CN119387762A - 一种钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法 - Google Patents

一种钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，属于有色金属表面清洁及改性的技术领域，针对钛合金焊接过程中焊缝质量差以及表面耐腐蚀、抗疲劳等性能差的问题，采用脉冲激光作为表面清洗热源，提升构件表面、焊接坡口等表面的清洁度，提高生产加工效率。在熔化焊接过程中，在焊缝背面施加高能束的超声波激振，细化焊缝晶粒尺寸，提高接头力学性能，在构件以及焊缝表面施加旋转超声波，使构件以及焊缝表面产生塑性变形，提高构件及焊缝表面的整体性能，提升其耐高温、耐腐蚀以及抗疲劳性能等。

Description

一种钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法
技术领域
本发明属于有色金属表面清洁及改性的技术领域，具体公开了一种钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法。
背景技术
钛及钛合金具有高的强度、耐高温性能以及良好的耐腐蚀性能，在航空航天、水下装备以及核工业领域具有广泛的应用前景。钛及钛合金的表面及焊缝清洁度、表面应力状态及微观组织形态对钛及钛合金的工程应用具有重要的影响。
钛及钛合金在焊接过程中，对表面的清洁度以及焊缝质量具有较高的要求，在加热过程中极易发生表面氧化、表面残存的油污锈垢易引起焊缝内部的夹杂、气孔等微观缺陷，同时焊缝位置属于铸态组织结构，导致其力学性能下降，通常低于原始母材的强度，成为整个构件产品的薄弱位置。如何提高钛及钛合金在加工/焊接过程中的表面质量，提高焊缝的力学性能，对于钛及钛合金构件产品的应用具有积极的推动作用。
发明内容
针对钛合金材料在耐腐蚀、耐高温以及抗疲劳等领域使用过程中，对焊缝以及表面质量要求较高，本发明提供了一种钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，采用脉冲激光对钛合金试板的工作表面(即正面)以及坡口位置进行清洗，去除表面的杂质，通过在钛合金试板背面位于焊缝两侧位置施加超声激振以细化焊缝的晶粒组织，加快内部气体、杂质等溢出进而提升焊缝的力学性能，通过旋转超声对包括焊缝在内的工作表面进行超声冲击强化，提高钛合金构件的整体性能和表面性能，在有色金属焊接及表面改性领域具有广泛的应用前景。
上述钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，包括下述步骤：
S1，制备钛合金试板
在钛合金试板上加工焊接坡口；
S2，采用脉冲激光清理钛合金试板的正面和坡口
S3，钛合金试板焊接
采用熔化极气体保护焊进行焊接，在钛合金试板的背面位于焊缝两侧的位置施加超声激振；
S4，钛合金试板及表面处理
对钛合金试板及焊缝正面进行旋转超声强化处理。
步骤S1中，钛合金试板的钝边为1.5mm，单边坡口角度为30°；
步骤S2中，脉冲激光功率150W，速度6mm/s，频率23KHz，脉冲宽度500ns，扫面光斑为矩形，尺寸为100mm×3mm；
步骤S3中，焊丝直径1.2mm，采用99.99％的氩气进行保护，气流量25～30L/min，焊接电流180～240A，焊接速度0.3m/min，弧长修正30％，焊丝伸出长度15mm；
超声频率为20kHz，超声功率为4kW；
步骤S4中，旋转速度25r/min，移动速度1mm/s，下压力量为0.2mm，超声频率为20kHz，超声功率为4kW。
步骤S2-S4采用激光超声复合清洁强化焊接系统进行；
激光超声复合清洁强化焊接系统包括焊接机器人、超声激振台、激光清洁装置和旋转超声强化装置；焊接机器人用于焊接钛合金试板；超声激振台包括支撑台、基板工作台、第一高能超声发生器、第一换能器和第一变幅杆；第一高能超声发生器与第一换能器连接；第一换能器活动安装在支撑台上；第一变幅杆的底端与第一换能器的顶端连接，顶端与基板工作台连接；经过步骤S1处理的钛合金试板放置在基板工作台上；激光清洁装置和旋转超声强化装置位于基板工作台的上方，可在钛合金试板表面移动；旋转超声强化装置包括旋转驱动机构、第二高能超声发生器、第二换能器、第二变幅杆、工具头和滚珠；第二高能超声发生器与第二换能器连接；第二换能器由旋转驱动机构驱动旋转；第二变幅杆的顶端与第二换能器的底端连接，底端与工具头连接；工具头的底端转动安装有滚珠。
焊接机器人包括机械臂、焊枪、焊机、焊丝、送丝机构和保护气气瓶；焊枪安装在机械臂的末端；焊机为焊枪提供电源；焊丝通过送丝机构装入焊枪中；保护气气瓶中装有保护气体，通过输气管与焊枪连接；保护气气瓶上安装有压力表。
支撑台上设置有倒置T型槽；超声激振台还包括倒置T型杆、连接板和紧定螺母；倒置T型杆的底端活动插设在倒置T型槽内；第一换能器的两侧对称布置有倒置T型杆，连接板套设在第一换能器以及第一换能器两侧的倒置T型杆上，紧定螺母安装在倒置T型杆上压紧连接板，第一换能器通过倒置T型杆、连接板和紧定螺母悬空设置。
支撑台由支腿支撑。
激光超声复合清洁强化焊接系统还包括夹持架；旋转超声强化装置还包括外壳和轴承；外壳固定在夹持架上，第二换能器和第二变幅杆通过轴承转动安装在外壳内，工具头从外壳的底端伸出；旋转驱动机构包括电机；电机固定在夹持架上，驱动第二换能器旋转；激光清洁装置固定在夹持架上；夹持架驱动激光清洁装置和旋转超声强化装置在钛合金试板表面移动。
夹持架包括夹持梁、第一竖梁、第一横梁、第二竖梁和第二横梁；夹持梁、第一横梁和第二横梁平行于基板工作台，第一竖梁和第二竖梁垂直于基板工作台；第一横梁固定在第一竖梁上；夹持梁和第一横梁通过第二竖梁连接；第二横梁固定在第二竖梁上；激光清洁装置和外壳固定在夹持梁上；电机固定在第二横梁上；旋转驱动机构还包括安装在电机输出轴上的主动轮、安装在第二换能器顶端的从动轮以及连接主动轮和从动轮的同步带。
激光超声复合清洁强化焊接系统还包括控制柜；控制柜上设置有电源开关、电源开关指示灯、机械臂控制器、机械臂控制器指示灯、焊接电源控制器、焊接电源控制器指示灯、送丝机构控制器、送丝机构控制器指示灯、超声激振台控制器、超声激振台控制器指示灯、激光清洁控制器、激光清洁控制器指示灯、超声强化控制器、超声强化控制器指示灯、电机控制器、电机控制器指示灯、紧急按钮和紧急按钮指示灯；机械臂和控制柜通过第一连线连接；焊机和控制柜通过第二连线连接；第一高能超声发生器和第一换能器通过第三连线连接，第一高能超声发生器和控制柜通过第四连线连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
本发明针对钛合金等有色金属焊接过程中焊缝质量差以及表面耐腐蚀、抗疲劳等性能差的问题，采用脉冲激光作为表面清洗热源，提升钛合金试板表面、焊接坡口等表面的清洁度，提高生产加工效率。在熔化焊接过程中，在焊缝背面施加高能束的超声波激振，细化焊缝晶粒尺寸，提高接头力学性能，在钛合金试板以及焊缝表面施加旋转超声波，使钛合金试板以及焊缝表面产生塑性变形，提高构件及焊缝表面的整体性能，提升其耐高温、耐腐蚀以及抗疲劳性能等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为激光超声复合清洁强化焊接系统的示意图；
图2为超声激振台的示意图；
图3为激光清洁装置的示意图；
图4为旋转超声强化装置的示意图。
图中：1.1-机械臂；1.2-焊枪；1.3-焊机；1.4-焊丝；1.5-送丝机构；1.6-保护气气瓶；1.7-输气管；1.8-压力表；
2.1-支撑台；2.2-基板工作台；2.3-第一高能超声发生器；2.4-第一换能器；2.5-第一变幅杆；2.6-支腿；2.7-倒置T型槽；2.8-倒置T型杆；2.9-连接板；2.10-紧定螺母；
3-激光清洁装置；
4.1-第二换能器；4.2-第二变幅杆；4.3-工具头；4.4-滚珠；4.5-外壳；4.6-轴承；4.7-支撑板；4.8-电机；4.9-主动轮；4.10-从动轮；4.11-同步带；
5-控制柜；5.1-电源开关；5.2-电源开关指示灯；5.3-机械臂控制器；5.4-机械臂控制器指示灯；5.5-焊接电源控制器；5.6-焊接电源控制器指示灯；5.7-送丝机构控制器；5.8-送丝机构控制器指示灯；5.9-超声激振台控制器；5.10-超声激振台控制器指示灯；5.11-激光清洁控制器；5.12-激光清洁控制器指示灯；5.13-超声强化控制器；5.14-超声强化控制器指示灯；5.15-电机控制器；5.16-电机控制器指示灯；5.17-紧急按钮；5.18-紧急按钮指示灯；
6.1-夹持梁；6.2-第一竖梁；6.3-第一横梁；6.4-第二竖梁；6.5-第二横梁；
7-第一连线；8-第二连线；9-第三连线；10-第四连线；101-钛合金试板；102-焊缝。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
激光做为一种热源被广泛应用于材料的表面处理，如激光表面除锈强化等，激光作用到金属表面时，可以使避免的油污锈垢、锈蚀层等迅速的蒸发和剥落，清洁强化金属表面。相较于激光的表面处理，超声波具有更强的穿透能力，除可以起到强化金属表面的作用外，还可以细化金属凝固过程中的晶粒，促进金属内部杂质、气孔等缺陷的溢出，降低缺陷，提高产品质量。基于上述理论，本发明提出一种钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法。
本方法例针对金属在焊接过程中需要清理焊接坡口、焊缝易产生缺陷降低焊接接头的力学性能等问题。在焊接过程中，焊接热源前端设置激光清洁装置，紧邻焊接热源的后端设置旋转超声强化装置，焊缝背面设置超声激振台，清理钛合金板、坡口表面质量的同时，超声波的激振作用提高焊缝强度，节约工时，提高生产效率和焊接质量。该方法在黑色金属、有色金属焊接领域具有广泛的应用前景。
使用的化学物质材料为：钛合金板、钛合金焊丝、氩气、砂纸，其组合准备用量如下：以克、毫米为计量单位。
钛合金板：TC4 2块 300mm×150mm×6mm
钛合金焊丝：TC4 5Kg
氩气：Ar 1瓶
砂纸：400目 2张 300mm×200mm×0.5mm
使用激光超声复合清洁强化焊接系统进行焊接。
激光超声复合清洁强化焊接系统包括焊接机器人、超声激振台、激光清洁装置3、旋转超声强化装置、控制柜5和夹持架。
焊接机器人用于焊接钛合金试板。焊接机器人包括机械臂1.1、焊枪1.2、焊机1.3、焊丝1.4、送丝机构1.5和保护气气瓶1.6；焊枪1.2安装在机械臂1.1的末端；焊机1.3为焊枪1.2提供电源；焊丝1.4通过送丝机构1.5装入焊枪1.2中；保护气气瓶1.6中装有保护气体，通过输气管1.7与焊枪连接；保护气气瓶1.6上安装有压力表1.8。机械臂1.1和控制柜5通过第一连线7连接；焊机1.3和控制柜5通过第二连线8连接。
超声激振台包括支撑台2.1、基板工作台2.2、第一高能超声发生器2.3、第一换能器2.4和第一变幅杆2.5；支撑台2.1由支腿2.6支撑；第一高能超声发生器2.3和第一换能器2.4通过第三连线9连接，第一高能超声发生器2.3和控制柜5通过第四连线10连接；第一换能器2.4活动安装在支撑台2.1上；第一变幅杆2.5的底端与第一换能器2.4的顶端连接，顶端与基板工作台2.2连接。
第一换能器2.4与支撑台2.1的具体连接方式为：支撑台2.1上设置有倒置T型槽2.7；超声激振台还包括倒置T型杆2.8、连接板2.9和紧定螺母2.10；倒置T型杆2.8的底端活动插设在倒置T型槽2.7内；第一换能器2.4的两侧对称布置有倒置T型杆2.8，连接板2.9套设在第一换能器2.4以及第一换能器2.4两侧的倒置T型杆2.8上，紧定螺母2.10安装在倒置T型杆2.8上压紧连接板2.9，第一换能器2.4通过倒置T型杆2.8、连接板2.9和紧定螺母2.10悬空设置，组成超声激振单元，钛合金试板101的焊缝102两侧分别布置有三组超声激振单元。
激光清洁装置3和旋转超声强化装置位于基板工作台2.2的上方，可在钛合金试板101表面移动。
旋转超声强化装置包括旋转驱动机构、第二高能超声发生器、第二换能器4.1、第二变幅杆4.2、工具头4.3和滚珠4.4；第二高能超声发生器与第二换能器4.1连接；第二换能器4.1由旋转驱动机构驱动旋转；第二变幅杆4.2的顶端与第二换能器4.1的底端连接，底端与工具头4.3连接；工具头4.3的底端转动安装有滚珠4.4。
激光清洁装置3和旋转超声强化装置通过夹持架安装；夹持架包括夹持梁6.1、第一竖梁6.2、第一横梁6.3、第二竖梁6.4和第二横梁6.5；夹持梁6.1、第一横梁6.3和第二横梁6.5平行于基板工作台2.2，第一竖梁6.2和第二竖梁6.4垂直于基板工作台2.2；第一横梁6.3固定在第一竖梁6.2上；夹持梁6.1和第一横梁6.3通过第二竖梁6.4连接；第二横梁6.5固定在第二竖梁6.4上。夹持架中各梁体可通过现有技术进行移动，实现激光清洁装置3和旋转超声强化装置在钛合金试板101表面移动。
激光清洁装置3固定在夹持梁6.1上。
旋转超声强化装置还包括外壳4.5和轴承4.6；外壳4.5固定在夹持梁6.1上，外壳4.5内设置有支撑板4.7，外壳4.5的底端和支撑板4.7上均安装有轴承4.6；第二换能器4.1和第二变幅杆4.2通过轴承4.6转动安装在外壳4.5内，工具头4.3从外壳4.5的底端伸出；旋转驱动机构包括电机4.8、安装在电机4.8输出轴上的主动轮4.9、安装在第二换能器4.1顶端的从动轮4.10以及连接主动轮4.9和从动轮4.10的同步带4.11；电机4.8固定在第二横梁6.5上，驱动第二换能器4.1旋转。
夹持架驱动激光清洁装置3和旋转超声强化装置在钛合金试板101表面移动。
控制柜5上设置有电源开关5.1、电源开关指示灯5.2、机械臂控制器5.3、机械臂控制器指示灯5.4、焊接电源控制器5.5、焊接电源控制器指示灯5.6、送丝机构控制器5.7、送丝机构控制器指示灯5.8、超声激振台控制器5.9、超声激振台控制器指示灯5.10、激光清洁控制器5.11、激光清洁控制器指示灯5.12、超声强化控制器5.13、超声强化控制器指示灯5.14、电机控制器5.15、电机控制器指示灯5.16、紧急按钮5.17和紧急按钮指示灯5.18。
上述钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，包括下述步骤。
S1，制备钛合金试板
采用机械加工方法制备钛合金试板，在钛合金试板上加工焊接坡口，钛合金试板的钝边为1.5mm，单边坡口角度为30°，加工完成后置于基板工作台2.2上待焊。
S2，采用脉冲激光清理钛合金试板的正面和坡口
脉冲激光功率150W，速度6mm/s，频率23KHz，脉冲宽度500ns，扫面光斑为矩形，尺寸为100mm×3mm。
S3，钛合金试板焊接
采用熔化极气体保护焊进行焊接，在钛合金试板的背面位于焊缝两侧的位置施加超声激振；
焊丝直径1.2mm，采用99.99％的氩气进行保护，气流量25～30L/min，焊接电流180～240A，焊接速度0.3m/min，弧长修正30％，焊丝伸出长度15mm；
超声频率为20kHz，超声功率为4kW；
焊接完成后关闭旋转超声强化装置。
S4，钛合金试板及表面处理
对钛合金试板及焊缝正面进行旋转超声强化处理，旋转速度25r/min，移动速度1mm/s，下压力量为0.2mm，超声频率为20kHz，超声功率为4kW；
处理完成后关闭旋转超声强化装置。
S5，检测、分析、表征
对加工的钛合金试板表面及焊缝进行微观结构、力学性能检测分析和表征。
结论：通过脉冲激光处理的试板及坡口表面干净整洁，无油污锈垢等杂质存在，超声激振台产生的高能超声束流可以细化焊接接头晶粒尺寸，减少气孔、夹杂等缺陷的产生，提高焊接接头的力学性能，旋转超声表面处理可以提高试板及焊缝的耐腐蚀性能以及抗疲劳性能，从而提高构件产品的整体性能。
S6，储存
对制备的钛合金试板用软质材料包装，储存于洁净、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1，制备钛合金试板
在钛合金试板上加工焊接坡口；
S2，采用脉冲激光清理钛合金试板的正面和坡口
S3，钛合金试板焊接
采用熔化极气体保护焊进行焊接，在钛合金试板的背面位于焊缝两侧的位置施加超声激振；
S4，钛合金试板及表面处理
对钛合金试板及焊缝正面进行旋转超声强化处理。
2.根据权利要求1所述的钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，其特征在于，步骤S1中，钛合金试板的钝边为1.5mm，单边坡口角度为30°；
步骤S2中，脉冲激光功率150W，速度6mm/s，频率23KHz，脉冲宽度500ns，扫面光斑为矩形，尺寸为100mm×3mm；
步骤S3中，焊丝直径1.2mm，采用99.99％的氩气进行保护，气流量25～30L/min，焊接电流180～240A，焊接速度0.3m/min，弧长修正30％，焊丝伸出长度15mm；
超声频率为20kHz，超声功率为4kW；
步骤S4中，旋转速度25r/min，移动速度1mm/s，下压力量为0.2mm，超声频率为20kHz，超声功率为4kW。
3.根据权利要求2所述的钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，其特征在于，步骤S2-S4采用激光超声复合清洁强化焊接系统进行；
激光超声复合清洁强化焊接系统包括焊接机器人、超声激振台、激光清洁装置和旋转超声强化装置；
所述焊接机器人用于焊接钛合金试板；
所述超声激振台包括支撑台、基板工作台、第一高能超声发生器、第一换能器和第一变幅杆；
所述第一高能超声发生器与第一换能器连接；
所述第一换能器活动安装在支撑台上；
所述第一变幅杆的底端与第一换能器的顶端连接，顶端与基板工作台连接；
经过步骤S1处理的钛合金试板放置在基板工作台上；
所述激光清洁装置和旋转超声强化装置位于基板工作台的上方，可在钛合金试板表面移动；
所述旋转超声强化装置包括旋转驱动机构、第二高能超声发生器、第二换能器、第二变幅杆、工具头和滚珠；
所述第二高能超声发生器与第二换能器连接；
所述第二换能器由旋转驱动机构驱动旋转；
所述第二变幅杆的顶端与第二换能器的底端连接，底端与工具头连接；
所述工具头的底端转动安装有滚珠。
4.根据权利要求3所述的钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，其特征在于，焊接机器人包括机械臂、焊枪、焊机、焊丝、送丝机构和保护气气瓶；
所述焊枪安装在机械臂的末端；
所述焊机为焊枪提供电源；
所述焊丝通过送丝机构装入焊枪中；
所述保护气气瓶中装有保护气体，通过输气管与焊枪连接；
所述保护气气瓶上安装有压力表。
5.根据权利要求4所述的钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，其特征在于，支撑台上设置有倒置T型槽；
超声激振台还包括倒置T型杆、连接板和紧定螺母；
所述倒置T型杆的底端活动插设在倒置T型槽内；
所述第一换能器的两侧对称布置有倒置T型杆，连接板套设在第一换能器以及第一换能器两侧的倒置T型杆上，紧定螺母安装在倒置T型杆上压紧连接板，第一换能器通过倒置T型杆、连接板和紧定螺母悬空设置。
6.根据权利要求5所述的钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，其特征在于，支撑台由支腿支撑。
7.根据权利要求6所述的钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，其特征在于，激光超声复合清洁强化焊接系统还包括夹持架；
旋转超声强化装置还包括外壳和轴承；
所述外壳固定在夹持架上，第二换能器和第二变幅杆通过轴承转动安装在外壳内，工具头从外壳的底端伸出；
旋转驱动机构包括电机；
所述电机固定在夹持架上，驱动第二换能器旋转；
激光清洁装置固定在夹持架上；
所述夹持架驱动激光清洁装置和旋转超声强化装置在钛合金试板表面移动。
8.根据权利要求7所述的钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，其特征在于，夹持架包括夹持梁、第一竖梁、第一横梁、第二竖梁和第二横梁；
所述夹持梁、第一横梁和第二横梁平行于基板工作台，第一竖梁和第二竖梁垂直于基板工作台；
所述第一横梁固定在第一竖梁上；
所述夹持梁和第一横梁通过第二竖梁连接；
所述第二横梁固定在第二竖梁上；
激光清洁装置和外壳固定在夹持梁上；
电机固定在第二横梁上；
旋转驱动机构还包括安装在电机输出轴上的主动轮、安装在第二换能器顶端的从动轮以及连接主动轮和从动轮的同步带。
9.根据权利要求8所述的钛合金表面激光超声复合清洁强化焊接的方法，其特征在于，激光超声复合清洁强化焊接系统还包括控制柜；
控制柜上设置有电源开关、电源开关指示灯、机械臂控制器、机械臂控制器指示灯、焊接电源控制器、焊接电源控制器指示灯、送丝机构控制器、送丝机构控制器指示灯、超声激振台控制器、超声激振台控制器指示灯、激光清洁控制器、激光清洁控制器指示灯、超声强化控制器、超声强化控制器指示灯、电机控制器、电机控制器指示灯、紧急按钮和紧急按钮指示灯；
机械臂和控制柜通过第一连线连接；
焊机和控制柜通过第二连线连接；
第一高能超声发生器和第一换能器通过第三连线连接，第一高能超声发生器和控制柜通过第四连线连接。
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