一种改善薄板钛合金拼焊装配裕度的激光焊接工艺

本发明提出的一种改善薄板钛合金拼焊装配裕度的激光焊接工艺，属于高能束焊接技术领域，适用于具有平面装配间隙或间隙不稳定条件下薄板钛合金的拼焊。

背景技术：

钛合金具有高强度重量比和良好的抗腐蚀、抗蠕变性能，已广泛应用于航空航天、核能、交通运输、生物医药等工业领域。激光深熔焊具有热输入小、焊接变形小、热影响区窄、晶粒组织细化等优点，特别适用于薄板钛合金构件的拼焊。

然而在实际焊接生产中，由于机加毛刺、工装误差及焊接热变形容易导致薄板钛合金焊接装配间隙不稳定、局部间隙变大，采用常规的激光焊接工艺及参数容易造成焊偏、焊漏等问题，从而严重削弱了焊接质量，大大提高了产品的不良率。

针对上述问题，目前国内外主要采取激光填丝焊接工艺，利用焊丝熔滴的填隙作用形成液桥，获得了较好焊缝成形质量与力学性能，有效降低了间隙敏感性。但是对于构件轻量化及焊接工序有严格要求的生产场合，填丝导致的结构件增重与焊后机加不被允许；此外，激光填丝工艺额外增加了设备投入，提高了生产成本。

目前，纯激光焊接工艺条件下的薄板钛合金装配裕度问题尚未得到较好的解决，一定程度上制约了激光拼焊技术发展。

技术实现要素：

鉴于背景技术的局限性，本发明提出一种改善薄板钛合金拼焊装配裕度的激光焊接工艺，能够在不填丝的条件下，大大降低拼焊间隙导致的薄板钛合金焊偏与焊漏问题，获得有效、连续、均匀的焊缝成形，具有可靠性高、灵活性好、成本低等优点。

本发明的技术方案为：

一种改善薄板钛合金拼焊装配裕度的激光焊接工艺，采用厚度为1.2mmti6al4v钛合金薄板作为焊接母材；采用i型对接接头形式，拼焊装配间隙为0.2-0.3mm；采用低频脉冲激光作为焊接热源，激光功率为2.2-2.4kw，焊接速度为1.8m/min，脉冲频率为20hz，占空比为0.6，离焦量为0，焦点光斑直径为700μm，保护气为纯ar，表面流量为30l/min，背面流量为15l/min。

进一步地，所述的薄板钛合金装配间隙采用塞尺进行设定，以模拟实际焊接过程因工件机加毛刺、装配误差、热变形等因素导致的间隙变化。

进一步地，所采用的激光焊接设备为trumpftrudisc4001碟片式激光器，最大输出功率为4kw，波长为1030nm，最大调制频率为5010hz，光束质量为4mm×mard。

进一步地，所述焦点光斑直径为通过调节激光焊炬内置的光路镜片，对激光焦点光斑尺寸进行直接调节。对于不具备该功能的激光器，可以通过改变离焦量的方法增大工件表面光斑直径。

进一步地，放大光斑直径的同时需要适当调高激光功率以保证足够的激光功率密度。

进一步地，焊接完成后，对焊缝宏观成形以及横截面金相形貌进行制样、拍摄。

本发明的有益效果为：首先，较大的激光光斑能够弥补装配间隙造成的热输入损失，在焊接过程中保证足够的金属熔化量形成液桥。其次，脉冲模式激光显著提高了熔池的冷却速率，防止大面积液桥在缓慢冷却过程中大幅收缩形成间断的“纽扣孔(buttonhole)”现象。因此，该工艺能够有效降低钛合金薄板激光拼焊间隙敏感性，显著改善焊缝成形质量。

附图说明

图1钛合金薄板激光焊接示意。

图2脉冲激光波形。

图3实施例1-2焊缝表面及背面宏观形貌

图4实施例1-2焊缝横截面金相形貌

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

采用1.2mmti6a14v钛合金薄板作为焊接母材，通过线切割将试样规格加工至100mm×50mm，坡口为i型，接头形式为平面对接；采用酒精进行工件的焊前清理，工装过程借助塞尺将装配间隙设置为0.2mm。

焊接采用trumpftrudisc4001碟片式激光器，激光功率2.2kw，焊接速度1.8m/min，脉冲频率20hz，占空比0.6，离焦量0，焦点光斑直径700μm，脉冲波形为激光器默认波形，如图2所示；保护气为纯ar，表面流量为30l/min，背面流量为15l/min。

焊后对焊缝表面及根部成形进行拍摄；通过线切割、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀等流程制备焊缝金相试样，拍摄横截面金相形貌。

实施例2

采用1.2mmti6a14v钛合金薄板作为焊接母材，通过线切割将试样规格加工至100mm×50mm，坡口为i型，接头形式为平面对接；采用酒精进行工件的焊前清理，工装过程借助塞尺将装配间隙设置为0.3mm。

焊接采用trumpftrudisc4001碟片式激光器，激光功率2.4kw，焊接速度1.8m/min，脉冲频率20hz，占空比0.6，离焦量0，焦点光斑直径700μm，脉冲波形为激光器默认波形，如图2所示；保护气为纯ar，表面流量为30l/min，背面流量为15l/min。

焊后对焊缝表面及根部成形进行拍摄；通过线切割、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀等流程制备焊缝金相试样，拍摄横截面金相形貌。

实施例1-2所得到的焊接接头表面及背面形貌如图3所示，横截面金相形貌如图4所示。可以看出，在0.2mm对接间隙条件下，焊缝表面均呈现较高的连续性、均匀性，背面完全熔透，相邻焊趾之间熔合良好，未出现焊偏、焊漏、纽扣孔、飞溅等现象；从截面形貌来看，焊缝表面及根部出现少量凹陷，为液态金属填隙的结果，焊缝表面熔宽略大于根部熔宽，未观察到明显的气孔、裂纹、未熔合等内部缺陷。当对接间隙增大至0.3mm时，焊缝形貌与缺陷控制仍维持在较高水平。

实施例结果分析表明，本发明所提出的基于大光斑、脉冲模式的激光焊接工艺及参数能够解决薄板钛合金激光拼焊装配间隙敏感性问题，在提高装配裕度的同时得到良好的焊缝成形质量，有效装配间隙与板厚的比值达到25％。本发明对于推动激光焊接工艺的发展，促进激光焊接在薄板拼焊领域广泛应用提供了一项重要的技术参考，具有潜在的经济与社会效益。

以上所述，仅是本发明的部分实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本专业领域的人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：

1.一种改善薄板钛合金拼焊装配裕度的激光焊接工艺，其特征在于：焊接母材为1.2mm厚的ti6al4v钛合金薄板，采用i型对接接头形式，拼焊装配间隙为0.2-0.3mm；采用大光斑低频脉冲激光作为焊接热源，激光功率为2.2-2.4kw，焊接速度为1.8m/min，脉冲频率为20hz，占空比为0.6，离焦量为0，焦点光斑直径为700μm，保护气为纯ar，表面流量为30l/min，背面流量为15l/min。

2.根据权利要求1所述的一种改善薄板钛合金拼焊装配裕度的激光焊接工艺，其特征在于：脉冲激光波形为trumpftrudisc4001碟片式激光器默认波形，通过调节激光焊炬内置的光路镜片，对焦点光斑尺寸进行调节放大。

技术总结
本发明公开了一种改善薄板钛合金拼焊装配裕度的激光焊接工艺，属于高能束焊接技术领域。该工艺针对薄板激光拼焊过程因机加毛刺、装配误差、热变形等因素导致的坡口间隙不稳定，进而产生焊偏、漏焊等问题，采用低频脉冲激光作为焊接热源，同时配合较大的焦点光斑尺寸，在获得足够的填隙金属量的同时提高了焊点冷却速率，实现了1.2mm厚度薄板钛合金在0.2‑0.3mm拼焊装配间隙条件下的不填丝激光焊接，焊缝连续性与均匀性良好，无明显焊接缺陷，有效装配间隙达到了板厚的25％。该工艺能够在显著降低薄板金属激光焊接间隙敏感性，改善焊缝成形质量。本发明对于促进激光焊接工艺在薄板拼焊领域的应用与发展具有重要意义。

技术研发人员：陈纪城;杜心伟;孔斌;陈小梅;魏艳红;刘学军
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.06.01
技术公布日：2021.08.13