CN212122075U - 厚壁钛合金激光-mig复合焊打底层焊接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种厚壁钛合金激光‑MIG复合焊打底层焊接装置。包括：焊接工作台；第一平移装置，安装于所述焊接工作台，所述钛合金板安装于所述第一平移装置，以在所述第一平移装置的带动下沿焊接方向移动；MIG焊接装置，安装于所述焊接工作台，所述MIG焊接装置具有焊枪；和激光器，安装于所述焊接工作台，所述激光器具有激光头；且所述激光头和所述焊枪的枪嘴设置于两个所述钛合金板的待焊接头的对接处的上侧，沿着所述焊接方向，所述枪嘴处于所述激光头的上游侧；所述激光头发射的激光束垂直入射，所述焊枪的角度为45°至50°，且在所述对接处形成的激光束热源与MIG热源之间的间距为2mm至3mm。

Description

厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置

技术领域

本实用新型涉及钛合金焊接领域，特别是涉及一种厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置及方法。

背景技术

钛合金具有较高比强度、比刚度的同时具有良好的塑性和韧性、较低的热膨胀系数、耐腐蚀性等优异性能，被广泛应用于航空航天、核电、船舶、海洋工程、军工、石油化工、汽车、医疗、电力、体育用品等领域。然而钛合金导热性能差，且在施焊过程中，温度在300℃以上时能快速吸氢，450℃以上时能快速吸氧，600℃以上时能快速吸氮。熔池中侵入这些气体后，焊接接头的塑性和韧性都会发生明显的变化。故而钛合金焊接工艺要求较高。单一焊接方法均存在各自的不足，尤其是应对厚板钛合金焊接。故而多采用复合焊接方法以取长补短。

当前钛合金厚板复合焊接工艺已有相关研究报告，如中国公开文献：CN103831533A《钛合金激光一MIG复合焊接方法》采用I型坡口并添加焊缝保护拖罩能实现6mm钛合金平板对接焊接。中国公开文献：CN106553012A《用于钛合金激光□MIG复合焊焊后保护拖罩及焊接方法》能实现4.2mm厚TA2焊接。中国公开文献：CN102225485A《TC18钛合金激光-氩弧复合热源焊接工艺》采用激光-TIG复合焊接方法并开特定坡口能实现8～18mm厚TC18钛合金锻板的对接单面焊接双面成型。

目前，有关钛合金焊接的文献研究中，钛合金板的厚度都未能超过20mm，难以满足一些特殊需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有较厚钛合金无法焊接的至少一个的缺陷，提供一种厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置及方法，实现了钛合金厚板对接焊过程中打底焊单面焊接双面成型的目的，并为后续填充焊接提供了良好的基础。

一方面，本实用新型提供了一种厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接方法，用于加工厚度大于或等于20mm的钛合金板，其包括：

第一步：将所述钛合金板的待焊接头加工成预设形状的坡口，预设形状的所述坡口包括：从底面向上延伸第一预设高度的第一垂直面，从所述第一垂直面的上端按照第一预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第二预设高度的第一倾斜面，以及从所述第一倾斜面的上端按照第二预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第三预设高度的第二倾斜面；所述第二预设角度大于所述第一预设角度；

第二步：打磨所述坡口及所述坡口周围预设范围内，并进行清洗；

第三步：将两个所述待焊接头对接，且使两个所述第一垂直面之间形成的对接间隙为0.38mm至0.42mm；

第四步：使用激光器与MIG焊接装置形成的复合热源进行焊接；且所述激光器发射的激光束垂直入射，离焦量-2mm；光丝间距2mm至3mm；焊接速度0.8～1m/min；所述MIG焊接装置中，焊枪角度45°至50°，焊丝直径1.2mm，干伸长度15mm至20mm，脉冲模式，焊接电流240A至280A，焊接电压28V至31V，使用纯度为99％以上的氩气保护，气流速为25L/min至30L/min；沿着所述焊接方向，所述枪嘴处于所述激光头的上游侧。

可选地，所述第一预设高度为1mm至4mm，所述第二预设高度为6mm至9mm，所述第三预设高度为4mm至6mm；所述第一预设角度为20°至30°，所述第二预设角度为32°至45°。

可选地，预设形状的所述坡口还包括从所述第而倾斜面的上端向上延伸至顶面的第二垂直面。

可选地，所述钛合金板的下侧设置有散热用的铜板，所述铜板为开槽铜板。

可选地，采用钢丝刷或打磨器打磨所述坡口；

所述坡口周围预设范围为距离所述坡口20mm范围内；

利用无水乙醇或丙酮清洗进行清洗。

另一方面，本实用新型还提供了一种厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置，用于加工厚度大于或等于20mm的钛合金板，包括：

焊接工作台；

第一平移装置，安装于所述焊接工作台，所述钛合金板安装于所述第一平移装置，以在所述第一平移装置的带动下沿焊接方向移动；

MIG焊接装置，安装于所述焊接工作台，所述MIG焊接装置具有焊枪；和

激光器，安装于所述焊接工作台，所述激光器具有激光头；且

所述激光头和所述焊枪的枪嘴设置于两个所述钛合金板的待焊接头的对接处的上侧，沿着所述焊接方向，所述枪嘴处于所述激光头的上游侧；

所述激光头发射的激光束垂直入射，所述焊枪的角度45°至50°，且在所述对接处形成的激光束热源与MIG热源之间的间距为2mm至3mm。

可选地，所述厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置还包括两个第二平移装置，安装于所述第一平移装置，每个所述第二平移装置上安装有一个所述钛合金板。

可选地，所述厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置还包括：

两个坡口成型装置，安装于所述焊接工作台，以在一个对应所述第二平移装置将相应所述钛合金板带到坡口工位时，所述坡口成型装置将所述钛合金板的待焊接头加工成预设形状的坡口；和

两个打磨装置，安装于所述焊接工作台，以在一个对应所述第二平移装置将相应所述钛合金板带到打磨工位时，所述打磨装置进行坡口打磨；且

预设形状的所述坡口包括：从底面向上延伸第一预设高度的第一垂直面，从所述第一垂直面的上端按照第一预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第二预设高度的第一倾斜面，以及从所述第一倾斜面的上端按照第二预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第三预设高度的第二倾斜面；所述第二预设角度大于所述第一预设角度。

可选地，所述厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置还包括散热用的铜板，设置于所述钛合金板的下侧，所述铜板为开槽铜板。

可选地，所述激光器的离焦量-2mm；焊接速度0.8～1m/min；所述MIG焊接装置中，焊丝直径1.2mm，干伸长度15mm至20mm，脉冲模式，焊接电流240A至280A，焊接电压28V至31V，使用纯度为99％以上的氩气保护，气流速为25L/min至30L/min。

本实用新型实施例具有以下技术效果：

针对核电、海洋工程、军工等特定行业的钛合金厚板结构件，采用特定的坡口形式和激光-MIG复合焊接方法，实现了钛合金厚板对接焊过程中打底焊单面焊接双面成型的目的，并为后续填充焊接提供了良好的基础。该实用新型实施例中的焊接方法和装置具有焊接熔深大、焊接效率高、装配要求低、焊缝性能稳定、易于实现自动焊等特点。

进一步地，背面添加开槽铜板散热方式加快焊缝冷却速度，以获得良好的焊缝状态，尤其是背面焊缝，可以取代常用的背面氩气保护装置，减少了生产成本。焊枪喷嘴自带保护气，无需添加任何辅助保护气源即可保证打底焊焊缝正反面无明显氧化现象，且焊缝无裂纹等缺陷。

根据本方法进行厚板钛合金对接焊接打底焊可以获得成型美观且正反面保护良好的焊缝，焊缝无开裂、咬边、气孔等缺陷。

根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例提供的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置的示意性结构图；

图2是图1所示厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置焊接的钛合金板的坡口的示意性结构图；

图3是图1所示厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置焊接进行焊接时的示意性结构图；

图4是具有坡口的钛合金板的示意性结构图；

图5是根据本实用新型一个实施例提供的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1是根据本实用新型一个实施例提供的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置的示意性结构图。如图1所示并参考图2和图3，本实用新型实施例提供了一种厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置，用于加工厚度大于或等于20mm的钛合金板40，其包括焊接工作台11、第一平移装置12、MIG焊接装置30和激光器20。第一平移装置12安装于焊接工作台11，钛合金板40安装于第一平移装置12，以在第一平移装置12的带动下沿焊接方向移动。MIG焊接装置30安装于焊接工作台11，MIG焊接装置30具有焊枪31。激光器20安装于焊接工作台11，激光器20具有激光头21。激光头21和焊枪31的枪嘴设置于两个钛合金板40的待焊接头的对接处的上侧。沿着焊接方向，枪嘴处于激光头21的上游侧。激光头21发射的激光束垂直入射，焊枪31的角度45°至50°，且在对接处形成的激光束热源与MIG热源之间的间距为2mm至3mm，即光丝间距为2mm至3mm。

本实用新型实施例的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置采用特定的坡口形式和激光-MIG复合焊接方法，实现了钛合金厚板对接焊过程中打底焊单面焊接双面成型的目的，并为后续填充焊接提供了良好的基础。还具有焊接熔深大、焊接效率高、装配要求低、焊缝性能稳定、易于实现自动焊等特点。

在本实用新型的一些实施例中，壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置还包括两个第二平移装置13，安装于第一平移装置12。每个第二平移装置13上安装有一个钛合金板40，以在第二平移装置13的带动下沿垂直于焊接方向的方向移动。可便于钛合金板40的安装，在钛合金板40安装后，通过第二平移装置13将钛合金板40运送到预设位置处进行对接和焊接。第一平移装置12和第二平移装置13可包括安装座、电机和丝杠传动机构，电机通过丝杠传动机构带动安装座移动。

为了便于钛合金板40的坡口加工和打磨，厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置还包括两个坡口成型装置14和两个打磨装置15。两个坡口成型装置14安装于焊接工作台11，以在一个对应第二平移装置13将相应钛合金板40带到坡口工位时，坡口成型装置14将钛合金板40的待焊接头加工成预设形状的坡口。两个打磨装置15安装于焊接工作台11，以在一个对应第二平移装置13将相应钛合金板40带到打磨工位时，打磨装置15进行坡口打磨。如图4所示，预设形状的坡口包括：从底面向上延伸第一预设高度的第一垂直面41，从第一垂直面41的上端按照第一预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第二预设高度的第一倾斜面42，以及从第一倾斜面42的上端按照第二预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第三预设高度的第二倾斜面43。第二预设角度大于第一预设角度。

在本实用新型的一些实施例中，厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置还包括散热用的铜板50，设置于钛合金的下侧，铜板50为开槽铜板50，具有至少一个开槽，且对接处位于一个开槽的上侧。在一些实施例中，散热用的铜板50可由两块或多块拼接而成。在安装时，先安装铜板50，后在铜板50的上侧安装钛合金板40。

在本实用新型的一些实施例中，

激光器20的输出功率4000W至5000W，离焦量为-2mm。焊接速度为0.8～1m/min。MIG焊接装置30中，焊丝直径为1.2mm，干伸长度为15mm至20mm，脉冲模式，焊接电流为240A至280A，焊接电压为28V至31V，使用纯度为99％以上的氩气保护，气流速为25L/min至30L/min。

图5是根据本实用新型一个实施例提供的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接方法的示意性流程图，如图5所示，本实用新型实施例还提供了一种厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接方法，用于加工厚度大于或等于20mm的钛合金板40，其包括：

第一步：将钛合金板40的待焊接头加工成预设形状的坡口，预设形状的坡口包括：从底面向上延伸第一预设高度的第一垂直面41，从第一垂直面41的上端按照第一预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第二预设高度的第一倾斜面42，以及从第一倾斜面42的上端按照第二预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第三预设高度的第二倾斜面43。第二预设角度大于第一预设角度。

第二步：打磨坡口及坡口周围预设范围内，并进行清洗。

第三步：将两个待焊接头对接，且使两个第一垂直面41之间形成的对接间隙为0.38mm至0.42mm，例如对接间隙为0.4mm。

第四步：使用激光器20与MIG焊接装置30形成的复合热源进行焊接。且激光器20发射的激光束垂直入射，输出功率为4000W至5000W，离焦量为-2mm。光丝间距为2mm至3mm。焊接速度为0.8m/min至1m/min。MIG焊接装置30中，焊枪31角度(与水平面的夹角)为45°至50°，焊丝直径为1.2mm，干伸长度为15mm至20mm，脉冲模式，焊接电流为240A至280A，焊接电压为28V至31V，使用纯度为99％(如99.99％)以上的氩气保护，气流速为25L/min至30L/min。沿着焊接方向，枪嘴处于激光头21的上游侧。

进一步地，第一预设高度为1mm至4mm，第二预设高度为6mm至9mm，第三预设高度为4mm至6mm。第一预设角度为20°至30°，第二预设角度为32°至45°。预设形状的坡口还包括从第而倾斜面的上端向上延伸至顶面的第二垂直面44。第一预设高度例如为4mm，第二预设高度例如为6mm，第三预设高度例如为5mm，则第二垂直面44的高度可为5mm。

在本实用新型的一些实施例中，钛合金板40的下侧设置有散热用的铜板50，铜板50为开槽铜板50，具有至少一个开槽，且对接间隙处于一个开槽的上侧。背面添加开槽铜板50散热方式加快焊缝冷却速度，以获得良好的焊缝状态，尤其是背面焊缝。此举可以取代常用的背面氩气保护装置，减少了生产成本。采用钢丝刷或打磨器打磨坡口。坡口周围预设范围为距离坡口20mm范围内。采用钢丝刷或打磨器打磨坡口至无明显污染残留，然后利用无水乙醇或丙酮清洗进行清洗。本厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接方法可采用上述任一实施例中的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置。

本实用新型实施例可具有以下优点：针对核电、海洋工程、军工等特定行业的钛合金厚板结构件，采用特定的坡口形式和激光-MIG复合焊接方法，实现了钛合金厚板对接焊过程中打底焊单面焊接双面成型的目的，并为后续填充焊接提供了良好的基础。该实用新型实施例中的焊接方法和装置具有焊接熔深大、焊接效率高、装配要求低、焊缝性能稳定、易于实现自动焊等特点。

进一步地，背面添加开槽铜板50散热方式加快焊缝冷却速度，以获得良好的焊缝状态，尤其是背面焊缝，可以取代常用的背面氩气保护装置，减少了生产成本。仅仅用到焊枪31喷嘴自带保护气，无需添加任何辅助保护气源即可保证打底焊焊缝正反面无明显氧化现象，且焊缝无裂纹等缺陷。

根据本方法进行厚板钛合金对接焊接打底焊可以获得成型美观且正反面保护良好的焊缝，焊缝无开裂、咬边、气孔等缺陷。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (5)

1.一种厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置，用于加工厚度大于或等于20mm的钛合金板，其特征在于，包括：

焊接工作台；

第一平移装置，安装于所述焊接工作台，所述钛合金板安装于所述第一平移装置，以在所述第一平移装置的带动下沿焊接方向移动；

MIG焊接装置，安装于所述焊接工作台，所述MIG焊接装置具有焊枪；和

激光器，安装于所述焊接工作台，所述激光器具有激光头；且

所述激光头和所述焊枪的枪嘴设置于两个所述钛合金板的待焊接头的对接处的上侧，沿着所述焊接方向，所述枪嘴处于所述激光头的上游侧；

所述激光头发射的激光束垂直入射，所述焊枪的角度为45°至50°，且在所述对接处形成的激光束热源与MIG热源之间的间距为2mm至3mm。

2.根据权利要求1所述的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置，其特征在于，还包括两个第二平移装置，安装于所述第一平移装置，每个所述第二平移装置上安装有一个所述钛合金板。

3.根据权利要求2所述的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置，其特征在于，还包括：

两个坡口成型装置，安装于所述焊接工作台，以在一个对应所述第二平移装置将相应所述钛合金板带到坡口工位时，所述坡口成型装置将所述钛合金板的待焊接头加工成预设形状的坡口；和

两个打磨装置，安装于所述焊接工作台，以在一个对应所述第二平移装置将相应所述钛合金板带到打磨工位时，所述打磨装置进行坡口打磨；且

预设形状的所述坡口包括：从底面向上延伸第一预设高度的第一垂直面，从所述第一垂直面的上端按照第一预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第二预设高度的第一倾斜面，以及从所述第一倾斜面的上端按照第二预设角度倾斜向上延伸的、且延伸第三预设高度的第二倾斜面；所述第二预设角度大于所述第一预设角度。

4.根据权利要求1所述的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置，其特征在于，还包括散热用的铜板，设置于所述钛合金的下侧，所述铜板为开槽铜板，具有至少一个开槽，且所述对接处位于一个所述开槽的上侧。

5.根据权利要求1所述的厚壁钛合金激光-MIG复合焊打底层焊接装置，其特征在于，

所述激光器的输出功率4000W至5000W，离焦量为-2mm；焊接速度为0.8～1m/min；所述MIG焊接装置中，焊丝直径为1.2mm，干伸长度为15mm至20mm，脉冲模式，焊接电流为240A至280A，焊接电压为28V至31V，使用纯度为99％以上的氩气保护，气流速为25L/min至30L/min。

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