CN114101938B - 一种螺栓和固定片的预热方法和激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种螺栓和固定片的预热方法和焊接方法，属于焊接技术领域。本发明的预热方法包括以下步骤：将电源的正负电极分别与螺栓的底部和固定片的边缘连接；接通电源，通电2～3s后关闭电源，记为一次闪通闪断；重复所述闪通闪断，然后进行持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到350～450℃；所述电源的功率为1～50kW，电压为2～6V；所述螺栓的头部通过过盈配合镶嵌到固定片中。经本发明的方法对螺栓和固定片进行预热后再进行激光焊接，能够解决激光焊接过程中螺栓与固定片在焊缝处经常出现气孔、虚焊等焊接缺陷的问题。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种螺栓和固定片的预热方法和激光焊接方法。
背景技术
很多机械设备螺栓安装过程中，螺栓除了本身紧固连接功能外，还需要它兼顾定位、限行程、辅助受力等功能，来满足机械设备安装和调试的要求。在航空航天发动机领域，要求螺栓上焊接固定片来满足发动机制造和装机要求。现有的焊接方法为激光焊接，待焊螺栓与固定片之间通过过盈配合镶嵌，激光照射螺栓与固定片之间镶嵌位置，使之经激光高温照射后液化，并自然冷却形成焊缝。但待焊区域缝隙依然存在空气、水分、残留有机物(比如油脂、切割冷却液等)，导致激光焊过程出现气孔。而且，在激光焊接过程中如果激光照射加热时间短，单位时间内功率密度不够，残留水分有机物等不能充分排出，并且金属液化不充分则会出现虚焊，熔池内气孔无法充分上浮排出。如果长时间加热则会导致热影响区大，液化高温区变宽，热影响区变宽，一方面液化区凝固冷却后带来较大的相变应力，在焊接区域产生裂纹；另一方面带来热影响区组织性能的不均匀，影响力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺栓和固定片的预热方法和激光焊接方法，经本发明的方法对螺栓和固定片进行预热后再进行激光焊接，能够解决激光焊接过程中螺栓与固定片在焊缝处经常出现气孔、虚焊等焊接缺陷的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种螺栓与固定片的预热方法，所述螺栓的头部通过过盈配合镶嵌到固定片中，包括以下步骤：
将电源的正负电极分别与螺栓的底部和固定片的边缘连接；
接通电源，通电2～3s后关闭电源，记为一次闪通闪断；重复所述闪通闪断，然后进行持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到350～450℃，停止通电；
所述电源的功率为1～50kW，电压为2～6V。
优选的，所述电源为直流电源。
优选的，重复所述闪通闪断1～3次。
优选的，相邻次闪通闪断的时间间隔为1～3s。
优选的，所述螺栓的的材质为镍基高温合金或钛合金。
优选的，当所述螺栓的材质为镍基高温合金时，持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到400～450℃；当所述螺栓的材质为钛合金时，持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到350～400℃。
优选的，当所述螺栓头部的直径为8～10mm时，所述电源的功率为1～30kW，电压为2.38～4.76V。
优选的，所述将电源的正负电极分别与螺栓的底部和固定片的边缘连接优选为：将电源的正负极卡扣通过电极夹具分别夹持在螺栓底部和固定片的边缘。
本发明提供了一种螺栓与固定片的激光焊接方法，包括以下步骤：
采用上述方案所述的预热方法对螺栓和固定片进行预热，得到预热体；对所述预热体的过盈配合区进行激光焊接。
本发明提供了一种螺栓与固定片的预热方法，包括以下步骤：将电源的正负电极分别与螺栓的底部和固定片的边缘连接；接通电源，通电2～3s后关闭电源，记为一次闪通闪断；重复所述闪通闪断，然后进行持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到350～450℃，停止通电；所述电源的功率为1～50kW，电压为2～6V；所述螺栓的头部通过过盈配合镶嵌到固定片中。
螺栓与固定片之间的过盈配合为压力接触，且由于接触面的不光滑，只有很多较小的凸起相互接触，因此实际接触面积较小，电流通过该接触面形成回路时，由于接触面积的突然减小，电流密度会突然上升，因此就在该界面位置形成大量电阻热，温度会在该界面快速上升，形成一个接触电阻热源，然后通过热传导的方式，热量传播到固定片与螺栓上。由于本发明采用的是低电压电源，两个面之间由于较小的电压，因此电流主要通过接触面的固定片内圆与螺栓圆柱面之间流动，不会造成固定片与螺栓平面之间空气的电离进而造成连通电流，因此热量只产生在过盈配合区。热量从过盈配合界面产生，会导致固定片环内圈与螺栓柱的膨胀，提高过盈配合程度，降低残留空气。此外，本发明在预热过程中，采用闪通闪断脉冲加热的模式能够防止界面突然高温导致金属的热应力过大而出现焊接裂纹，以及缝隙处有机物、水分等瞬间气化形成较大的压力，有利于缝隙里面有机油、水分、有机物等比较平缓的逐渐被蒸发出来，进而避免后续激光焊接过程中出现气孔缺陷。
相比其他的加热方法，如常规电炉加热是对固定片与螺栓同时加热，可能导致过盈配合的松动脱落，本发明的预热方法不但不会造成过盈配合的松动脱落，而且会进一步提高过盈配合程度。
相比电磁感应加热方式，本发明的预热方法采用的装置结构简单，易于控制，并且不会出现异常的磁场、电场、热辐射、灰尘、震动等损坏激光焊机器的不利特性。
本发明提供了一种螺栓与固定片的激光焊接方法，先采用上述预热方法对螺栓和固定片进行预热，再进行激光焊接。本发明对螺栓和固定片进行预热，能有效降低激光焊加热过程焊接对象所在温度到液化温度之间的温度差，一方面加快激光照射区的液化速率，实现焊接区域充分的液化，完成液体金属流动对缝隙的填充，并且降低焊缝向周围金属传热的速率，能促进液化金属中的气体有充分的时间上浮排出；另一方面通过先对基体的预热，能降低激光焊液化区与其周边基体的温差，降低焊接升温过程温差导致的热应力。通过预热促进焊缝快速的升温还能降低热影响区的范围，降低冷却过程应力影响区域面积，因此本发明对螺栓和固定片进行预热，解决了激光焊接过程中螺栓与固定片在焊缝处经常出现气孔、裂纹、虚焊等焊接缺陷的问题。
附图说明
图1为本发明的预热和焊接示意图；
图2为实施例1(a)和实施例2(b)预热前采用过盈配合的固定片与螺栓毛坯样；
图3为实施例1经激光焊接后的高温合金螺栓；
图4为实施例1经过本发明预热后高温合金螺栓的焊缝区；
图5为对比例1未经预热高温合金螺栓的焊缝区缺陷图；
图6为实施例2经激光焊接后的钛合金螺栓；
图7为实施例2经过本发明预热后钛合金螺栓的焊缝区；
图8为对比例2未经预热钛合金螺栓的焊缝区缺陷图。
具体实施方式
本发明提供了一种螺栓与固定片的预热方法，包括以下步骤：
将电源的正负电极分别与螺栓的底部和固定片的边缘连接；
接通电源，通电2～3s后关闭电源，记为一次闪通闪断；重复所述闪通闪断，然后进行持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到350～450℃，停止通电；
所述电源的功率为1～50kW，电压为2～6V；
所述螺栓的头部通过过盈配合镶嵌到固定片中。
如图1所示，本发明将电源的正负电极分别与螺栓的底部和固定片的边缘连接。在本发明中，所述将电源的正负电极分别与螺栓的底部和固定片的边缘连接优选为：将电源的正负极卡扣通过电极夹具分别夹持在螺栓底部和固定片的边缘。在本发明中，所述电源的正极可以与螺栓的底部连接，也可以与固定片的边缘连接，只要满足电源的正负极中有一个电极与螺栓的底部连接，另一个电极与固定片的边缘连接即可。
在本发明中，所述螺栓的头部通过过盈配合镶嵌到固定片中。本领域熟知螺栓是由头部和螺杆组成，因此，本发明所述螺栓的头部即为本领域常规理解的头部，而螺栓的底部则指的是螺栓中螺杆部分的底部。在本发明中，所述螺栓和固定片的材质独立地优选为钛合金或镍基高温合金。所述螺栓和固定片的材质可以相同也可以相同，本发明对所述镍基高温合金的具体种类没有特殊要求，本领域熟知的镍基高温合金均可。在本发明的实施例中，所述镍基高温合金具体为GH159合金或Inconel718合金；所述钛合金具体为TC4合金。
在本发明中，所述电源优选为直流电源。本发明采用直流电源相比交流电源更加稳定。
连接好后，本发明接通电源，通电2～3s后关闭电源，记为一次闪通闪断；重复所述闪通闪断，然后进行持续通电。
在本发明中，所述电源的功率为1～50kW，电压为2～6V，本发明优选根据螺栓的尺寸进一步选择合适的电源功率和电压。在本发明中，当所述螺栓的焊接环直径为8～10mm时，所述电源的功率为1～30kW，电压为2.38～4.76V。本发明优选采用继电器进行电流通断时间的控制。
本发明采用较小的电压和功率，螺栓与固定片之间的接触面由于较小的电压，因此电流主要通过接触面的固定片内圆与螺栓圆柱面之间流动，不会造成固定片与螺栓平面之间空气的电离进而造成连通电流，因此热量只产生在过盈配合区。热量从过盈配合界面产生，会导致固定片环内圈与螺栓柱的膨胀，提高过盈配合程度，降低残留空气。
本发明优选重复所述闪通闪断1～4次。在本发明中，当重复所述闪通闪断1次时，相当于共进行了2次闪通闪断。在本发明中，相邻次闪通闪断的时间间隔为1～3s。本发明在预热过程中，采用闪通闪断能够防止界面突然高温导致金属的热应力过大而出现焊接裂纹，以及缝隙处有机物、水分等瞬间气化形成较大的压力，有利于缝隙里面有机油、水分、有机物等比较平缓的逐渐被蒸发出来，进而避免后续激光焊接过程中出现气孔缺陷。
完成闪通闪断后，本发明持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到350～450℃，停止通电。本发明优选采用红外线测温仪，测得预热温度达到350～450℃时，停止通电。本发明利用持续通电将螺栓和固定片加热至较高温度。本发明优选根据螺栓的材质选择合适的持续通电时间，当所述螺栓的材质为镍基高温合金时，本发明优选持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到400～450℃；当所述螺栓的材质为钛合金时，本发明优选持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到350～400℃。
本发明提供了一种螺栓与固定片的激光焊接方法，包括以下步骤：采用上述方案所述的预热方法对螺栓和固定片进行预热，得到预热体；对所述预热体的过盈配合区进行激光焊接。
本发明对所述激光焊接的条件没有特殊要求，采用本领域熟知的激光焊接条件即可。此为本领域熟知的技术知识。
如图1所示，本发明优选在预热时就安装好激光焊接夹具，当预热完成后，本发明直接将电极夹具取下进行激光焊接。
本发明对螺栓和固定片进行预热，能有效降低激光焊加热过程焊接对象所在温度到液化温度之间的温度差，降低焊缝温升与周围基体间的温差导致的应力，加快激光照射区的升温液化速率，实现焊接区域充分的液化，完成液体金属流动对缝隙的填充，并且降低焊缝向周围金属传热的速率，能促进液化金属中的气体有充分的时间上浮排出；快速的升温还能降低热影响区的范围，降低冷却过程应力影响区域面积，因此本发明对螺栓和固定片进行预热，解决了激光焊接过程中螺栓与固定片在焊缝处经常出现气孔、虚焊、裂纹等焊接缺陷的问题。
下面结合实施例对本发明提供的螺栓和固定片的预热方法和激光焊接方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
螺栓为GH159合金，固定片为Inconel718合金；固定片与螺栓配合处直径10mm。螺栓的头部和固定片通过过盈配合镶嵌到固定片中，如图2中(a)所示。
将直流电源的正极卡扣通过电极夹具夹持在螺栓底部，将负极卡扣通过电极夹具夹持在固定片的边缘，并在螺栓上安装好激光焊接夹具，接通电源，通电2～3s后关闭电源，记为一次闪通闪断；重复所述闪通闪断3次，相邻次闪通闪断的时间间隔为1～2s.；然后进行持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到420℃；直流电源的功率为1～30kW，电压为2.4～3.6V，得到预热体；
预热完成后，取下电极夹具，对所述预热体的过盈配合区进行激光焊接，焊接条件为：功率波动为60～90W，正弦波，周期2秒，光斑直径1.5mm，焊接速率线速度22mm/s。
对比例1
与实施例1的区别仅在于未进行预热。
图3为实施例1经激光焊接后的高温合金螺栓。沿图3中黑线将螺栓从中间剖开，通过金相磨制，观察其内部显微结构，结果如图4所示。由图4可知，经本发明方法预热后再进行激光焊接，焊缝处基本没有气孔缺陷。采用相同的方法对对比例1焊接后的螺栓进行观察，结果如图5所示，由图5可知，未经过本发明预热的高温合金螺栓激光焊缝区域缺陷明显，存在大量气孔。
实施例2
螺栓和固定片均为TC4合金，螺栓的头部和固定片通过过盈配合镶嵌到固定片中，固定片与螺栓配合处直径为8mm。如图2中(b)所示。
将直流电源的正极卡扣通过电极夹具夹持在螺栓底部，将负极卡扣通过电极夹具夹持在固定片的边缘，并在螺栓上安装好激光焊接夹具，接通电源，通电2～3s后关闭电源，记为一次闪通闪断；重复所述闪通闪断2次，然后进行持续通电直至配合处温度达到360℃；直流电源的功率为1～20kW，电压为2.4～3.6V，得到预热体；
预热完成后，取下电极夹具，对所述预热体的过盈配合区进行激光焊接，焊接条件为：功率波动为50～60W，正弦波，周期1.5秒，光斑直径1.5mm，焊接速率线速度18mm/s。
对比例2
与实施例2的区别仅在于未进行预热。
图6为实施例2经激光焊接后的钛合金螺栓。沿图6中黑线将螺栓从中间剖开，通过金相磨制，观察其内部结构，结果如图7所示。由图7可知，经本发明方法预热后再进行激光焊接，焊缝处气孔极少。采用相同的方法对对比例2激光焊接后的螺栓进行观察，结果如图8所示，由图8可知，未经过本发明预热的钛合金螺栓激光焊缝区域缺陷明显，存在大量气孔。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种螺栓与固定片的激光焊接方法，所述螺栓的头部通过过盈配合镶嵌到固定片中，其特征在于，包括以下步骤：
对螺栓和固定片进行预热，得到预热体；
对所述预热体的过盈配合区进行激光焊接；
所述预热包括以下步骤：
将电源的正负电极分别与螺栓的底部和固定片的边缘连接；
接通电源，通电2～3s后关闭电源，记为一次闪通闪断；重复所述闪通闪断1～3次，相邻次闪通闪断的时间间隔为1～3s；然后进行持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到350～450℃，停止通电；
所述电源的功率为1～50kW，电压为2～6V；
所述螺栓和固定片的材质独立地为钛合金或镍基高温合金；
所述电源为直流电源；
当所述螺栓的材质为镍基高温合金时，持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到400～450℃；当所述螺栓的材质为钛合金时，持续通电直至螺栓与固定片配合区的温度达到350～400℃；
当所述螺栓头部的直径为8～10mm时，所述电源的功率为1～30kW，电压为2.38～4.76V；
所述将电源的正负电极分别与螺栓的底部和固定片的边缘连接为：将电源的正负极卡扣通过电极夹具分别夹持在螺栓底部和固定片的边缘。
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