直至完成钛合金厚板窄间隙的连接。
成形后的Ti6Al3Nb2Zr1Mo合金30mm厚板激光熔化连接接头宏观无明显变形，表面经肉眼观察颜色为银白色，其内部不同成形层间金相组织的观察结果如图2所示，可以看到接头内部有着均匀细小的网篮组织，不同成形层之间结合良好，未观察到未熔合与气孔类缺陷的产生，成形质量良好，此外拉伸性能测试结果显示接头抗拉强度可达母材强度的0.9倍以上，接头成形质量及力学性能优良。
实施例2
基于预铺粉的Ti6Al4V合金20mm厚板窄间隙激光熔化连接方法，包括如下步骤：
（1）、将送料漏斗8置于窄间隙的始端，铺设的各层粉末的目标厚度d为250μm，调节刮刀与窄间隙底部的间距为250μm，操作控制器使传动机构带动置于滑块上的送料漏斗沿窄间隙的长度方向以0.5mm/s的速度移动，将粒径分布在30~80μm的Ti6Al4V合金粉末均匀铺设在宽度为3mm的窄间隙内，同时，置于送料漏斗8后方的刮刀4也随送料漏斗8同步前移，进而将粉末推刮平铺到窄间隙内；
（2）、操作控制器1通过相应的机械手12控制气体保护罩3和激光器11均置于窄间隙的始端，打开气罐使高纯氦气经气体保护罩3通入窄间隙内，打开激光器11，之后激光聚焦于窄间隙起始位置开始熔化成形，成形过程中激光在窄间隙内以“Z”字形路径移动且沿窄间隙的长度方向前进，激光功率为500W，激光聚焦光斑移动速度为2mm/s，气体保护罩3同激光器11相对位置保持不变，并以0.5mm/s的速度的恒定速度向前移动直至窄间隙末端；
（3）、待该层焊接完成后，通过控制器1控制丝杠升降机10使刮刀上升250μm，通过控制器1控制相应的机械手12带动激光器11也上升250μm；
（4）、重复步骤（1）-步骤（3），直至完成钛合金厚板窄间隙的连接。
成形后的Ti6Al4V合金20mm厚板激光熔化连接接头宏观无明显变形，表面经肉眼观察颜色为银白色，金相组织观察的结果显示接头内部有着均匀细小的网篮组织，不同成形层之间结合良好，未观察到未熔合与气孔类缺陷的产生，成形质量良好，此外拉伸性能测试结果显示接头抗拉强度可达母材强度的0.95倍以上。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：其是通过一个成形装置对钛合金厚板窄间隙进行激光熔化连接的，所述的成形装置包括激光器、气体保护罩、刮刀、送料漏斗、控制器、机械手、传动机构以及滑轨滑块组件，其中，滑轨滑块组件中的两条滑轨对称设于钛合金厚板上窄间隙的两侧，滑轨滑块组件中的滑块在传动机构作用下能够沿滑轨移动，所述滑块上垂直设有支撑杆I，支撑杆I上连接有能够向窄间隙内输送粉末的送料漏斗，滑块上在支撑杆I后方设有与控制器电连接的丝杠升降机，丝杠升降机上设有与滑轨垂直的支撑杆II，一端悬空的支撑杆II上竖直设有能够将输送至窄间隙坡口处的粉末刮平的刮刀，通过丝杠升降机能够调节支撑杆II升降进而带动刮刀升降；所述机械手的数量为两个，所述控制器能够通过两个机械手分别控制激光器和气体保护罩的移动，所述气体保护罩与气罐管路连接，气体保护罩的中部设有多个与窄间隙相对的能够向窄间隙中输送保护气的微孔，气体保护罩中部的上下两面均向内凹陷形成矩形通槽以使激光器发出的激光通过通槽发射至窄间隙内铺设的粉末上；
该激光熔化连接方法包括如下步骤：
（1）、将送料漏斗置于窄间隙的始端，令预铺设的各层粉末的目标厚度为d，调节刮刀竖直方向的位置使刮刀与窄间隙底部的间距等于d，然后操作控制器使传动机构带动置于滑块上的送料漏斗沿滑轨移动，将粉末均匀铺设在窄间隙内，同时，置于送料漏斗后方的刮刀也随送料漏斗同步前移，将粉末推刮平铺到窄间隙内；
（2）、将气体保护罩置于窄间隙的始端，打开气罐使保护气经气体保护罩通入窄间隙内，打开激光器，调节激光器的位置使激光聚焦于窄间隙的始端，开始进行钛合金厚板窄间隙的连接，操作控制器通过两个机械手分别控制气体保护罩和激光器沿窄间隙的长度方向移动，气体保护罩和激光器在移动过程中的相对位置保持不变；
（3）、完成单层激光熔化成形后，通过控制器控制丝杠升降机带动刮刀上升d的高度，通过控制器控制激光器也上升d的高度；
（4）、重复步骤（1）~步骤（3），直至完成钛合金厚板窄间隙的连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：待步骤（1）中的刮刀从窄间隙的始端移动至尾端后，再开始进行步骤（2）。
3.根据权利要求1所述的一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：待步骤（1）中的刮刀从窄间隙的始端前移10~150mm后，即开始进行步骤（2），且刮刀的前进速度和气体保护罩的前进速度相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：步骤（2）中，控制器控制激光器发出的激光在窄间隙内以“Z”字形路径移动且沿窄间隙的长度方向前进。
5.根据权利要求4所述的一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：激光器的功率为0.05~50KW，激光在窄间隙内的聚焦光斑移动速度为10-1~104mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：钛合金厚板的厚度范围为10~500mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：钛合金厚板窄间隙的宽度为1~30mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：所述粉末的粒径为5~103μm。
9.根据权利要求1所述的一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：铺设的各层粉末的目标厚度d为10~104μm。
10.根据权利要求1所述的一种基于预铺粉的钛合金厚板窄间隙激光熔化连接方法，其特征在于：通入气体保护罩内的保护气为高纯氩气或高纯氦气。
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