CN114682911A - 一种激光焊点及激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种激光焊点及激光焊接方法，属于激光焊接技术领域，适用于薄壁搭接结构的焊接，可以进一步提高焊点的焊接强度。该焊点形状为S形，既增加了焊缝路线长度，又留出了应力释放区，具有抗剪性能更好，焊后变形较小等优点；将S形的一段曲线分为三段式轨迹进行焊接，可以实现三段采用不同的焊接参数进行焊接，有利于焊点形状的精细化控制；采用脉冲激光焊接方法，对被焊接材料进行焊接，相比传统的连续焊接工艺，可以大幅降低焊缝中气孔的产生，提高焊缝质量稳定性。采用本发明的焊点形状及激光焊接方法，对镍基高温合金GH3230试板进行搭接焊，获得了拉力大、变形较小及质量更优的焊缝。

Description

一种激光焊点及激光焊接方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及一种应用于薄壁搭接结构的激光焊接技术，特别是焊点形状的优化及其激光焊接工艺方法。

背景技术

液体冲压发动机推重比高、结构简单以及质量轻，是高动态临近空间飞行器的最佳动力装置，世界各军事大国都正在大力发展冲压发动机技术。某型号冲压发动机在大流量的加严试车考核中，燃烧室火焰筒基体与加强环之间出现焊点脱落现象，确定此处为薄弱环节。发动机上的火焰筒与加强环材料均为镍基高温合金GH3230，前期两者之间的焊接方法为电阻点焊，后考虑到激光焊具有能量密度高、焊接速度快、接头质量高等优点，改为激光焊工艺，但是仍存在焊缝撕裂的风险。

激光焊点形状近年来已然成为一个新的研究热点，优化其可以有效增强焊接强度及减小焊接变形。目前国内外采用的焊点形状有：单排断续焊、双排断续焊、环形、C形等。吕涛等研究上述四种形状焊点的抗剪性能差异，揭示焊点的抗剪性能和熔合面面积有关，且两者之间呈正相关关系。刘春艳等开展了激光环形和C形焊点的对比研究，测得C形的焊后应力及变形更小，认为环形焊缝为闭合曲线，不利于应力释放，而C形焊缝不闭合，应力在一定程度上可以释放，所以C形焊缝较环形焊缝要好。但是现有的焊点形状仍然存在焊接强度不够、焊缝质量不高、焊后变形过大的问题，降低了产品的服役可靠性及装配精度。

此外，镍基高温合金虽然具有热强性高、组织稳定和较好的冷热加工成形等优点，被广泛应用于发动机的燃烧室、火箭叶片等关键焊接结构件，但是镍基合金焊接时由于镍含量较高，使得液态金属的黏度和张力较大，这一特性容易导致熔池中的气体在焊接过程中逸出较为困难，在焊缝中出现气孔的几率较高。前期采用连续激光焊接方法，在镍基高温合金材料上进行S形焊点的焊接，焊缝存在大量气孔且气孔直径超标，不满足QJ20693-2018《高温合金激光焊接技术要求》中II级焊缝要求。气孔会严重破坏焊缝金属的致密性、削弱焊缝的有效熔合面积，极大降低焊缝的力学性能。中国专利公开号CN 109759699A，公开日是2019年5月17日，名称为“一种5083铝合金激光焊接工艺方法”中公开了脉冲激光作为热源，采用激光沿焊缝两侧对称摆动的方式，实现对接方式铝合金板材的焊接，这种方法虽然改善了气孔、裂纹等缺陷问题，但是不适用于搭接结构的焊接，尤其是搭接区域小的结构。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，进一步提高冲压发动机火焰筒基体与加强环之间的焊接强度，提出了一种新的焊点形状，该焊点既增加了焊缝路线长度，又留出了应力释放区；同时，为了实现焊点形状的精细化控制和克服采用连续激光焊接易产生气孔的问题，提出了与之相应的激光焊接方法。

本发明的技术解决方案是：

一种激光焊点，所述焊点形状包括两个圆弧段，且两个圆弧段端部反向相接，焊点适用于相搭接的金属薄板的焊接。

使得焊点呈现为S形。

所述金属薄板为镍基高温合金，焊点利用脉冲激光焊接而成。

所述焊点为主焊段，焊点两端设置有起弧段、收弧段。起弧段和收弧段分别连接于主焊段不同的端部，起弧段和收弧段分别与其所连接的主焊段端部的弧度一致；起弧段和收弧段的长度为其所连接的主焊段部分圆周长度的1/2-1圆周。

优选的，所述起弧段和收弧段为其所连接的主焊段部分的3/4圆周。

所述焊点位于金属薄板搭接区域的中部位置。

所述金属薄板每20×12面积的搭接区域内，有一个16×8面积的焊点。

优选的，所述金属薄板每20×12面积的搭接区域内，有一个8×4面积的焊点。

一种激光焊点的激光焊接方法，包括下列步骤：

(1)试板用材料为高温合金GH3230，试板经标准热处理。

(2)焊接前对试件待焊部位表面用丙酮进行清洗，去掉表面油污及灰尘。

(3)采用搭接形式进行试板装配，搭接区域的宽度为12mm，然后用夹具将两块板材固定。

(4)焊接时采用单面焊接一次成形，试件正面、背面均采用纯度为99.99％的氩气保护，保护气体的流量分别为20L/min、10L/min。

(5)进行激光S形焊点第一段轨迹(起弧段)的焊接。优选地，起弧段长度为3/4圆周，激光功率由零逐渐增加至稳态参数。

(6)进行激光S形焊点第二段轨迹的焊接。优选地，激光焊接的激光功率为1.8KW、焊接速度为25mm/s、脉冲频率为45Hz、脉冲占空比为60％。

(7)进行激光S形焊点第三段轨迹(收弧段)的焊接。优选地，收弧段长度为3/4圆周，激光功率由稳态参数逐渐降低为零。

通过上述激光焊接方法，将S形的一段曲线分为三段式轨迹，可以实现三段采用不同的焊接参数进行焊接，有利于焊点形状的精细化控制，避免激光焊在起弧、收弧时在板材表面形成的凹凸不平现象。

进一步的，第一段参数的作用是促进材料升温熔化，避免激光焊在固定点起弧在板材表面形成大的凸起；第二段参数的作用是实现S形的焊点形状；第三段参数的作用是防止焊接的快速冷却产生裂纹，避免在固定点收弧形成凹坑。

进一步的，采用连续激光焊接工艺，对镍基高温合金焊接时容易产生气体溢出，产生大量气孔缺陷，不满足QJ20693-2018Ⅱ级焊缝标准。而对镍基高温合金采用脉冲激光进行焊接，通过调节占空比、频率、脉宽等参数，增强熔池的搅动效应，可以有效抑制焊缝中气孔的形成。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

(1)提出了一种新型的焊点形状，即S形焊点，它既增加了焊缝路线长度，又留出了应力释放区，具有抗剪性能更好，焊后变形较小等优点；

(2)将S形的一段曲线分为三段式轨迹，可以实现三段采用不同的焊接参数进行焊接，有利于焊点形状的精细化控制，避免激光焊在起弧、收弧时在板材表面形成的凹凸不平现象；

(3)采用脉冲激光焊接方法，在镍基高温合金材料上进行S形焊点的焊接，相比传统的连续焊接工艺，可以大幅降低焊缝中气孔的产生，提高焊缝质量稳定性；同时可以增加材料对激光的吸收率，降低焊接热输入，减少焊缝氧化，提高焊缝力学性能；

(4)该焊点形状及激光焊接方法适用于火焰筒产品的焊接，可以进一步提高冲压发动机火焰筒与加强环结构的承载能力和服役寿命；

(5)该焊点形状及焊接方法具有通用性，可推广应用于其它薄壁搭接类型产品的焊接，能够极大的提升焊接强度，提高产品性能。

附图说明

图1是本发明中S形焊点的结构示意图；

图2是本发明中S形焊点的激光光斑焊接轨迹图；

图3是本发明中S形焊点的表面成形图。

附图标记说明：1、试板I；2、焊点；3、试板II；4、起弧段(第一段轨迹)；5、主焊段(第二段轨迹)；6、收弧段(第三段轨迹)；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

本实施例的焊接所用设备为UPRB4600型激光焊机，光纤激光器的最大输出功率为2KW，最小聚焦光斑直径为0.3mm，焦距为200mm。

本申请实施例公开一种激光焊点及激光焊接方法。

如图1和图2所示，一种激光焊点，焊点形状包括两个圆弧段，且两个圆弧段端部反向相接，使得焊点2呈现为S形，焊点2适用于相搭接的金属薄板的焊接。金属薄板为镍基高温合金，焊点2利用脉冲激光焊接而成。焊点2由起弧段4、主焊段5、收弧段6组成，起弧段4和收弧段6分别连接于主焊段5不同的端部，起弧段4和收弧段6分别与其所连接的主焊段5端部的弧度一致。起弧段4和收弧段6为其所连接的主焊段5部分的3/4圆周。焊点2位于金属薄板搭接区域的中部位置。

如图1和图2所示，一种激光焊点的激光焊接方法，包括以下步骤：

(1)试板I和试板II的试验用材料为Ni-Cr基固溶强化型变形高温合金GH3230，标准为Q/GYB05062-2007，尺寸规格为100mm×20mm，试板经标准热处理，试板I厚度1mm，试板II厚度0.6mm；

(2)焊接前对试板I和试板II的待焊部位表面用丙酮擦拭并吹干，去掉表面油污及灰尘；

(3)采用搭接形式进行试板的装配，试板I搭接在试板II上面，搭接区域的宽度为12mm，然后用夹具将两块板材固定，防止焊接过程中试板的移动；本实施例中，试板I和试板II的搭接宽度为12mm，试板I和试板II的搭接长度为20mm；

(4)在激光设备软件上编辑特定的S形焊点的图形，其图形分为三段式轨迹，激光束按照如图2所示的S形轨迹移动。注意，第一段轨迹(起弧段)、第三段轨迹(收弧段)的后面弧线与第二段轨迹(主焊段)重叠，为示意轨迹而将弧线分开；且焊点位于试板I和试板II搭接区域的中部，且焊点在试板I和试板II搭接宽度方向的尺寸为4mm，焊点在试板I和试板II搭接长度方向的尺寸为8mm；

(5)编写S形焊点三段轨迹对应的焊接参数。第一段轨迹的激光功率由零逐渐增加至稳态参数，轨迹长度为3/4圆周；第二段轨迹的焊接工艺参数如下：激光功率1.8KW、焊接速度为25mm/s、脉冲频率为45Hz、脉冲占空比为60％；第三段轨迹的激光功率由稳态参数逐渐降低为零，轨迹长度为3/4圆周；

(6)调节激光头，让激光的焦点位于试板上表面，固定离焦量为0mm；

(7)开启保护气，试件正面、背面均采用纯度为99.99％的氩气保护，保护气体的流量分别为20L/min、10L/min；

(8)按照焊点的轨迹进行焊接，焊接时采用单面焊接一次成形，起始点为第一段轨迹的端点，止于第三段轨迹的端点，激光通过热焊接试板表面，熔化冷却形成S形的焊点外观，完成焊接；

(9)焊后检测分析：对接头表面成型、截面形貌、力学性能、断裂行为和微观组织进行检测和分析。

根据本实施例的方法进行焊接，获得的S形焊点表面如图3所示。焊点表面光滑无飞溅，焊缝均已焊透，无气孔、裂纹等缺陷。焊缝的力学性能优良、组织致密以及焊后变形较小。焊点的拉断力为6577N，断裂处母材变形严重，断裂受到的是拉、剪混合应力。

待焊接产品是火焰筒基体与加强环。产品的材料状态与试板相同。采用S形焊点进行火焰筒产品焊接，焊缝质量合格，满足产品设计技术条件要求，改进方案焊缝的抗剪切强度是原环形焊缝的1.8倍。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光焊点，其特征在于：所述焊点形状包括两个圆弧段，且两个圆弧段端部反向相接，该焊点(2)适用于相搭接的金属薄板的焊接。

2.根据权利要求1所述的一种激光焊点，其特征在于：所述金属薄板为镍基高温合金，焊点(2)利用脉冲激光焊接而成。

3.根据权利要求1所述的一种激光焊点，其特征在于：所述焊点(2)由起弧段(4)、主焊段(5)、收弧段(6)组成。起弧段(4)和收弧段(6)分别连接于主焊段(5)不同的端部，起弧段(4)和收弧段(6)分别与其所连接的主焊段(5)端部的弧度一致。

4.根据权利要求3所述的一种激光焊点，其特征在于：所述起弧段(4)和收弧段(6)的长度为其所连接的主焊段(5)部分的1/2-1圆周；优选的，起弧段(4)和收弧段(6)为其所连接的主焊段(5)部分的3/4圆周。

5.根据权利要求1所述的一种激光焊点，其特征在于：所述焊点(2)位于金属薄板搭接区域的中部位置。

6.根据权利要求1所述的一种激光焊点，其特征在于：所述金属薄板每20×12面积的搭接区域内，有一个16×8面积的焊点(2)；优选的，金属薄板每20×12面积的搭接区域内，有一个8×4面积的焊点(2)。

7.权利要求1-3任一所述的一种激光焊点的激光焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

在两个金属薄板的搭接区域依次进行起弧段(4)、主焊段(5)和收弧段(6)的焊接；

起弧段(4)，激光功率由零逐渐增加至稳态状态；

从起弧段(4)焊接的末端点开始，焊接主焊段(5)，激光焊接的参数恒定为稳态状态；

从主焊段(5)焊接的末端点开始，焊接收弧段(6)，激光功率由稳态状态逐渐降低为零。

8.根据权利要求7所述的一种激光焊点的激光焊接方法，其特征在于：所述稳态状态时，激光功率、焊接速度、脉冲频率、脉冲占空比恒定。

9.根据权利要求7所述的一种激光焊点的激光焊接方法，其特征在于：所述金属薄板为Ni-Cr基固溶强化型变形高温合金GH3230，两个金属薄板为试板I(1)和试板II(3)，试板I(1)厚度1mm，试板II(3)厚度0.6mm，接头形式为搭接，搭接区域的宽度为12mm，稳态状态为：激光功率为1.8KW、焊接速度为25mm/s、脉冲频率为45Hz、脉冲占空比为60％。

10.根据权利要求7所述的一种激光焊点的激光焊接方法，其特征在于：所述焊接前，对金属薄板的待焊部位表面用丙酮进行清洗；之后用夹具将两块金属薄板固定；焊接时采用单面焊接一次成形，试件正面、背面均采用氩气保护。

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