CN112894141B - 一种特种发动机进气段部件激光焊接方法 - Google Patents

一种特种发动机进气段部件激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种特种发动机进气段部件激光焊接方法，包括以下步骤：(1)用清洗剂去除喷管环和衬套部件表面的油污。(2)将吸光涂料均匀的涂抹在焊缝的坡口面上。(3)使用卡盘将喷管环底部夹紧，固定在两轴变位器转台上；将衬套定位在喷管环顶面；用压板将衬套与喷管环压紧固定。(4)在待焊焊缝处的喷管环和衬套部件表面分别均匀涂抹吸光涂料；(5)在各个待焊焊缝处分别采用激光点焊将喷管环和衬套部件固定。(6)去掉压板工装，仅用卡盘将喷管环保持在两轴变位器转台上。(7)焊接内环角焊缝。(8)焊接端面对接焊缝。(9)焊接外环角焊缝。本发明可以大幅提升焊接效率和焊接质量。

Description

一种特种发动机进气段部件激光焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接方法，具体涉及一种特种发动机进气段部件的CO2激光焊接方法。
背景技术
进气段部件是特种发动机的重要部件，由喷管环1与衬套组成，材质均为GH4202。喷管环为盘状部件，上表面的4个斜向的变径深孔为高温燃气喷管，采用电火花加工，加工费用昂贵。衬套为环状部件，分为内环2-1和外环2-2两件。进气段部件的整体结构示意图见图1，从图中可以看到进气段部件制造时需完成衬套内环、外环与喷管环的角焊缝(T形接头)、衬套内外环的端面对接焊缝(对接接头)等共三条焊缝的焊接，将上述焊缝分别称为内环角焊缝、外环角焊缝及端面对接焊缝，下同。
内环角焊缝距离喷管开口位置仅4.5mm，要求焊缝深度3mm。采用常规的V型坡口+手工氩弧焊工艺，虽能够满足焊缝深度要求，但喷管的薄壁边缘完全熔化，且难以避免焊渣落入喷管内，导致进气段部件报废。
激光焊接由于功率密度更高，获得相同焊缝深度所需的热输入量显著小于氩弧焊，可以避免喷管薄壁边缘的烧损，完成内环角焊缝的焊接。而且激光焊接无需真空环境，易于实现自动化，焊接效率和焊缝质量稳定性更高，有望降低进气段部件的整体制造成本。
常规的激光焊接方法包括V形坡口+激光填丝焊和I形坡口+激光深熔焊等。采用V形坡口+激光填丝焊的方法焊接内环角焊缝时，存在送丝装置与进气段部件的干涉问题；而且填丝焊的飞溅较大，焊渣容易污染喷管。采用I形坡口+激光深熔焊的方法时，由于衬套的干涉，激光束入射方向无法与坡口方向重合，将造成有效焊缝深度明显减小，难以满足焊缝深度要求。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术的缺点，提供一种特种发动机进气段部件激光焊接方法,能够完成内环角焊缝、外环角焊缝及端面对接焊缝的焊接，特别是能够满足内环角焊缝焊缝深度要求并保证喷管薄壁边缘不被烧损，大幅度提高进气段部件的焊接效率及焊接质量稳定性。
本发明所采用的主要技术方案是：
一种特种发动机进气段部件激光焊接方法，包括以下步骤：
(1)用清洗剂去除喷管环和衬套部件表面的油污，所述的衬套部件由衬套内环和衬套外环组成；
(2)将吸光涂料均匀的涂抹在喷管环和衬套部件内环角焊缝位置处和外环角焊缝位置处的坡口面上，并自然阴干；
(3)使用卡盘将喷管环底部夹紧，固定在两轴变位器转台上，将衬套外环放置在喷管环顶面，通过衬套外环底部的凹槽及喷管环顶面凸台实现衬套外环在喷管环上的定位；之后再将衬套内环紧贴衬套外环放置在喷管环顶面；用压板将衬套内环及衬套内环与喷管环压紧固定，衬套内环和衬套外环与喷管环的内环角焊缝和外环角焊缝为I形坡口的T形接头；衬套内环和衬套外环的端面对接焊缝为I形坡口的对接接头，
(4)在待焊焊缝处的喷管环和衬套部件表面分别均匀涂抹吸光涂料，自然阴干；
(5)在各个待焊焊缝处分别采用激光点焊将喷管环和衬套部件固定；
(6)去掉压板工装，仅用卡盘将喷管环保持在两轴变位器转台上；
(7)采用激光焊接内环角焊缝，工艺参数为：激光输出功率5000～6000W，激光扫描速度0.4～1.0m/min，激光入射角度75°，激光光斑直径1.1～1.2mm，N2保护，保护气流量15L/min；
(8)采用激光焊接端面对接焊缝，工艺参数为：激光输出功率5000～6000W，激光扫描速度1.0～1.6m/min，激光入射角度90°，激光光斑直径0.4～0.6mm，Ar保护，保护气流量15L/min；
(9)采用激光焊接外环角焊缝，工艺参数为：激光输出功率5000～6000W，激光扫描速度0.4～1.0m/min，激光入射角度75°，激光光斑直径1.1～1.2mm，N2保护，保护气流量15L/min。
本发明具有下述优点：
(1)本发明通过装配前在喷管环和衬套T形接头角焊缝的I形坡口面刷涂吸光涂料，使焊缝最大熔深方向相对激光入射方向偏转，与I形坡口方向一致；以N2替代Ar作为角焊缝焊接保护气，在保护熔池的同时降低对等离子体的吹除效率，使激光辐照产生的少量等离子体能够依附在焊道表面，促进熔池对激光束能量的吸收等措施，利用较低的激光功率满足进气段部件内环角焊缝的焊缝深度要求，同时避免了喷管边缘烧损。
(2)进气段部件只需一次夹持即可完成三道焊缝的全部焊接工作，焊接全程可自动化完成，焊接效率较氩弧焊大幅提升，焊接质量稳定性也大幅提高。
附图说明
图1是本发明所述一种特种发动机进气段部件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作以详细描述。
本发明的工作原理是：镍基合金、钢铁等金属材料固态时对CO2激光的吸收率仅5-15％，刷吸光涂料后，吸收率可上升至80％以上。本发明利用GH4202刷涂吸光涂料前后对CO2激光的吸收率的巨大差异，除了在待焊角焊缝表面刷涂吸光涂料外，装配前在喷管环和衬套T形接头的I形坡口面也刷涂吸光涂料，并采用N2作为焊接保护气，使激光能量主要被坡口面的金属吸收，实现焊缝最大熔深方向相对激光入射方向的偏转，而与I形坡口方向一致。从而利用较低的激光功率满足进气段部件内环角焊缝的焊缝深度要求，同时避免了喷管边缘烧损。
采用与内环角焊缝激光焊接相同的原理，进行外环角焊缝的焊接。
采用常规激光深熔焊的原理进行端面对接焊缝的焊接。
基于以上原理，本发明所述的一种特种发动机进气段部件激光焊接方法，包括以下步骤：
(1)用清洗剂去除喷管环和衬套部件表面的油污，所述的衬套部件由衬套内环2-1和衬套外环2-2组成，清洗剂可以采用丙酮、酒精、碱性清洗剂等。
(2)将吸光涂料均匀的涂抹在喷管环和衬套部件内环角焊缝位置处和外环角焊缝位置处的坡口面上，并自然阴干。优选的吸光涂料的涂抹厚度为0.05～0.1mm(如：0.05、0.06、0.1mm等)，以有效提高坡口面对激光的吸收率，吸光涂料可以采用常规的吸光涂料，如清华大学研制的TH-2型吸光涂料。
(3)使用卡盘将喷管环底部A面夹紧，固定在两轴变位器转台(现有装置)上。将衬套外环2-2放置在喷管环顶面，通过衬套外环底部的凹槽及喷管环顶面凸台实现衬套外环2-2在喷管环上的定位；之后再将衬套内环2-1紧贴衬套外环2-2放置在喷管环顶面；用压板将衬套内环2-1及衬套内环2-2与喷管环压紧固定。衬套内环和衬套外环与喷管环的内环角焊缝和外环角焊缝为I形坡口的T形接头，优选的，内环角焊缝和外环角焊缝的I形坡口间隙不大于0.25mm；衬套内环和衬套外环的端面对接焊缝为I形坡口的对接接头，优选的，端面对接焊缝的I形坡口间隙不大于0.10mm。坡口间隙采用塞尺测量。
(4)在待焊焊缝处的喷管环和衬套部件表面分别均匀涂抹吸光涂料，自然阴干，优选的吸光涂料的涂抹厚度为0.05～0.1mm。涂抹厚度为0.05～0.1mm可以有效提高焊缝表面对激光的吸收率，吸光涂料可以采用常规的吸光涂料，如清华大学研制的TH-2型吸光涂料。
(5)在各个待焊焊缝处分别采用激光点焊将喷管环和衬套部件固定，作为本发明的一种优选的实施方式，点焊位置为沿焊缝圆周均分的16个点。进一步优选的内环角焊缝和外环角焊缝的点焊参数为：激光输出功率4000～5000W，出光时间0.5S，入射角度45°，光斑直径1.3～1.5mm，Ar保护，保护气流量15L/min；端面对接焊缝的点焊参数为：激光输出功率4000～5000W(如4000W、4500W、5000W等)，出光时间0.5S，入射角度90°，光斑直径1.3～1.5mm，Ar保护，保护气流量15L/min。
(6)去掉压板工装，仅用卡盘将将喷管环保持在两轴变位器转台上。
(7)采用激光焊接内环角焊缝，工艺参数为：激光输出功率5000～6000W(如5000W、5500W、6000W等)，激光扫描速度0.4～1.0m/min(如0.4m/min、0.6m/min、0.8m/min、1.0m/min)，激光入射角度75°，激光光斑直径1.1～1.2mm(如1.1、1.05、1.2mm)，N2保护，保护气流量15L/min；
(8)采用激光焊接端面对接焊缝，工艺参数为：激光输出功率5000～6000W(如5000W、5500W、6000W等)，激光扫描速度1.0～1.6m/min(如1.0m/min、1.2m/min、1.6m/min)，激光入射角度90°，激光光斑直径0.4～0.6mm(如0.4m/min、0.5m/min、0.6m/min)，Ar保护，保护气流量15L/min；
(9)采用激光焊接外环角焊缝，工艺参数为：激光输出功率5000～6000W，激光扫描速度0.4～1.0m/min(如0.4m/min、0.6m/min、0.8m/min、1.0m/min)，激光入射角度75°，激光光斑直径1.1～1.2mm(如1.1、1.05、1.2mm)，N2保护，保护气流量15L/min。
采用上述激光焊接方法焊接的特种发动机进气段部件喷管边缘无任何烧损，各条焊缝无裂纹、焊缝深度满足要求，并通过水密、气密试验检测。

Claims (5)

1.一种特种发动机进气段部件激光焊接方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)用清洗剂去除喷管环和衬套部件表面的油污，所述的衬套部件由衬套内环和衬套外环组成；
(2)将吸光涂料均匀的涂抹在喷管环和衬套部件内环角焊缝位置处和外环角焊缝位置处的坡口面上，并自然阴干；
(3)使用卡盘将喷管环底部夹紧，固定在两轴变位器转台上，将衬套外环放置在喷管环顶面，通过衬套外环底部的凹槽及喷管环顶面凸台实现衬套外环在喷管环上的定位；之后再将衬套内环紧贴衬套外环放置在喷管环顶面；用压板将衬套内环及衬套外环与喷管环压紧固定，衬套内环和衬套外环与喷管环的内环角焊缝和外环角焊缝为I形坡口的T形接头；衬套内环和衬套外环的端面对接焊缝为I形坡口的对接接头，
(4)在待焊焊缝处的喷管环和衬套部件表面分别均匀涂抹吸光涂料，自然阴干；
(5)在各个待焊焊缝处分别采用激光点焊将喷管环和衬套部件固定；
(6)去掉压板工装，仅用卡盘将喷管环保持在两轴变位器转台上；
(7)采用激光焊接内环角焊缝，工艺参数为：激光输出功率5000～6000W，激光扫描速度0.4～1.0m/min，激光入射角度75°，激光光斑直径1.1～1.2mm，N2保护，保护气流量15L/min；
(8)采用激光焊接端面对接焊缝，工艺参数为：激光输出功率5000～6000W，激光扫描速度1.0～1.6m/min，激光入射角度90°，激光光斑直径0.4～0.6mm，Ar保护，保护气流量15L/min；
(9)采用激光焊接外环角焊缝，工艺参数为：激光输出功率5000～6000W，激光扫描速度0.4～1.0m/min，激光入射角度75°，激光光斑直径1.1～1.2mm，N2保护，保护气流量15L/min。
2.根据权利要求1所述的特种发动机进气段部件激光焊接方法，其特征在于：内环角焊缝和外环角焊缝的点焊参数为：激光输出功率4000～5000W，出光时间0.5S，入射角度45°，光斑直径1.3～1.5mm，Ar保护，保护气流量15L/min；端面对接焊缝的点焊参数为：激光输出功率4000～5000W，出光时间0.5S，入射角度90°，光斑直径1.3～1.5mm，Ar保护，保护气流量15L/min。
3.根据权利要求1或者2所述的特种发动机进气段部件激光焊接方法，其特征在于：内环角焊缝和外环角焊缝的I形坡口间隙不大于0.25mm；端面对接焊缝的I形坡口间隙不大于0.10mm。
4.根据权利要求3所述的特种发动机进气段部件激光焊接方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(4)中的吸光涂料的涂抹厚度为0.05～0.1mm。
5.根据权利要求4所述的特种发动机进气段部件激光焊接方法，其特征在于：清洗剂采用丙酮、酒精或者碱性清洗剂。
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