CN112496544A - 一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法和装置，以激光为主要热源，以TIG电弧为辅助热源，沿着由平展的薄壁带状的钛板或钛带卷曲成形的圆形薄壁钛管的轴线方向，对圆形薄壁钛管的对接部位实施无填充的全熔透直线对接焊缝的焊接。与现有技术相比，本发明采用预热TIG在前、形成熔池的激光在后的热源布置方法，较小的TIG电弧电流预热被焊的钛管，提高激光吸收率；较大功率的激光束作用在已预热的钛管并形成的熔池，提高熔透能力；配合较大的激光正离焦量以及优化的焊接参数，降低被焊钛管表面的激光能量密度，消除焊接过程中在被焊钛管内侧的飞溅，并满足在制管过程中产生的对接间隙扰动。

Description

一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法和装置

技术领域

本发明属于金属焊接技术领域，涉及一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法和装置。

背景技术

薄壁焊接钛管由带状钛板(带)经过矫平、卷曲成形，然后焊接而形成的全熔透 的管状焊接构件。薄壁焊接钛管集合了钛及钛合金的高强韧性、低密度及优异耐蚀 性能等材料属性,及其生产工序少、周期短、成材率高、制造成本低等制造特点， 成为化工、发电、海水淡化等领域大型装备在超长、超薄管材应用上的理想材料。

激光-电弧复合焊焊接技术将激光和电弧这两种热源相结合进行焊接，该技术 自1970年代出现后，在薄壁/薄板的焊接构件中获得了广泛的应用。专利号 CN102791420A公开的激光电弧复合焊接方法及借助该焊接方法的焊接构件的制 造方法中提出对不锈钢、钛或钛合金的平板或制成管状的两个端部，先进行激光焊、 后进行TIG电弧焊接的焊接方法，可以抑制平板或制成管状的两个端部在对焊时 气孔等焊接缺陷。中国专利CN109604831A公开的用于改善钛及钛合金薄板激光 焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺提出采用沿焊接方向，位于前面的焊枪为超高 频脉冲TIG焊枪，位于后面的焊枪为焊接激光头的方法，利用TIG高频脉冲压缩 电弧的电磁搅拌抑制钛及钛合金薄板在高速焊接时的咬边问题。中国专利 CN109773310A公开的激光诱导变极性方波钨极氩弧焊接小孔径薄壁管的方法中 提出采用激光束发射枪在前，变极性方波钨极氩弧焊枪在后的小孔径薄壁管成形后 的对接焊接的方法，激光束诱导电弧精确对准待焊部位，变极性方波钨极氩弧焊电弧对待焊接工件的焊接部位进行阴极清理，并使焊接工件的焊接部位达到高温熔融 状态，从而完成小孔径薄壁管的焊接。

目前已有的薄壁/薄板的激光-电弧复合焊的焊接技术文献中，大多采用以TIG 电弧为主要热源，其功率大于激光功率，在焊接过程中通过与较小的激光功率相匹 配，通过激光对TIG电弧焊接的增强效果，实现薄壁/薄板的焊接，这些方法本质 上属于“激光辅助电弧焊接”的方法，仍没能充分发挥激光焊接的在高效率、高速 度焊接方面技术优势。

薄壁焊接钛管作为一类特殊用途的全熔透的管状焊接构件，焊缝特征除常规的焊缝宽度和焊缝形状外，还包括正面余高、背面余高等特征。薄壁焊接管的外表面 焊缝余高过高、咬边等现象严重影响管件的装配质量和使用寿命，而管内侧余高过 高和焊接飞溅，导致管内流体的湍动能增加，形成介质流动冲刷应力集中点，耐蚀 性下降。已有薄壁焊接钛管的技术文献中，未见在高速焊接过程中对焊缝内部飞溅 等焊接缺陷的有效抑制技术，也未见对制管过程中的对接间隙扰动和焊缝成形稳定 性的有效适应方法。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法 和装置，以实现对薄壁焊接钛管的高效、高质量焊接。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一方面，本发明提出了一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，以焊 接激光头发射的激光束为焊接的主要热源，以TIG焊枪产生的TIG电弧为辅助热 源，沿着由平展的薄壁带状的钛板或钛带卷曲成形的圆形薄壁钛管的轴线方向，对 圆形薄壁钛管的对接部位实施无填充的直线焊接。

进一步的，焊接激光头与TIG焊枪位于被焊的圆形薄壁钛管的对接部位的上 方，且激光束的光斑中心与TIG焊枪产生的TIG电弧中心置于被焊的圆形薄壁钛 管的同一焊接直线上，以对圆形薄壁钛管的对接部位实施无填充的直线焊接。优选 的，焊接激光头和TIG焊枪固定于被焊的经卷曲成形的无坡口的圆形薄壁钛管的 对接焊位置的上方。

进一步的，产生激光束的激光器可以采用任一种能在被焊的薄壁钛管表面上产生高温、并使钛管熔化的，例如最大平均输出功率4000W的激光器，激光器与焊 接激光头之间通过激光传输管线(如光纤等)相连；产生TIG电弧的焊接机(即TIG 焊枪)为输出电流调节范围5～450A的氩弧焊焊机。更优选的，适宜的激光器包括 但不限于气体激光器、CO2激光器、Nd：YAG激光器和Q开关Nd：YAG激光器， 以及光纤激光器；适宜的氩弧焊焊机包括但不限于直流氩弧焊机、交流氩弧焊机、 高频脉冲氩弧焊机、变极性氩弧焊机；当采用直流氩弧焊机时，采用正极性，即被 焊工件(钛管)为正极。

进一步的，沿焊接移动方向，设置TIG焊枪在前，焊接激光头在后。

进一步的，所述激光器所产生的激光束可使得被焊圆形薄壁钛管熔化并形成熔池，所述TIG焊枪所产生的TIG电弧则不会熔化被焊的圆形薄壁钛管。优选的， TIG焊枪采用较小的焊接电流(I)，使其产生的TIG电弧不熔化被焊的钛管，主要 用于预热被焊的钛管，提高激光吸收率的作用；由激光器输出的激光束采用较大的 激光功率(P)，使该激光束加热被焊的钛管并形成熔池，实现卷曲成形的圆形薄壁 钛管的焊接。

进一步的，被焊的圆形薄壁钛管的壁厚t为0.4-1.0mm，对应的激光器的输出 功率P为600～2200W，主要热源与辅助热源的间距D(指的是照射到被焊工件表 面的激光斑点中心与产生TIG电弧的电极尖端中心之间的水平距离)为6±2mm， 激光束的入射角α＝5±2°，TIG焊枪的角度β＝45±5°，TIG焊枪的钨极尖端中心 到被焊的圆形薄壁钛管表面的距离d＝3±1.5mm。更优选的，热源间距的中点(Dc) 与卷曲成形制管(即圆形薄壁钛管)的最后一组成形轧辊轴平面的位置为± 2.5mm(预设范围取决于被焊材料的壁厚；以Dc为中点，沿钛管送进方向为+值， 反方向为-值)。

进一步的，焊接过程中，各焊接参数满足下式：P＝285.5v-2.75I+1318t-C，其 中，P为激光器的平均输出功率，W；I为TIG焊枪所产生的焊接电流，A；v为焊 接速度，m/min；t为圆形薄壁钛管的壁厚，mm；C为常数，取值范围为550±330 对应的，可实现宽泛的高速焊接速度v＝3.0～6m/min；

在上述焊接工艺范围内，激光束的焦平面距离被焊钛管上表面的距离为D_f， 此时，采用激光束的正离焦，离焦量D_f＝35±10mm，消除焊接过程中在被焊钛管 内侧的飞溅，并满足制管过程中产生的对接间隙在0～10％t，t为被焊钛管的壁厚， 被焊钛管表面的光斑直径为2000±500μm。

进一步的，焊接过程中，采用多路保护气进行气体保护，其中，第一路保护气 (即由第一路保护气路提供)通入圆形薄壁钛管的内部，并送至到圆形薄壁钛管的 焊接位置的下部，其流量优选为15～20L/min，第二路保护气(即由第二路保护气 路提供)为圆形薄壁钛管的外部提供保护气体，其流量优选为15～25L/min，第三 路保护气(即由第三路保护气路提供)沿TIG焊枪送出，其流量优选为15～20L/min。

更进一步的，在圆形薄壁钛管的焊接位置的上方还设有两路侧吹气路，其中一 路侧吹气路(即侧吹气路一)与焊接方向平行，并与水平方向的角度呈15-30°， 另一路侧吹气路(即侧吹气路二)与焊接方向垂直，并与水平方向的角度呈20-45°， 两路侧吹气路的中心轴线与焊接激光头所产生的激光束相交于同一点。且两路侧吹 气路的中心分别与激光束所通过的圆孔的圆心相对。

另一方面，本发明提出了一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接装置，其 用于实施如上述的高效焊接方法，该高效焊接装置包括焊接保护仓、置于焊接保护 仓内的若干组成形轧辊，以及伸入到焊接保护仓内的焊接激光头和TIG焊枪，其 中，所述的成形轧辊用于使得薄壁带状的钛板或钛带卷曲成形得到圆形薄壁钛管， 所述的焊接激光头和TIG焊枪还分别连接用于调整其位置和朝向的焊接激光头调 整机构和焊枪调整机构。

进一步的，在焊接激光头上还设有与其所产生的激光束同轴的摄像头，该摄像 头获得的焊接区域(激光束、电弧、熔池区域)实时图像信息通过外置于防护装置的 显示器实时显示，便于实时监测焊接过程的稳定性。

进一步的，在焊接保护仓内的上部还的四周与顶部还设有采用激光吸收材料的内衬的金属板材，以形成辐射防护结构。另外，在四周的金属板材上还设置有采用 激光防护玻璃制成的观察窗，另外，在四周的金属板材与顶部的金属板材之间，还 可设置高度50-100mm的散热空间。

附图说明

图1为本发明的焊接原理示意图；

图2为焊接过程的立体示意图；

图3为成形轧辊部分示意图；

图4为薄壁钛管的内壁飞溅图；

图5为薄壁钛管的对接间隙容忍度图；

图6为焊缝的成形指标参数图；

图7为四个主要焊接参数对焊缝成型稳定性的影响图；

图8为整个焊接装置的示意图；

图9为焊接保护仓剖开后的示意图；

图10为辐射防护结构的示意图；

图11为电弧辅助激光焊接过程控制流程图；

图12为电弧辅助激光焊钛管的光学照片；

图13为Φ19×0.7钛管电弧辅助的激光焊焊接头组织图；

图14为Φ25×0.5钛管电弧辅助的激光焊焊接头组织图；

图15为焊接钛管的拉伸试样图片；

图16为焊接钛管的压扁、扩口试样图片；

图17为电弧辅助激光焊钛管密封性检测结果；

图中标记说明：

1-焊接激光头，2-TIG焊枪，3-圆形薄壁钛管，4-成形轧辊，5-焊接激光头调 整机构，6-焊枪调整机构，7-焊接保护仓，8-上盖板，9-摄像头，10-辐射防护结构， 11-观察窗，12-第一路保护气路，13-第二路保护气路，14-第三路保护气路，15-侧 吹气路一，16-侧吹气路二，17-激光防护板，18-散热空间。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

以下各实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实 现对应功能而采用的常规部件或结构。

一方面，本发明提出了一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其参 见图1至图3所示，以焊接激光头1发出的激光为主要热源，以TIG焊枪2产生 的TIG电弧为辅助热源，沿着由平展的薄壁带状的钛板或钛带卷曲成形的圆形薄 壁钛管3的轴线方向，对圆形薄壁钛管3的对接部位实施无填充的直线焊接。

在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图1至图3所示，所述的焊接激 光头1与TIG焊枪2位于被焊的圆形薄壁钛管3的对接部位的上方，且焊接激光 头1所产生的激光束的光斑中心与TIG焊枪2产生的TIG电弧中心置于被焊的圆 形薄壁钛管3的同一焊接直线上，以对圆形薄壁钛管3的对接部位实施无填充的直 线焊接。优选的，焊接激光头1和TIG焊枪2固定于被焊的经卷曲成形的无坡口 的圆形薄壁钛管3的对接焊位置的上方。

在本发明的一种具体的实施方式中，产生激光束的激光器可以采用任一种能在被焊的薄壁钛管表面上产生高温、并使钛管熔化的，例如最大平均输出功率4000W 的激光器；产生TIG电弧的焊接机为输出电流调节范围5～450A的氩弧焊焊机。更 优选的，适宜的激光器包括但不限于气体激光器、CO2激光器、Nd：YAG激光器 和Q开关Nd：YAG激光器，以及光纤激光器，适宜的焊接激光头1为与上述激 光器配套的焊接焊接激光头；适宜的氩弧焊焊机包括但不限于直流氩弧焊机、交流 氩弧焊机、高频脉冲氩弧焊机、变极性氩弧焊机；当采用直流氩弧焊机时，采用正 极性，即被焊工件(钛管)为正极。

在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图1至图3所示，沿焊接移动方 向，设置TIG焊枪2在前，焊接激光头1在后。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述激光器所产生的激光束可使得被焊圆形薄壁钛管3熔化并形成熔池，所述TIG焊枪2所产生的TIG电弧则不会熔化被 焊的圆形薄壁钛管3。优选的，TIG焊枪2采用较小的焊接电流(I)，使其产生的TIG 电弧不熔化被焊的钛管，主要用于预热被焊的钛管，提高激光吸收率的作用；由焊 接激光头1输出的激光束采用较大的激光功率(P)，使该激光束加热被焊的钛管并 形成熔池，实现卷曲成形的圆形薄壁钛管3的焊接。

在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图1至图3所示，被焊的圆形薄 壁钛管3的壁厚t为0.4-1.0mm，对应的激光器的输出功率P为600～2200W，主要 热源与辅助热源的间距D(指的是照射到被焊工件表面的激光斑点中心与产生TIG 电弧的电极尖端中心之间的水平距离)为6±2mm，焊接激光头1所产生的激光束 的入射角α＝5±2°，TIG焊枪2的角度β＝45±5°，TIG焊枪2的钨极尖端中心到 被焊的圆形薄壁钛管3表面的距离d＝3±1.5mm。更优选的，热源间距的中点(Dc) 与卷曲成形制管(即圆形薄壁钛管3)的最后一组成形轧辊4轴平面的位置为± 2.5mm(预设范围取决于被焊材料的壁厚；以Dc为中点，沿钛管送进方向为+值， 反方向为-值)。

在本发明的一种具体的实施方式中，焊接过程中，各焊接参数满足下式： P＝285.5v-2.75I+1318t-C，其中，P为由焊接激光头1输出的激光的平均输出功率， W；I为TIG焊枪2所产生的焊接电流，A；v为焊接速度，m/min；t为圆形薄壁 钛管3的壁厚，mm；C为常数，取值范围为550±330对应的，可实现宽泛的高速 焊接速度v＝3.0～6m/min；

在上述焊接工艺范围内，采用的激光的离焦量D_f＝正离焦35±10mm，消除焊 接过程中在被焊钛管内侧的飞溅，并满足制管过程中产生的对接间隙在0～10％t，t 为被焊钛管的壁厚，被焊钛管表面的光斑直径为2000±500μm。

在本发明的一种具体的实施方式中，焊接过程中，采用多路保护气进行气体保护，其中，第一路保护气(即由第一路保护气路12提供)通入圆形薄壁钛管3的 内部，并送至到圆形薄壁钛管3的焊接位置的下部，其流量优选为15～20L/min， 第二路保护气(即由第二路保护气路13提供)为圆形薄壁钛管3的外部提供保护 气体，其流量优选为15～25L/min，第三路保护气(即由第三路保护气路14提供) 沿TIG焊枪2送出，其流量优选为15～20L/min。

更进一步的，在圆形薄壁钛管3的焊接位置的上方还设有两路侧吹气路，其中 一路侧吹气路(即侧吹气路一15)与焊接方向平行，并与水平方向的角度呈 15-30°，另一路侧吹气路(即侧吹气路二16)与焊接方向垂直，并与水平方向的 角度呈20-45°，两路侧吹气路的中心轴线与焊接激光头1所产生的激光束相交于 同一点。且两路侧吹气路的中心分别与激光束所通过的圆孔的圆心相对。

另一方面，请参见图8至图10等所示，本发明还提出了一种电弧辅助激光的 薄壁焊接钛管高效焊接装置，其用于实施如上述的高效焊接方法，该高效焊接装置 包括焊接保护仓7、置于焊接保护仓7内的若干组成形轧辊4，以及伸入到焊接保 护仓7内的焊接激光头1和TIG焊枪2，其中，所述的成形轧辊4用于使得薄壁带 状的钛板或钛带卷曲成形得到圆形薄壁钛管3，所述的焊接激光头1和TIG焊枪2 还分别连接用于调整其位置和朝向的焊接激光头调整机构5和焊枪调整机构6。

在本发明的一种具体的实施方式中，在焊接激光头1的上方还设有与其所产生 的激光束同轴的摄像头9，该摄像头9获得的焊接区域(激光束、电弧、熔池区域) 实时图像信息通过外置于防护装置的显示器实时显示，便于实时监测焊接过程的稳 定性。

在本发明的一种具体的实施方式中，在焊接保护仓7内的上部还的四周与顶部 还设有采用激光吸收材料的内衬的金属板材，以形成辐射防护结构。另外，在四周 的金属板材上还设置有采用激光防护玻璃制成的观察窗11，另外，在四周的金属 板材与顶部的金属板材之间，还可设置高度50-100mm的散热空间17。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例1：

结合以上实施方式，本实施例提出了一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其参见图1至图3所示，以焊接激光头1发出的激光束为主要热源，以 TIG焊枪2产生的TIG电弧为辅助热源，沿着由平展的薄壁带状的钛板或钛带卷 曲成形的圆形薄壁钛管3的轴线方向，对圆形薄壁钛管3的对接部位实施无填充的 直线焊接。

请再参见图1至图3所示，所述的焊接激光头1与TIG焊枪2位于被焊的圆 形薄壁钛管3的对接部位的上方，且焊接激光头1所产生的激光束的光斑中心与 TIG焊枪2产生的TIG电弧中心置于被焊的圆形薄壁钛管3的同一焊接直线上， 以对圆形薄壁钛管3的对接部位实施无填充的直线焊接。优选的，焊接激光头1 和TIG焊枪2固定于被焊的经卷曲成形的无坡口的圆形薄壁钛管3的对接焊位置 的上方。

本实施例中，焊接激光头1可以采用任一种能在被焊的薄壁钛管表面上产生高温、并使钛管熔化的，例如最大平均输出功率4000W的激光器1；产生TIG电弧 的焊接机(即TIG焊枪2)为输出电流调节范围5～450A的氩弧焊焊机。更优选的， 适宜的激光器包括但不限于气体激光器、CO2激光器1、Nd：YAG激光器和Q开 关Nd：YAG激光器，以及光纤激光器适宜的焊接激光头1为与上述激光器配套 的焊接焊接激光头；适宜的氩弧焊焊机包括但不限于直流氩弧焊机、交流氩弧焊机、 高频脉冲氩弧焊机、变极性氩弧焊机；当采用直流氩弧焊机时，采用正极性，即被 焊工件(钛管)为正极。

请再参见图1至图3所示，沿焊接移动方向，设置TIG焊枪2在前，焊接激 光头1在后。

具体工作时，所述焊接激光头1所产生的激光束可使得被焊圆形薄壁钛管3 熔化并形成熔池，所述TIG焊枪2所产生的TIG电弧则不会熔化被焊的圆形薄壁 钛管3。优选的，TIG焊枪2采用较小的焊接电流(I)，使其产生的TIG电弧不熔化 被焊的钛管，主要用于预热被焊的钛管，提高激光吸收率的作用；由焊接激光头1 输出的激光束采用较大的激光功率(P)，使该激光束加热被焊的钛管并形成熔池， 实现卷曲成形的圆形薄壁钛管3的焊接。

请再参见图1至图3所示，被焊的圆形薄壁钛管3的壁厚t为0.4-1.0mm，对 应的焊接激光头1的输出功率P为600～2200W，主要热源与辅助热源的间距D(指 的是照射到被焊工件表面的激光斑点中心与产生TIG电弧的电极尖端中心之间的 水平距离)为6±2mm，焊接激光头1所产生的激光束的入射角α＝5±2°，TIG焊 枪2的角度β＝45±5°，TIG焊枪2的钨极尖端中心到被焊的圆形薄壁钛管3表面 的距离d＝3±1.5mm。更优选的，热源间距的中点(Dc)与卷曲成形制管(即圆形薄 壁钛管3)的最后一组成形轧辊4轴平面的位置为±2.5mm(预设范围取决于被焊材 料的壁厚；以Dc为中点，沿钛管送进方向为+值，反方向为-值)。

焊接过程中，各焊接参数满足下式：P＝285.5v-2.75I+1318t-C，其中，P为焊 接激光头1的平均输出功率，W；I为TIG焊枪2所产生的焊接电流，A；v为焊 接速度，m/min；t为圆形薄壁钛管3的壁厚，mm；C为常数，取值范围为550± 330对应的，可实现宽泛的高速焊接速度v＝3.0～6m/min；

在上述焊接工艺范围内，采用的激光的离焦量D_f＝正离焦35±10mm，消除焊 接过程中在被焊钛管内侧的飞溅，并满足制管过程中产生的对接间隙在0～10％t，t 为被焊钛管的壁厚，被焊钛管表面的光斑直径为2000±500μm。

焊接过程中，本实施例采用多路保护气进行气体保护，其中，第一路保护气(即 由第一路保护气路12提供)通入圆形薄壁钛管3的内部，并送至到圆形薄壁钛管 3的焊接位置的下部，其流量优选为15～20L/min，第二路保护气(即由第二路保护 气路13提供)为圆形薄壁钛管3的外部提供保护气体，其流量优选为15～25L/min， 第三路保护气(即由第三路保护气路14提供)沿TIG焊枪2送出，其流量优选为 15～20L/min。在圆形薄壁钛管3的焊接位置的上方还设有两路侧吹气路，其中一路 侧吹气路(即侧吹气路一15)与焊接方向平行，并与水平方向的角度呈15-30°， 另一路侧吹气路(即侧吹气路二16)与焊接方向垂直，并与水平方向的角度呈 20-45°，两路侧吹气路的中心轴线与焊接激光头1所产生的激光束相交于同一点。 且两路侧吹气路的中心分别与激光束所通过的圆孔的圆心相对。

请参见图8至图10等所示，为实施上述高效焊接方法，本实施例还对应提供 了一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接装置，包括焊接保护仓7、置于焊接 保护仓7内的若干组成形轧辊4，以及伸入到焊接保护仓7内的焊接激光头1和 TIG焊枪2，其中，所述的成形轧辊4用于使得薄壁带状的钛板或钛带卷曲成形得 到圆形薄壁钛管3，所述的焊接激光头1和TIG焊枪2还分别连接用于调整其位置 和朝向的焊接激光头调整机构5和焊枪调整机构6。

具体的，如图8所示，本实施例采用多路的氩气气体保护方法，对电弧辅助激 光的薄壁焊接钛管的整个焊接区域进行保护；

第一路保护气：为卷曲成形的圆形薄壁钛管3内部的保护气体，从卷曲成形的 圆形薄壁钛管3内部的一根铜质气管(即第一路保护气路12)送气到被焊钛管的 对接焊接位置下部。

第二路保护气体：给卷曲成形的圆形薄壁钛管3的外部提供保护气体，由两根 铜质管路(即第二路保护气路13)穿过焊接保护仓7侧壁，同时送气到密封的焊 接保护仓7内；

焊接保护仓7为全封闭结构，焊接时，焊接激光头置于焊接保护仓7外侧的上 部的防护框架内，TIG焊枪2的钨极以及送气护套置于焊接保护仓7内部，其余部 分置于焊接保护仓7外侧的上部的防护装置内；在焊接保护仓7上部采用表面发黑、 且具有冷却功能的上盖板8，使焊接保护仓7得到封闭，并对激光焊和TIG电弧的 辐射进行防护；在该上盖板8上设置一个直径20～40mm的圆孔，便于激光束照射 到被焊钛管的焊接区域；在TIG焊枪2的送气护套(即第三路保护气路14)位置 设置与TIG焊枪2外形相符的随形的孔洞，便于TIG焊枪2进入焊接保护仓7内。 上盖板8为多个可快速拆装的零件组合而成，便于焊接激光头和TIG焊枪2的位 置和角度调节。

焊接保护仓7在焊接方向的范围包括卷曲成形制管的最后至少两组成形轧辊 4，以及焊后钛管的至少400mm的冷却区域。

第三路保护气体为由TIG焊枪2的送气护套中送出的保护气体。

在焊接保护仓7的上盖板8上的用于激光束通过的直径20～40mm的圆孔上方 5～30mm位置，设置两路侧吹气路(即侧吹气路一15和侧吹气路二16)，用于抑 制激光焊时等离子体，并减少焊接保护仓7内的保护气体的溢出。第一路侧吹气路 (即侧吹气路一15)与焊接方向平行，水平方向角度为15～30°；第二路侧吹气路 (即侧吹气路二16)与焊接方向垂直，水平方向角度为20～45°。两路侧吹气路的 中心与激光束通过的圆孔的圆心相对。侧吹气体为氩气，流量为5～20L/min。

图10为电弧辅助激光焊的半封闭的辐射防护装置，对焊接过程产生的激光辐 射电弧辐射进行防护。在焊接激光头上设置与激光束同轴的摄像头9，该摄像头9 获得的焊接区域(激光束、电弧、熔池区域)实时图像信息通过外置于防护装置的显 示器实时显示，便于实时监测焊接过程的稳定性。辐射防护装置为半开放空间，四 周和顶部采用内衬为激光防护材料的金属板材(示例中采用铝板，即激光防护板 10)，在四周的金属板材上设置激光防护玻璃的观察窗11；在四周的金属板材与顶 部的金属板材之间，设置50～100mm的自然通风的散热空间17。

本实施例中采用的电弧辅助激光焊，TIG焊枪采用较小的焊接电流(I)，其产生 的TIG电弧不熔化被焊的钛管，主要用于预热被焊的钛管，提高激光吸收率的作 用；由激光器输出的激光束采用较大的激光功率(P)，该激光束加热被焊的钛管并 形成熔池，实现卷曲成形的圆形薄壁钛管的宽泛的高速焊接速度的全熔透焊接。

由于采用较大的激光正离焦量，加之采用TIG在前、激光在后的热源布置方 法，当采用较小的TIG电弧电流时，使得薄壁钛管全熔透激光焊的焊接模式由已 有技术的形成匙孔的穿透焊转变为由电弧辅助的激光热导焊，激光束作用在已预热 的钛管表面并形成的熔池，提高激光吸收率，熔透能力更强，焊缝较窄，具有很大 的深宽比；采用较大的正离焦量，使作用在被焊钛管表面的激光能量密度降低，对 抑制内壁飞溅和提高对接间隙的容忍度具有明显的优势。

另外，对于壁厚0.4～1.0mm的薄壁卷钛管，在全熔透的激光焊接过程中，当 离焦量较小时(0～+15mm)，内部飞溅的产生主要是由于激光的能量密度过大，激光 匙孔的前壁受到入射激光的直接照射，局部过热区域会产生金属蒸发，向上喷出金 属蒸汽，同时也产生向下的蒸发反作用力，从而驱动匙孔壁下方的液态金属不断向 下流动，尤其是当匙孔穿透钛管的管壁时，匙孔底部的熔融金属很容易在蒸发反作 用力的驱动下，克服表面张力飞出熔池，从而形成内壁飞溅。

本实施例采用较大的离焦量，当离焦量增大时，照射到被焊钛管表面的激光斑 点的直径变大，使得激光能量密度降低，导致激光穿透壁厚的能力减弱，特别是当 离焦量增加到正离焦35±10mm范围时(依据钛管壁厚、焊接速度、激光功率等参 数的匹配)，熔池背面的匙孔完全消失，此时的内壁熔池非常稳定，从而消除钛管 内壁飞溅的产生。

图4采用高速摄影获得的内壁飞溅的图像。壁厚t＝0.9mm，焊接速度 v＝4.8m/mim，热源间距D＝6mm，焊接电流I＝80的条件下；图4-(a)为采用激光功 率P＝1800W，离焦量Df＝+5mm的飞溅情况；图4-(b)为P＝2100W，离焦量Df＝+30mm 时，无飞溅。

而薄壁钛管在卷曲成型过程中，由于钛带的公差，以及成型模具本身的公差， 加上模具的磨损等因素，在焊接位置会产生一定的间隙。本实施例采用较小的焊接 电流，配合适当的较大的正离焦和适当的热源间距，可充分预热金属表面，TIG电 弧作用面积增大，使钛管金属在进入熔化状态前而保持的熔融状态的范围进一步扩 大，加之处于熔化状态的内壁熔池非常稳定，从而保证了在焊接位置对接间隙具有 较好(0～10％t)的容忍度。

图5为薄壁钛管的对接间隙容忍度的实验。在激光功率1500w，焊接电流100A、 焊接速度(6m/min)和热源间距(6mm)条件下，壁厚t＝0.7mm，对接间隙0.07mm 的条件下连续焊接，焊缝成型良好。

在被焊钛管的壁厚(t)、激光入射角(α)、激光离焦量(D_f)、TIG焊枪角度(β)、钨 极到钛管表面距离(d)、各保护气体流量等参数确定的前提下，电弧辅助激光焊的 主要参数包括：激光束的平均输出功率(P)，焊接电流(I)，焊接速度(v)，热源间距 (D)。在获得全熔透、无内壁飞溅及其他焊接缺陷的工艺范围内，当上述四个主要 焊接参数单独变化时，对焊缝成形指标的影响较小，因此电弧辅助激光焊的焊缝成 形稳定性较好。

对于工业纯钛TA2壁厚t＝0.5mm，当激光入射角α＝5°、激光离焦量D_f＝25mm、 TIG焊枪角度β＝45°、d＝3mm时，在获得全熔透、无内壁飞溅及其他焊接缺陷的 工艺范围为：P＝1400～1600W，v＝5.4～6.0m/min、I＝40～60A、D＝4～8mm；对获得的 多组全熔透焊缝的焊缝成形尺寸指标(如图6所示)进行测量，包括：正面熔宽(W)、 正面余高(H₁)、背面余高(H₂)、背面熔宽(B)等4个指标，并对焊缝尺寸结果与四个 主要焊接参数(P、v、I和D)的对应关系进行统计拟合分析，四个主要焊接参数对5 个焊缝成形指标的影响如图7所示。

结合实际工程应用，以各成形参数的极差为依据，判定各焊缝成形指标变化的 影响：当W极差>200μm、B极差>150μm、H₁或H₂的极差>20μm，认为四个主要 焊接参数对成形指标的影响显著。

在图7中的整个电弧辅助激光焊的焊接工艺窗口内，正面熔宽(W)、背面熔宽 (B)焊接参数的变化极小，正面余高(H₁)、背面余高(H₂)随焊接参数的增加而略有 变化，但变化范围均小于18μm(变化最大值为随热源间距D的变化值)，表明四个 主要焊接参数的变化对整个焊缝成形指标的影响不显著，电弧辅助激光焊具有良好 的焊缝成形稳定性。

具体的，结合本实施例的焊接装置与焊接方法，选用由TA2工业纯钛制成对 应规格的钛带，经表面清洁后，由钛管轧制机的各级轧辊卷曲成形，送进到装置内 进行高速焊接，钛管的送机和焊接速度由钛管轧制机控制。

对钛管规格分别为Φ19×0.7和Φ25×0.5两种型号的卷焊钛管进行本专利的电弧辅助激光焊接，采用的焊接工艺参数如表1所示。焊接过程控制流程如图11所 示。

表1焊接工艺参数

其他参数：激光入射角α＝5°、激光离焦量D_f＝25mm、TIG焊枪角度β＝50°、 d＝3mm、Dc＝-1.0～-1.5mm。

焊接前，在焊接保护仓内预先充入氩气保护气，焊接保护仓内的氩气浓度通过 氧气浓度传感器进行测定，当氧气浓度低于设定值时才能进行焊接。

在焊接过程中通过安装在焊接激光头上的摄像头和外接显示屏实时观察焊接 过程的稳定性，以便及时调整焊接工艺参数，由于在焊接过程中无法观察钛管背面 熔宽和熔透效果，可以通过观察正面熔宽进行判断。

焊后钛管的外观如图9示，电弧辅助激光焊的对接焊焊缝表面成形良好，表面 光滑，无明显焊接缺陷。钛及钛合金外观评定标准如表2所示。钛管正面焊缝及热 影响区均为银白色，焊缝正面为一级焊缝。

表2焊缝外观标准

同时，对上述卷焊钛管电弧辅助焊接激光头组织及性能进行分析，如图13所 示，在Φ19×0.7钛管电弧辅助激光焊金相中，焊缝中心由锯齿状α相组成，且晶 粒内部存在较多针状α相，靠近焊缝的热影响区由相对较小的锯齿状α相组成， 晶粒内部包含了少量的针状α相，靠近母材的热影响区锯齿状α相变大，针状的α 相则减少。

如图14所示，在Φ25×0.5钛管电弧辅助激光焊金相中，由于0.5mm厚的钛管 焊接速度更快，材料更薄，加快了冷却速度，与0.7mm厚的钛管相比，焊缝和热 影响区的晶粒受热时间缩短，焊缝区和热影响区的钛管中针状组织显著增加。

而对接头力学性能分析，则两种不同规格的焊接钛管的力学性能指标如表3 所示，根据国标GB/T3625-2007《热交换器及冷凝器用钛及钛合金管》，试样的抗 拉强度应满足不低于400Mpa，屈服强度在275～450Mpa之间，极限抗拉强度≥350 MPa、扩口时内径扩大率允许值≥22％的要求。延伸率不低于20％，因此，两种规 格的钛管均满足国家标准。

表3激光焊钛管检测结果

此外，对电弧辅助激光焊的钛管经密封性检查：100％无泄漏，检测结果见图 17所示。

腐蚀性能的测试按照《海水冷却水处理药剂性能评价方法第1部分：缓蚀性 能的测定》GB/T 34550.1-2017进行，对Φ25×0.5电弧辅助激光焊钛管在2倍浓缩 海水，60℃-70℃条件下，测试时间≧120h，其腐蚀速率为：7.3×10^-4mm/a，符合在 海洋环境中应用的钛管耐腐蚀性能要求。

综上所述，本发明提出了薄壁焊接钛管的电弧辅助的激光焊接方法，TIG电弧 作为辅助热源对被焊的钛管进行预热；以激光束为主要热源，加热被焊的钛管并形 成熔池；采用预热TIG在前、形成熔池的激光在后的热源布置方法，在较小的TIG 电弧预热电流时，使得薄壁钛管全熔透激光焊的焊接模式由已有技术的形成匙孔的 穿透焊转变为由电弧辅助的激光热导焊，激光束作用在已预热的钛管表面并形成的 熔池，提高激光吸收率，熔透能力更强，焊缝具有很大的深宽比；采用较大的激光 正离焦量，通过优化的焊接参数匹配，使作用在被焊钛管表面的激光能量密度降低， 消除焊接过程中在被焊钛管内侧的飞溅，并满足及适应在制管过程中产生的对接间 隙扰动。

同时，本发明采用多路的氩气气体保护方法，对电弧辅助激光的薄壁焊接钛管 的整个焊接区域以及焊后的冷却区域进行全面保护；采用封闭框架结构对焊接过程 中的激光及电弧等辐射进行有效的防护，并通过摄像头对获得的焊接区域的焊接过 程稳定性进行实时监测。

本发明可实现壁厚0.4～1.0mm的卷曲成形的圆形薄壁钛管在焊接速度 3.0～6.0m/min的宽泛条件下的全熔透高效焊接，焊后的薄壁钛管的各项性能指标均 达到相关标准要求。

本发明的方法简单有效，具有优良的焊接过程中的焊缝成形稳定性和制管的间隙容忍性，在钛及钛合金、不锈钢等薄壁焊接管的优质、高速制造领域具有明显的 技术优势和良好的应用前景。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此 说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限 于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改 进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其特征在于，以焊接激光头发射的激光束为主要热源，以TIG焊枪产生的TIG电弧为辅助热源，沿着由平展的薄壁带状的钛板或钛带卷曲成形的圆形薄壁钛管的轴线方向，对圆形薄壁钛管的对接部位实施无填充的直线焊接。

2.根据权利要求1所述的一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其特征在于，焊接激光头与TIG焊枪位于被焊的圆形薄壁钛管的对接部位的上方，且激光束的光斑中心与TIG电弧中心置于被焊的圆形薄壁钛管的同一焊接直线上的对接焊缝的中心。

3.根据权利要求2所述的一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其特征在于，沿焊接移动方向，设置TIG焊枪在前，焊接激光头在后。

4.根据权利要求1所述的一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其特征在于，作为主要热源的激光束可使得被焊圆形薄壁钛管熔化并形成熔池，所述TIG焊枪所产生的TIG电弧则不会熔化被焊的圆形薄壁钛管。

5.根据权利要求1所述的一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其特征在于，被焊的圆形薄壁钛管的壁厚t为0.4-1.0mm，对应的激光器的输出功率P为600～2200W，主要热源与辅助热源的间距D为6±2mm，激光器所产生的激光束的入射角α＝5±2°，TIG焊枪的角度β＝45±5°，TIG焊枪的钨极尖端中心到被焊的圆形薄壁钛管表面的距离d＝3±1.5mm。

6.根据权利要求1或5所述的一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其特征在于，焊接过程中，各焊接参数满足下式：P＝285.5v-2.75I+1318t-C，其中，P为激光器的平均输出功率，W；I为TIG焊枪所产生的焊接电流，A；v为焊接速度，m/min；t为圆形薄壁钛管的壁厚，mm；C为常数，取值范围为550±330；

激光束的焦平面距离被焊的圆形薄壁钛管上表面的距离为D_f，此时，采用激光束的正离焦，离焦量D_f＝35±10mm。

7.根据权利要求1所述的一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其特征在于，焊接过程中，采用多路保护气进行气体保护，其中，第一路保护气通入圆形薄壁钛管的内部，并送至到圆形薄壁钛管的焊接位置的下部，第二路保护气为圆形薄壁钛管的外部提供保护气体，第三路保护气沿TIG焊枪送出。

8.根据权利要求7所述的一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接方法，其特征在于，在圆形薄壁钛管的焊接位置的上方还设有两路侧吹气路，其中一路侧吹气路与焊接方向平行，并与水平方向的角度呈15-30°，另一路侧吹气路与焊接方向垂直，并与水平方向的角度呈20-45°，两路侧吹气路的中心轴线分别与激光束相交于同一点。

9.一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接装置，其用于实施如权利要求1-8任一所述的高效焊接方法，其特征在于，该高效焊接装置包括焊接保护仓、置于焊接保护仓内的若干组成形轧辊，以及伸入到焊接保护仓内的焊接激光头和TIG焊枪，其中，所述的成形轧辊用于使得薄壁带状的钛板或钛带卷曲成形得到圆形薄壁钛管，所述的焊接激光头和TIG焊枪还分别连接用于调整其位置和朝向的焊接激光头调整机构和焊枪调整机构。

10.根据权利要求9所述的一种电弧辅助激光的薄壁焊接钛管高效焊接装置，其特征在于，在焊接激光头上还设有与其所产生的激光束同轴的摄像头；

在焊接保护仓内的上部还的四周与顶部还设有采用激光吸收材料的内衬的金属板材，以形成辐射防护结构。

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