CN114406471A - 排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法。包括如下步骤：步骤一：分别将所述排气管筒体与所述法兰的焊接边加工成环形焊接边；步骤二：依据所述环形焊接边的设计参数，规划激光电弧复合焊接几何位置形态、焊接路径；步骤三：确定激光电弧复合焊接参数；步骤四：依据激光电弧复合焊接参数，对所述法兰和所述排气管筒体进行激光电弧复合焊接；步骤一包括：所述法兰的焊接边内侧制备环形凹槽，所述法兰的环形凹槽的径向高度与所述排气管筒体的壁厚一致；所述排气管筒体的焊接边插入式装配在所述法兰的环形凹槽内。本发明实现法兰和排气管筒体的对接区域可靠焊接和搭接区域的界面充分熔合，显著改善了焊缝成形。

Description

排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法

技术领域

本发明涉及飞行器发动机排气管焊接技术领域，特别是涉及一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法。

背景技术

大型灭火/水上救援水陆两栖飞行器的发动机排气管包括法兰、排气管筒体、加强环等零件。法兰通常设置于排气管的端部，通过紧固件安装于发动机附近；法兰为环形机加件，其与排气管筒体连接的部位厚度范围为4mm-8mm。排气管筒体为薄壁壳形结构，通常采用钣金方法制造，其中轴线为空间曲线，壁厚范围为0.8mm-1.5mm。加强环通常设置于排气管的尾部，也通过紧固件安装于机体，排气管的长度范围为500mm-2000mm，排气管的横截面直径范围为Φ300mm-Φ1000mm。

排气管是发动机废气排出舱外的主要通道，废气不仅流动速度快，而且温度较高，故排气管的服役环境非常恶劣。为保证排气管的排气通畅功能，排气管内壁应尽量平滑。同时，为与排气管的设计寿命尽量接近，即保证排气管的服役可靠性，排气管的外形几何尺寸精度也应控制在严格的公差范围内。

由于排气管法兰和排气管筒体的环形连接边壁厚差异较大，目前通常采用三种方法实现二者的连接，依次如附图1-3所示，第一种是将法兰的焊接边加工成与排气管筒体等厚且二者的内表面基本齐平，再通过氩弧焊接方法实现二者的对接连接，形成的氩弧焊缝3如附图1所示；第二种是将排气管筒体的焊接边内套安装于法兰的焊接边，搭接量约5mm-20mm，通过氩弧焊接方法实现二者的搭接连接；第三种(专利申请号202110109084.2)是将法兰和排气管筒体的焊接边加工成预设环形焊接边，利用激光焊接的强穿透性和上层母材熔化金属的流淌性实现二者连接并使焊接接头兼具对接和搭接特征。

第一种和第二种焊接方法均是采用氩弧焊接实现排气管法兰和筒体的环形连接，受氩弧焊接热输入大、焊接熔宽较宽的影响，焊接变形较大，排气管焊接后的圆度公差仅能控制在±3mm范围内，导致排气管的实际服役寿命与设计寿命偏差较大；氩弧焊接残余应力大，焊接后必须去应力退火；氩弧焊缝3熔宽较宽的同时，焊缝背面下塌量也相对较大，致使排气管内壁的焊缝打磨强度较大。与第一种连接方法相比，第二种连接方法虽然能够略微降低排气管的焊接变形量，但是不仅增加了排气管内壁的几何尺寸突变，在一定程度上对排气管的排气功能会造成一定的影响，而且搭接接头内部的未熔合界面在疲劳载荷作用下，极易加速裂纹萌生和扩展并降低结构的服役可靠性。第三种连接技术受激光束光斑直径小、焊接熔池小的局限性，导致焊接工艺裕度较窄，当激光束运动轨迹偏离预设轨迹超过0.2mm时，易产生法兰焊接边的顶部边缘未充分熔化、法兰与筒体焊接接头搭接区域出现焊趾咬边等成形不良等问题，如附图3所示，形成的激光焊缝4和焊趾咬边41。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，包括分别将所述排气管筒体与所述法兰的焊接边加工成环形焊接边；依据所述环形焊接边的设计参数，规划激光电弧复合焊接几何位置形态、焊接路径；确定激光电弧复合焊接参数；依据激光电弧复合焊接参数，对所述法兰和所述排气管筒体进行激光电弧复合焊接；本发明实现法兰和排气管筒体的对接区域可靠焊接和搭接区域的界面充分熔合，显著改善了焊缝成形。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，包括如下步骤：

步骤一：分别将所述排气管筒体与所述法兰的焊接边加工成环形焊接边；

步骤二：依据所述环形焊接边的设计参数，规划激光电弧复合焊接几何位置形态、焊接路径；

步骤三：确定激光电弧复合焊接参数；

步骤四：依据激光电弧复合焊接参数，对所述法兰和所述排气管筒体进行激光电弧复合焊接；

步骤一包括：所述法兰的焊接边内侧制备环形凹槽，所述法兰的环形凹槽的径向高度与所述排气管筒体的壁厚一致；所述排气管筒体的焊接边插入式装配在所述法兰的环形凹槽内。

进一步地，步骤一中，所述法兰的第一焊接边壁厚δ1的厚度范围为2mm-4mm，所述法兰的第一焊接边壁厚为δ1状态的第一焊接边长度L不小于3mm，所述法兰的环形凹槽的深度a为0.2mm-2.0mm；所述法兰的环形凹槽的径向高度与所述排气管筒体的第二焊接边壁厚δ2一致。

进一步地，当所述法兰和所述排气管筒体插入式装配以后，二者之间的内表面平齐且二者之间的局部最大装配间隙△x应不大于a/2。

进一步地，步骤二包括：焊接过程中，激光束的光束中轴线与所述法兰表面法向的倾角范围为±10°；在垂直于激光焊接方向且远离所述法兰的侧面设置TIG焊枪，所述TIG焊枪的钨极中轴线的延长线相交于所述激光束输出激光的激光焦点。

进一步地，步骤二包括：焊接过程中，激光束的光束中轴线与所述法兰的环形凹槽轴向焊接端面距离为b，b＝0-a/2，所述激光束为负离焦且离焦量△f范围为(δ2-δ1)-(δ2-δ1)/2。

进一步地，步骤二包括：所述TIG焊枪的钨极中轴线与所述法兰表面法向方向的倾角为30°-60°，所述TIG焊枪的钨极尖端与所述法兰表面的延长距离为1.5mm-5mm。

进一步地，所述TIG焊枪的钨极中轴线与光束中轴线所形成的平面与焊接方向垂直，所述激光束和所述TIG焊枪作用于同一熔池。

进一步地，步骤二还包括：所述TIG焊枪的焊接作用点位于所述激光束的激光作用点的后方，且所述TIG焊枪和所述激光束作用于不同的熔池。

进一步地，步骤三中确定激光电弧复合焊接参数包括：所述激光束为光纤激光或YAG激光，所述激光束的焦长范围为150mm-500mm，所述激光束的焦斑直径范围为0.2mm-0.6mm；当采用常规激光焊接时，焊接参数包括焊接速度和激光功率；当采用扫描激光束焊接时，焊接参数包括焊接速度、激光功率、扫描轨迹、扫描幅度和扫描频率，扫描频率调节范围在30Hz-200Hz；电弧焊接参数包括焊接电流和惰性保护气流量，焊接电流调节范围为40A-100A，焊接电压随焊接电流自动调节。

进一步地，步骤三电弧焊接时采用惰性气体保护，所述惰性气体保护还包括背保护类型。

(3)有益效果

本发明可以充分利用激光焊接的强穿透性和激光电弧复合热源的复合效应使法兰焊接边的顶部边缘充分熔化、液态溶池充分铺展，实现法兰和排气管筒体的对接区域可靠焊接和搭接区域的界面充分熔合，避免焊趾咬边，大大缓解焊趾处的应力集中，同时也显著改善了焊缝成形，既解决了氩弧焊接排气管时精度低和服役可靠性差的技术问题，也显著扩大了排气管的焊接工艺裕度和工艺可实施性。

同时，本发明利用法兰对接区域的外侧在激光电弧复合焊接作用下熔化后的熔液弥补法兰和排气管筒体低装配精度存在的局部间隙，有效补充了熔池液态金属，使法兰和排气管筒体之间在激光、电弧复合热源作用下焊接成形及搭接效果更佳，同时也相对增强了对焊缝背面熔透性的影响。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的一种焊接方法示意图。

图2是现有技术中的另一种焊接方法示意图。

图3是现有技术中的又一种焊接方法示意图。

图4是本发明一实施例中排气管筒体与法兰焊接的示意图。

图5是本发明一实施例中激光电弧复合焊接的激光电弧复合焊接接头的横截面示意图。

图6是本发明一实施例中焊接过程的结构原理示意图。

图7是本发明一实施例中的激光、电弧焊接路径示意图。

图8是本发明另一实施例中的激光、电弧焊接路径示意图。

图9是本发明一实施例中激光电弧复合焊接方法的倒角状态示意图。

图10是本发明一实施例的套装滑环的流程图。

图中：法兰1、排气管筒体2、氩弧焊缝3、激光焊缝4、焊趾咬边4、端头法兰轴心5、激光束6、光束中轴线7、TIG焊枪8、激光电弧复合焊接接头9、焊接夹具10、转向节11、激光光斑12、激光束运动轨迹13、扫描轨迹14。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参照附图1-附图10并结合实施例来详细说明本申请。

参阅附图10所示，根据本发明实施例的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，包括如下步骤：

步骤一：分别将所述排气管筒体2与所述法兰1的焊接边加工成环形焊接边；

步骤二：依据所述环形焊接边的设计参数，规划激光电弧复合焊接几何位置形态、焊接路径；

步骤三：确定激光电弧复合焊接参数；

步骤四：依据激光电弧复合焊接参数，对所述法兰1和所述排气管筒体2进行激光电弧复合焊接；

步骤一包括：所述法兰1的焊接边内侧制备环形凹槽，所述法兰1的环形凹槽的径向高度与所述排气管筒体2的壁厚一致；所述排气管筒体2的焊接边插入式装配在所述法兰1的环形凹槽内。

在步骤四激光电弧复合焊接过程中，结合附图4来说，激光束6实现深熔穿透焊接且焊接小孔同时向上向下喷射金属蒸汽/等离子体，其中向上喷射的金属蒸汽/等离子体吸引TIG电弧，使TIG电弧加剧熔化法兰1焊接边的顶部边缘，在TIG电弧磁吹力和TIG旁轴侧吹惰性保护气体的作用下，更利于克服液态熔池的表面张力，使法兰1侧的液态熔池更利于向筒体侧铺展且进一步促使熔池1与排气管筒体2上表面的界面熔合，克服如附图4所示的焊趾咬边41缺陷，进而大大缓解焊趾处的应力集中。同时，在激光电弧复合热源作用下，TIG电弧促使液态金属从法兰1侧流向排气管筒体2侧，伴随着激光作用位置处的焊接厚度的降低，故也更加有利于激光对排气管背面熔宽的影响，即相对增加焊接小孔向下喷射的金属蒸汽/等离子体，导致焊缝背面的熔透性增强。即使出现激光束运动轨迹偏离预设轨迹超过0.2mm时，对焊缝成形的影响将显著降低。可见，与现有的单激光焊接相比，复合焊接中的TIG电弧不仅使焊缝正面成形更佳，也对焊缝背面成形的影响非常有利。

本发明实施例先将排气管筒体2与法兰1的焊接边加工成环形焊接边，然后在法兰1的焊接边内侧制备环形凹槽，这样排气管筒体2的焊接边可以插入式装配在法兰1的环形凹槽内；且法兰1的环形凹槽的径向高度与排气管筒体2的壁厚一致，这样可以确保排气管筒体2的焊接边插入式装配在法兰1的环形凹槽内以后法兰1、排气管筒体2的内壁保持齐平，因此排气管在排气时阻力更小，排气管的排气更加通畅。

综上所述，本发明实施例提出了一种适用于飞机发动机排气管的排气管筒体2与法兰1的激光电弧复合焊接方法，该方法在保持法兰1、排气管筒体2插接式设计型式使法兰1和排气管筒体2的内表面基本平齐的同时，提出激光电弧复合焊接，可以充分利用激光焊接的强穿透性和激光电弧复合热源的复合效应使法兰1焊接边的顶部边缘充分熔化、液态溶池充分铺展，实现法兰1和排气管筒体2的对接区域可靠焊接和搭接区域的界面充分熔合，避免如附图4所示的焊趾咬边41缺陷，大大缓解焊趾处的应力集中，同时也显著改善了焊缝成形，既解决了氩弧焊接排气管时精度低和服役可靠性差的技术问题，也显著扩大了排气管的焊接工艺裕度和工艺可实施性。

同时，本发明实施例利用法兰1对接区域的外侧在激光电弧复合焊接作用下熔化后的熔液弥补法兰1和排气管筒体2低装配精度存在的局部间隙，有效补充了熔池液态金属，使法兰1和排气管筒体2之间在激光、电弧复合热源作用下焊接成形及搭接效果更佳，同时也相对增强了对焊缝背面熔透性的影响。

最后，经过本发明实施例的处理，所获得的排气管实现了法兰1和排气管筒体2的不等厚板对接焊的圆滑过渡，以对接焊特征为主，以搭接焊特征为辅，结合了两种焊接方式的优点，使激光电弧复合焊接代替常规氩弧焊接和常规激光焊接成为可能。

具体地，参阅附图4所示，根据本发明实施例的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，在步骤一中，所述法兰1的第一焊接边壁厚δ1的厚度范围为2mm-4mm，所述法兰1的第一焊接边壁厚为δ1状态的第一焊接边长度L不小于3mm，所述法兰1的环形凹槽的深度a为0.2mm-2.0mm；所述法兰1的环形凹槽的径向高度与所述排气管筒体2的第二焊接边壁厚δ2一致。在本发明实施例中，根据飞机发动机排气管的实际情况，法兰1的第一焊接边壁厚δ1的厚度范围一般为2mm-4mm，具体地，可以为2mm，也可以为4mm，还可以为3mm。法兰1的第一焊接边壁厚为δ1状态的第一焊接边长度L不小于3mm，这样L最短为3mm，也可以为4mm等等。同时，法兰1的环形凹槽的深度a可以为0.2mm-2.0mm，具体地法兰1的环形凹槽的深度a可以为0.2mm，也可以为为1.0mm，还可以为2.0mm等等。在本发明实施例中法兰1的第一焊接边壁厚δ1的厚度范围、法兰1的第一焊接边壁厚为δ1状态的第一焊接边长度L以及法兰1的环形凹槽的深度a都可以根据飞机发动机排气管的实际情况来定，具体不应构成对本申请的限制。除此之外，在本发明实施例中法兰1的环形凹槽的径向高度与所述排气管筒体2的第二焊接边壁厚δ2一致，这样当排气管筒体2插入到法兰1的环形凹槽内以后，可以确保法兰1、排气管筒体2的内壁保持齐平，因此排气管在排气时阻力更小，排气管的排气更加通畅。

具体地，参阅附图4所示，根据本发明实施例的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，当所述法兰1和所述排气管筒体2插入式装配以后，二者之间的内表面平齐且二者之间的局部最大装配间隙△x应不大于a/2。在本发明实施例中，当排气管筒体2插入式装配到法兰1中以后，为保证焊接质量，排气管筒体2与法兰1内壁保持齐平且排气管筒体2与法兰1之间的局部最大装配间隙△x应尽量缩小，这样可以确保熔化的液态溶池充分铺展至排气管筒体2端部与法兰1端部之间，然后等溶池凝固以后将二者之间连接在一起。因此，二者之间的局部最大装配间隙△x应不大于a/2，当排气管筒体2与法兰1二者之间的局部最大装配间隙△x大于a/2时，则容易导致液态溶池充分铺展至排气管筒体2端部与法兰1端部之间、液态溶池无法将装配间隙两侧的排气管筒体2与法兰1连接在一起。

具体地，参阅附图4所示，根据本发明实施例的又一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，步骤二包括：焊接过程中，激光束6的光束中轴线7与所述法兰1表面法向的倾角范围为±10°；在垂直于激光焊接方向且远离所述法兰1的侧面设置TIG焊枪8，所述TIG焊枪8的钨极中轴线的延长线相交于所述激光束6输出激光的激光焦点。在本发明实施例中，由激光束6组成的激光焊接装置在法兰1表面法向方向周围对法兰1、排气管筒体2连接部位进行激光焊接；由TIG焊枪8组成的电弧焊接装置在激光焊接装置的后侧对法兰1、排气管筒体2连接部位进行激电弧焊接。通过上述激光、电弧的复合焊接，可以充分利用激光焊接的强穿透性和激光电弧复合热源的复合效应使法兰1焊接边的顶部边缘充分熔化、液态溶池充分铺展，实现法兰1和排气管筒体2的对接区域可靠焊接和搭接区域的界面充分熔合，避免形成如附图4所示的焊趾咬边41，大大缓解焊趾处的应力集中，同时也显著改善了焊缝成形，既解决了氩弧焊接排气管时精度低和服役可靠性差的技术问题，也显著扩大了排气管的焊接工艺裕度和工艺可实施性。

同时，本发明实施例利用法兰1对接区域的外侧在激光电弧复合焊接作用下熔化后的熔液弥补法兰1和排气管筒体2低装配精度存在的局部间隙，有效补充了熔池液态金属，使法兰1和排气管筒体2之间在激光、电弧复合热源作用下焊接成形及搭接效果更佳，同时也相对增强了对焊缝背面熔透性的影响。

具体地，参阅附图4所示，根据本发明实施例的又一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，步骤二包括：焊接过程中，激光束6的光束中轴线7与所述法兰1的环形凹槽轴向焊接端面距离为b，b＝0-a/2，所述激光束6为负离焦且离焦量△f范围为(δ2-δ1)-(δ2-δ1)/2。如前所述，法兰1和排气管筒体2插入式装配以后，二者之间的内表面平齐且二者之间的局部最大装配间隙△x应不大于a/2，因此，排气管筒体2插入式装配到法兰1中的深度应不小于a/2，故结合附图4所示，激光束6的光束中轴线7与法兰1的环形凹槽轴向焊接端面距离的范围设置在0-a/2之间，可以确保激光、电弧的焊接能量集中在法兰1、排气管筒体2的搭接区域，这样确可以充分利用激光焊接的强穿透性和激光电弧复合热源的复合效应使法兰1焊接边的顶部边缘充分熔化、液态溶池充分铺展，实现法兰1和排气管筒体2的对接区域可靠焊接和搭接区域(附图4中的b部分)的界面充分熔合，避免形成如如附图4所示的焊趾咬边41，大大缓解焊趾处的应力集中，同时也显著改善了焊缝成形，既解决了氩弧焊接排气管时精度低和服役可靠性差的技术问题，也显著扩大了排气管的焊接工艺裕度和工艺可实施性。

具体地，参阅附图4所示，根据本发明实施例的又一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，步骤二包括：所述TIG焊枪8的钨极中轴线与所述法兰1表面法向方向的倾角为30°-60°，所述TIG焊枪8的钨极尖端与所述法兰1表面的延长距离为1.5mm-5mm。这样可以确保TIG焊枪8在激光束6的后侧对同一熔池提供电弧焊接方式。进可以充分利用激光焊接的强穿透性和激光电弧复合热源的复合效应使法兰1焊接边的顶部边缘充分熔化、液态溶池充分铺展，实现法兰1和排气管筒体2的对接区域可靠焊接和搭接区域的界面充分熔合，从而提高焊接效果。

具体地，参阅附图7所示，根据本发明实施例的又一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，所述TIG焊枪8的钨极中轴线与光束中轴线7所形成的平面与焊接方向垂直，所述激光束6和所述TIG焊枪8作用于同一熔池。这样可以确保激光束6和TIG焊枪8所形成的激光电弧复合焊接作用于同一熔池，提高熔池的能量聚集，充分利用激光焊接的强穿透性和激光电弧复合热源的复合效应使法兰1焊接边的顶部边缘充分熔化、液态溶池充分铺展，实现法兰1和排气管筒体2的对接区域可靠焊接和搭接区域的界面充分熔合，从而提高焊接效果。

具体地，参阅附图8所示，根据本发明实施例的又一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，步骤二还包括：所述TIG焊枪8的焊接作用点位于所述激光束6的激光作用点的后方，且所述TIG焊枪8和所述激光束6作用于不同的熔池。此时，激光焊接主要影响焊接熔透性和焊缝背面成形，TIG电弧主要作用于焊缝正面并起到修饰焊接的作用，当然，需要说明的是修饰焊接也同样更有利于促使法兰1熔化的熔池与排气管筒体2上表面的界面熔合，克服如附图4所示的焊趾咬边41缺陷，显著缓解焊趾处的应力集中。

具体地，根据本发明实施例的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，步骤三中确定激光电弧复合焊接参数包括：所述激光束6为光纤激光或YAG激光，所述激光束6的焦长范围为150mm-500mm，所述激光束6的焦斑直径范围为0.2mm-0.6mm；当采用常规激光焊接时，焊接参数包括焊接速度和激光功率；当采用扫描激光束焊接时，焊接参数包括焊接速度、激光功率、扫描轨迹、扫描幅度和扫描频率，扫描频率调节范围在30Hz-200Hz；电弧焊接参数包括焊接电流和惰性保护气流量，焊接电流调节范围为40A-100A，焊焦长范围接电压随焊接电流自动调节。当然，需要说明的是激光束6的类型、焦长范围、焦斑直径范围、描频率调节范围等等都可以根据需要来设置，具体数值范围不应构成对本申请的限制。

具体地，根据本发明实施例的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，步骤三电弧焊接时采用惰性气体保护，所述惰性气体保护还包括背保护类型。参阅附图6所示，复合焊接头用于实现激光电弧复合射线的输出，机械手用于调节复合焊接头的位置，激光器用于输出激光至复合焊接头，转台用于调节转向节11，由转台驱动焊接夹具10实现稳定旋转，而背保护可以由焊接夹具10提供，背保护可采用横吹气帘，通过惰性保护气体，实现强制冷却从而使焊缝背面基本平齐，即保证排气管内表面流线；同时，背面也可以采取陶瓷垫块或通冷却水的强制冷却垫块实现焊缝背面的强制成形以保证排气管内表面的流线。

具体地，在附图4所示，法兰1水平放置，法兰1的端头法兰轴心5呈水平设置。这样设置以后如附图6所示，可以在法兰1的一侧设置有转台，通过转台调节转向节11实施对法兰1的夹持，进而在焊接过程中可以根据激光束6、TIG焊枪8的位置来调节法兰1的位置，从而便于将需要焊接的位置移动到激光束6、TIG焊枪8的作用区域。

具体地，排气管激光电弧复合焊接完成后，可以不进行焊后消应力退火处理，也可以进行焊后消应力退火处理。具体可以根据焊接效果来进行处理。

具体地，排气管材料包括不锈钢、钛合金或高温合金。当焊接钛合金或高温合金时，还需要考虑设置托罩气保护，以防止焊缝凝固后的高温氧化。

具体地，参阅附图9所示，法兰1和排气管筒体2的焊接边除直角设计外，也可以倒角设计，二者应匹配，即法兰1的环形凹槽的内倒角尺寸不大于排气管筒体2外侧的倒角尺寸且均不大于(1/3)δ1，排气管筒体2内侧的倒角尺寸推荐采用斜倒角且不大于(1/4)δ2。采取倒角设置，可以便于法兰1和排气管筒体2的插入式连接。

下面结合附图1-10，以飞机发动机排气管为例来说明本发明。

实施例一：

参阅附图1-附图10所示，一种飞机发动机排气管，采用0Cr18Ni9不锈钢材质，法兰1的初始焊接边为5mm，排气管筒体2的焊接边为1mm，采用本发明实施例的技术方案实现法兰1、排气管筒体2的激光电弧复合焊接方法，主要包括以下步骤：

步骤一：将法兰1和排气管筒体2的焊接边加工成环形焊接边。法兰1的焊接边以排气管内壁为基准，加工至壁厚δ1＝3mm，δ1壁厚状态的长度L＝5mm，法兰1的焊接边内侧制备环形凹槽，以与筒体2的焊接边形成插入型式的装配；环形凹槽的深度a＝1.5mm，环形凹槽的径向高度与筒体2的壁厚δ2一致，即1mm。当法兰1和筒体2的焊接边装配后，二者之间的内表面基本平齐且二者之间的装配间隙应不大于0.75mm。

步骤二：依据所述环形焊接边的设计参数，规划激光电弧复合焊接几何位置形态、焊接路径及进行焊前清理。焊接过程中，激光束6的光束中轴线7与法兰1的环形凹槽轴向焊接端面的距离为0.5mm；激光束6的光束中轴线7与竖直方向无倾角，激光束6采用负离焦且离焦量△f为-1.0mm；在垂直于焊接方向且远离法兰1的侧面，设置TIG焊枪8，TIG焊枪8的钨极中轴线的延长线相交于激光焦点，TIG焊枪8的钨极中轴线与竖直方面的倾角为45°，钨极尖端与法兰1表面的延长距离为2.0mm。焊前清理包括化学清理和机械打磨及刮削清理。

步骤三：确定激光电弧复合焊接参数。激光束源选择常规光纤激光束，即无扫描的光纤激光束，激光束6的焦长为300mm，激光束6的焦斑直径为

焊接参数包括：焊接速度v范围为1.2m/min-1.5m/min；激光功率P范围为2000W-2600W。TIG焊的焊接参数包括焊接电流和惰性保护气流量，焊接电流调节范围为40A-50A，焊接电压随焊接电流自动调节；TIG惰性保护气流量调节范围为15L/min-30L/min。惰性保护气体为氩气。

步骤四：依据所述复合焊接参数，对所述法兰1和所述排气管筒体2进行焊接。将法兰1和排气管筒体2的焊接边装配于焊接夹具10中，通过转向节11与转台连接，由转台驱动焊接夹具10实现稳定旋转，焊接过程中焊接夹具10采用横吹气帘向焊缝背面提供惰性保护气体，惰性保护气体流量为20L/min-25L/min。复合焊接头在机械手执行端的带动下，夹持焊接激光头和TIG焊枪8实现光弧同步运动，采用优化的焊接参数实施激光电弧复合焊接，即可得到深熔穿透状态的激光电弧复合焊接接头9，获得良好的单面焊双面成形效果。法兰1和排气管筒体2的焊缝熔宽约2mm-5mm，焊接变形非常小，排气管焊接后的圆度公差能控制在±1mm范围内；经验证，与现有的激光焊接方法相比，本发明的激光电弧复合焊接方法焊接工艺裕度和工艺可实施性显著扩大。本发明能够完全熔化法兰和筒体的对接和搭接的连接界面，完全避免了如附图4所示的焊趾咬边41，焊缝正面成形和背面成形均良好，很容易获得无超标缺陷的焊接接头。

实施例二：

一种飞机发动机排气管，采用0Cr18Ni9不锈钢材质，法兰1的初始焊接边为5mm，排气管筒体2的焊接边为1mm，采用本发明的技术方案实现法兰1、排气管筒体2激光电弧复合焊接方法，主要包括以下步骤：

步骤一：将法兰1和排气管筒体2的焊接边加工成环形焊接边。法兰1的焊接边以排气管内壁为基准，加工至壁厚δ1＝3mm，δ1壁厚状态的长度L＝5mm，法兰1的焊接边内侧制备环形凹槽，以与排气管筒体2的焊接边形成插入型式的装配；环形凹槽的深度a＝1.5mm，环形凹槽的径向高度与筒体2的壁厚δ2一致，即1mm。当法兰1和筒体2的焊接边装配后，二者之间的内表面基本平齐且二者之间的装配间隙不大于0.75mm。

步骤二：依据所述环形焊接边的设计参数，规划激光电弧复合焊接几何位置形态、焊接路径及进行焊前清理。焊接过程中，激光束6的中轴线与法兰1的环形凹槽轴向焊接端面的距离为0.5mm；激光束6的光束中轴线7与竖直方向无倾角，激光束采用负离焦且离焦量△f为-1.5mm；在垂直于焊接方向且远离法兰1的侧面，设置TIG焊枪8，TIG焊枪8的钨极中轴线的延长线相交于激光焦点，TIG焊枪8的钨极中轴线与竖直方面的倾角为45°，钨极尖端与法兰1表面的延长距离为2.0mm。焊前清理包括化学清理和机械打磨及刮削清理。

步骤三：确定激光电弧复合焊接参数。激光束源选择扫描光纤激光束，激光束6的焦长为300mm，激光束6的焦斑直径为

焊接参数包括：焊接速度v范围为1.2m/min-1.5m/min；激光功率P范围为2000W-2600W。扫描轨迹14为圆形、顺时针扫描，扫描幅度为0.3mm，扫描频率100Hz。同时，沿焊接方向实施顺时针扫描，更有利于法兰侧的液态金属流向筒体侧，即更易于获得更好焊缝成形的圆角过渡。TIG焊的焊接参数包括焊接电流和惰性保护气流量，焊接电流调节范围为40A-50A，焊接电压随焊接电流自动调节；TIG惰性保护气流量调节范围为15L/min-30L/min。惰性保护气体为氩气。

步骤四：依据所述复合焊接参数，对所述法兰1和所述排气管筒体2进行焊接。将法兰1和排气管筒体2的焊接边装配于焊接夹具10中，通过转向节11与转台连接，由转台驱动焊接夹具10实现稳定旋转，焊接过程中焊接夹具10采用横吹气帘向焊缝背面提供惰性保护气体，惰性保护气体流量为20L/min-25L/min。复合焊接头在机械手执行端的带动下，夹持焊接激光头和TIG焊枪实现光弧同步运动，采用优化的焊接参数实施激光电弧复合焊接，即可得到深熔穿透状态的激光电弧复合焊接接头9，获得良好的单面焊双面成形效果。法兰1和排气管筒体2的焊缝熔宽约2mm-5mm，焊接变形非常小，排气管焊接后的圆度公差能控制在±1mm范围内；经验证，与现有的激光焊接方法相比，本发明的激光电弧复合焊接方法焊接工艺裕度和工艺可实施性显著扩大。本发明能够完全熔化法兰和筒体的对接和搭接的连接界面，完全避免了如附图4所示的焊趾咬边41，焊缝正面成形和背面成形均良好，很容易获得无超标缺陷的焊接接头。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：分别将所述排气管筒体(2)与所述法兰(1)的焊接边加工成环形焊接边；

步骤二：依据所述环形焊接边的设计参数，规划激光电弧复合焊接几何位置形态、焊接路径；

步骤三：确定激光电弧复合焊接参数；

步骤四：依据激光电弧复合焊接参数，对所述法兰(1)和所述排气管筒体(2)进行激光电弧复合焊接；

步骤一包括：所述法兰(1)的焊接边内侧制备环形凹槽，所述法兰(1)的环形凹槽的径向高度与所述排气管筒体(2)的壁厚一致；所述排气管筒体(2)的焊接边插入式装配在所述法兰(1)的环形凹槽内。

2.根据权利要求1所述的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，步骤一中，所述法兰(1)的第一焊接边壁厚δ1的厚度范围为2mm-4mm，所述法兰(1)的第一焊接边壁厚为δ1状态的第一焊接边长度L不小于3mm，所述法兰(1)的环形凹槽的深度a为0.2mm-2.0mm；所述法兰(1)的环形凹槽的径向高度与所述排气管筒体(2)的第二焊接边壁厚δ2一致。

3.根据权利要求1所述的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，当所述法兰(1)和所述排气管筒体(2)插入式装配以后，二者之间的内表面平齐且二者之间的局部最大装配间隙△x应不大于a/2。

4.根据权利要求2所述的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，步骤二包括：焊接过程中，激光束(6)的光束中轴线(7)与所述法兰(1)表面法向的倾角范围为±10°；在垂直于激光焊接方向且远离所述法兰(1)的侧面设置TIG焊枪(8)，所述TIG焊枪(8)的钨极中轴线的延长线相交于所述激光束(6)输出激光的激光焦点。

5.根据权利要求4所述的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，步骤二包括：焊接过程中，激光束(6)的光束中轴线(7)与所述法兰(1)的环形凹槽轴向焊接端面距离为b，b＝0-a/2，所述激光束(6)为负离焦且离焦量△f范围为(δ2-δ1)-(δ2-δ1)/2。

6.根据权利要求4所述的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，步骤二包括：所述TIG焊枪(8)的钨极中轴线与所述法兰(1)表面法向方向的倾角为30°-60°，所述TIG焊枪(8)的钨极尖端与所述法兰(1)表面的延长距离为1.5mm-5mm。

7.根据权利要求4所述的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述TIG焊枪(8)的钨极中轴线与光束中轴线(7)所形成的平面与焊接方向垂直，所述激光束(6)和所述TIG焊枪(8)作用于同一熔池。

8.根据权利要求4所述的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，步骤二还包括：所述TIG焊枪(8)的焊接作用点位于所述激光束(6)的激光作用点的后方，且所述TIG焊枪(8)和所述激光束(6)作用于不同的熔池。

9.根据权利要求1所述的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，步骤三中确定激光电弧复合焊接参数包括：

所述激光束(6)为光纤激光或YAG激光，所述激光束(6)的焦长范围为150mm-500mm，所述激光束(6)的焦斑直径范围为0.2mm-0.6mm；当采用常规激光焊接时，焊接参数包括焊接速度和激光功率；当采用扫描激光束焊接时，焊接参数包括焊接速度、激光功率、扫描轨迹、扫描幅度和扫描频率，扫描频率调节范围在30Hz-200Hz；电弧焊接参数包括焊接电流和惰性保护气流量，焊接电流调节范围为40A-100A，焊接电压随焊接电流自动调节。

10.根据权利要求9所述的一种排气管筒体与法兰的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，步骤三电弧焊接时采用惰性气体保护，所述惰性气体保护还包括背保护类型。

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