CN114985933A - 一种铌合金的真空摆动激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，它属于激光焊接技术领域。本发明要解决现有铌合金焊接过程无法同时兼具成本低、效率高、高洁净度、防止氧化及飞溅，降低裂纹倾向效果的问题。焊接方法：一、形成待焊接铌合金焊缝，设定离焦量、激光功率、焊接速度、摆动幅度、摆动频率及光斑摆动模式；二、对真空舱进行抽真空至焊接过程所需真空度；三、激光焊接且焊接过程中激光按照焊接路径进行摆动。本发明用于铌合金的真空摆动激光焊接。

Description

一种铌合金的真空摆动激光焊接方法
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域。
背景技术
随着工业技术的进步，越来越多的机械部件的设计制造对焊接的精度与工况提出了更高的要求，许多特殊材料为保证焊缝的质量需要在真空氛围下进行焊接。铌是一种高熔点的稀有金属，高纯度铌金属延展性较高(室温延伸率48％)，但会随杂质含量的增加而变硬，主要应用在航空航天以及核工业的热防护和结构材料中。室温下，铌在空气中较为稳定，在焊接过程中有裂纹倾向，容易与环境中的氧、氮和氢相互作用，导致其硬度增加，韧性和延展性下降，因此该金属必须在高纯度惰性气体保护下或在高真空环境氛围下进行焊接。铌具有高熔点和较高的导热系数(53.7W/(m·K)，与钢接近)，因而需要更高的热输入，使铌合金的焊接成为一项难题。
传统方法通常采用真空电子束焊接，效率低且成本教高。真空激光焊接相比于电子束焊接而言，有着高效率、低成本的优势，在提高能量利用率的同时也从一定程度上抑制了高反射金属焊接时常常会产生的气孔缺陷。中国专利CN111037084A公开了一种铌合金的焊接方法，首先调整铌合金板材之间的待焊接缝隙的宽度，然后沿垂直于待焊缝缝隙的方向钻孔，深度为铌合金板材的厚度，然后得到新的待焊接缝隙，进行电子束焊接，该方法加工过程繁琐，虽然在一定程度上提高了焊接质量，具有焊接强度高、密封性能好等优点，但成本较高且效率较低。中国专利CN112894140A公开了一种真空激光焊接方法及装置，该套设备由真空舱、工作台及激光焊接系统组成，用于解决晶振焊接的相关问题，但无法较好地控制焊缝表面成形。中国专利CN20170657802.3公开了一种周期性摆动激光焊接方法及组件，但无法满足核材料对于焊接高洁净度、防止氧化及飞溅的要求，同时该焊接方法对于高熔点金属焊接不具有很好的适用性。
发明内容
本发明要解决现有铌合金焊接过程无法同时兼具成本低、效率高、高洁净度、防止氧化及飞溅，降低裂纹倾向效果的问题，进而提供一种铌合金的真空摆动激光焊接方法。
一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，它是按以下步骤进行的：
一、将预处理后的待焊接铌合金放置于真空舱内，形成待焊接铌合金焊缝，设定离焦量、激光功率、焊接速度、摆动幅度、摆动频率及光斑摆动模式；
二、对真空舱进行抽真空至焊接过程所需真空度；
三、在离焦量为-5mm～5mm、激光功率为3kW～6kW、焊接速度为0.3m/min～1.5m/min、摆动幅度为0.5mm～4mm和摆动频率为50Hz～200Hz的条件下，对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接，焊接过程中激光按照焊接路径进行摆动，即完成铌合金的真空摆动激光焊接方法。
本发明的有益效果是：
(1)通过控制放置有待焊接铌合金工件的工作台沿焊缝轨迹的主方向移动，对待焊接铌合金工件进行焊接，此方法成本低、高效快捷，并能够得到具有良好焊缝成形及质量合格的焊接接头；
(2)真空环境下的激光焊接能够有效增加焊缝的熔深，能够有效避免大气环境下常出现的匙孔周期性的膨胀和收缩现象，低真空条件下，匙孔后壁的波动幅度较小，稳定性提高，很少发生匙孔坍塌。
(3)低真空条件下，熔池存在表面张力驱动的流动和沿着匙孔后壁向上的流动。这种流动模式有利于熔池内气泡的逸出，不易在焊接接头中形成气孔。
(4)摆动激光能够形成平滑过渡的焊缝，且对熔池有一定的搅拌作用，不仅有利于气孔的逸出，同时加强了熔池流动，也有利于降低熔池温度，减少合金元素烧损；
(5)真空激光焊接可以满足核材料对于焊接高洁净度，防止焊接氧化、飞溅的要求。
(6)能够降低裂纹倾向，采用大光斑(正离焦)+摆动，进行焊缝表面成形控制。
附图说明
图1为实施例一真空摆动激光焊接所利用的装置结构示意图；
图2为实施例一待焊接铌合金进行激光焊接的示意图；
图3为实施例一摆动路径示意图；
图4为实施例一真空激光焊接后的铌合金件的实物图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，它是按以下步骤进行的：
一、将预处理后的待焊接铌合金放置于真空舱内，形成待焊接铌合金焊缝，设定离焦量、激光功率、焊接速度、摆动幅度、摆动频率及光斑摆动模式；
二、对真空舱进行抽真空至焊接过程所需真空度；
三、在离焦量为-5mm～5mm、激光功率为3kW～6kW、焊接速度为0.3m/min～1.5m/min、摆动幅度为0.5mm～4mm和摆动频率为50Hz～200Hz的条件下，对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接，焊接过程中激光按照焊接路径进行摆动，即完成铌合金的真空摆动激光焊接方法。
本实施方式的有益效果是：
(1)通过控制放置有待焊接铌合金工件的工作台沿焊缝轨迹的主方向移动，对待焊接铌合金工件进行焊接，此方法成本低、高效快捷，并能够得到具有良好焊缝成形及质量合格的焊接接头；
(2)真空环境下的激光焊接能够有效增加焊缝的熔深，能够有效避免大气环境下常出现的匙孔周期性的膨胀和收缩现象，低真空条件下，匙孔后壁的波动幅度较小，稳定性提高，很少发生匙孔坍塌。
(3)低真空条件下，熔池存在表面张力驱动的流动和沿着匙孔后壁向上的流动。这种流动模式有利于熔池内气泡的逸出，不易在焊接接头中形成气孔。
(4)摆动激光能够形成平滑过渡的焊缝，且对熔池有一定的搅拌作用，不仅有利于气孔的逸出，同时加强了熔池流动，也有利于降低熔池温度，减少合金元素烧损；
(5)真空激光焊接可以满足核材料对于焊接高洁净度，防止焊接氧化、飞溅的要求。
(6)能够降低裂纹倾向，采用大光斑(正离焦)+摆动，进行焊缝表面成形控制。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中预处理后的待焊接铌合金是对待焊接铌合金的表面进行打磨及清洗。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的光斑摆动模式为直线摆动。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的待焊接铌合金焊缝为直线对接焊缝或环形对接焊缝。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中对真空舱进行抽真空至真空度为10-2kPa～1kPa。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中所述的焊接路径为直线或环形。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中利用圆形光斑对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三摆动过程中保持焊接路径的中心位于待焊接铌合金焊缝的中心线上。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中在离焦量为-5mm～5mm、激光功率为4kW～6kW、焊接速度为1m/min～1.5m/min、摆动幅度为2mm～4mm和摆动频率为60Hz～200Hz的条件下，对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中在离焦量为-5mm～5mm、激光功率为3kW～4kW、焊接速度为0.3m/min～1m/min、摆动幅度为0.5mm～2mm和摆动频率为50Hz～60Hz的条件下，对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接，焊接过程中激光按照焊接路径进行摆动。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一，结合图1至3具体说明：
一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，它是按以下步骤进行的：
一、将预处理后的待焊接铌合金放置于真空舱内，形成待焊接铌合金焊缝，设定离焦量、激光功率、焊接速度、摆动幅度、摆动频率及光斑摆动模式；
二、对真空舱进行抽真空至真空度为1kPa；
三、在离焦量为5mm、激光功率为4kW及焊接速度为1m/min、摆动幅度为2mm和摆动频率为60Hz的条件下，对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接，焊接过程中激光按照焊接路径进行摆动，即完成铌合金的真空摆动激光焊接方法。
步骤一中预处理后的待焊接铌合金是对待焊接铌合金的表面使用打磨机进行打磨，以去除表面氧化皮，并用工业丝绸蘸取丙酮擦拭待焊接铌合金工件表面以去除表面油污。所述的待焊接铌合金为Nb521板材。
步骤一中所述的光斑摆动模式为直线摆动。
步骤一中所述的待焊接铌合金焊缝为直线对接焊缝。
步骤三中所述的焊接路径为直线。
步骤三中利用圆形光斑对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接。
步骤三摆动过程中保持焊接路径的中心位于待焊接铌合金焊缝的中心线上。
结合图1及图2具体说明，本实施例真空摆动激光焊接所利用的装置包括激光器1、激光头2、真空工作舱室3、抽真空机4、水冷循环机构5、工作台控制单元6、抽真空控制单元7及工作台8；所述的激光器1的输出端与激光头2相连接，激光头2的输出端置于真空工作舱室3内，且真空工作舱室3内设置工作台8，真空工作舱室3与抽真空机4 相连接，抽真空机4与抽真空控制单元7相连接，工作台8与工作台控制单元6连接；本实施例通过抽真空控制单元控制抽真空机构对真空工作舱室进行抽真空作业，通过激光器和与之相连的激光头产生焊接激光。
图4为实施例一真空激光焊接后的铌合金件的实物图，由图可知，焊缝平整光亮，无明显氧化痕迹，也无咬边、未熔合等焊接缺陷。

Claims (10)

1.一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：
一、将预处理后的待焊接铌合金放置于真空舱内，形成待焊接铌合金焊缝，设定离焦量、激光功率、焊接速度、摆动幅度、摆动频率及光斑摆动模式；
二、对真空舱进行抽真空至焊接过程所需真空度；
三、在离焦量为-5mm～5mm、激光功率为3kW～6kW、焊接速度为0.3m/min～1.5m/min、摆动幅度为0.5mm～4mm和摆动频率为50Hz～200Hz的条件下，对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接，焊接过程中激光按照焊接路径进行摆动，即完成铌合金的真空摆动激光焊接方法。
2.根据权利要求1所述的一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于步骤一中预处理后的待焊接铌合金是对待焊接铌合金的表面进行打磨及清洗。
3.根据权利要求1所述的一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于步骤一中所述的光斑摆动模式为直线摆动。
4.根据权利要求1所述的一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于步骤一中所述的待焊接铌合金焊缝为直线对接焊缝或环形对接焊缝。
5.根据权利要求1所述的一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于步骤二中对真空舱进行抽真空至真空度为10-2kPa～1kPa。
6.根据权利要求1所述的一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于步骤三中所述的焊接路径为直线或环形。
7.根据权利要求1所述的一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于步骤三中利用圆形光斑对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接。
8.根据权利要求1所述的一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于步骤三摆动过程中保持焊接路径的中心位于待焊接铌合金焊缝的中心线上。
9.根据权利要求1所述的一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于步骤三中在离焦量为-5mm～5mm、激光功率为4kW～6kW、焊接速度为1m/min～1.5m/min、摆动幅度为2mm～4mm和摆动频率为60Hz～200Hz的条件下，对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接。
10.根据权利要求1所述的一种铌合金的真空摆动激光焊接方法，其特征在于步骤三中在离焦量为-5mm～5mm、激光功率为3kW～4kW、焊接速度为0.3m/min～1m/min、摆动幅度为0.5mm～2mm和摆动频率为50Hz～60Hz的条件下，对待焊接铌合金焊缝进行激光焊接，焊接过程中激光按照焊接路径进行摆动。
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