(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109604831 A(43)申请公布日 2019.04.12
(21)申请号 201811595516.X(22)申请日 2018.12.25
(71)申请人 上海交通大学
地址 200030 上海市徐汇区华山路1954号(72)发明人 李芳 周洋 孔谅 李兴宇 王敏
华学明 (74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限
公司 31225
代理人 刘燕武(51)Int.Cl.
B23K 26/348(2014.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图4页
(54)发明名称
用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺
(57)摘要
本发明涉及一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，沿焊接方向，位于前面的焊枪为超高频脉冲TIG焊枪，位于后面的焊枪为激光头，且两个焊枪的间距为1-9mm，实现共熔池焊接。与现有技术相比，本发明利用TIG高频脉冲压缩电弧的电磁搅拌增强了熔池流动性，延长了焊缝冷却时间，可充分抑制高速焊接或者某些激光功率下的咬边问题，焊缝成形良好，焊接速度可达6m/min，而且接头质量优良。
CN 109604831 ACN 109604831 A
权 利 要 求 书
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1.用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，其特征在于，固定激光头与TIG焊枪，移动工件进行焊接，定义沿焊接方向，位于前面的焊枪为TIG焊枪，位于后面的焊枪为激光头，且两个焊枪的间距为1-9mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，其特征在于，激光头的功率为1400-2200W，离焦量为25mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，其特征在于，TIG焊枪所通的焊接电流与工件的厚度之比为60～75A/mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，其特征在于，TIG焊枪采用的为输出脉冲电流频率最高可达40kHZ的超高频脉冲TIG焊枪。
5.根据权利要求1所述的一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，其特征在于，焊接过程中，TIG焊枪输出的脉冲电流的频率为10-30kHZ。
6.根据权利要求1所述的一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，其特征在于，激光头底端离工件的垂直距离为310mm，TIG焊枪的钨极尖端离工件的距离为2～3mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，其特征在于，焊接过程中，激光头朝后方倾斜，且其中心轴线与垂直于工件的法线方向的夹角为5°，TIG焊枪向前方倾斜，其与工件表面之间的夹角为45°。
8.根据权利要求1所述的一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，其特征在于，对于工业纯钛TA2材质工件的无坡口对接焊，不填丝，工件之间的焊接间隙为0～0.1mm。
9.根据权利要求1所述的一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，其特征在于，焊接过程中，TIG焊的氩气流量为15～20L/min，背保护的氩气流量为15～20L/min。
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CN 109604831 A
说 明 书
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用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接
工艺
技术领域
[0001]本发明属于金属焊接技术领域，涉及一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺。
背景技术
[0002]钛及钛合金凭借其比强度高、密度小和良好的耐腐蚀性能，广泛应用于汽车、生物医疗、航空航天、石油化工、海洋工程等领域。激光焊具有能量密度集中、热影响区小、自动化程度高等特点，适用于钛及钛合金薄板的焊接。但在高速焊接条件下或者某种特定的激光功率下，由于焊接速度大时，热输入量小，冷却速度快，液态金属来不及向焊缝两边填充就已经凝固，焊缝就会出现严重的咬边问题。[0003]激光TIG复合焊可有效增加焊缝熔深，提高焊接速度，抑制高速焊接条件下的缺陷。最早是在上个世纪70年代末由英国伦敦帝国大学的Steen教授提出，该方法是将激光和电弧这两种热源相结合进行焊接。能够克服激光焊和电弧热源的不足，改善了焊缝成型，抑制了焊接缺陷。[0004]2014年，中国激光文献“薄板钛合金光纤激光-TIG电弧复合焊接工艺研究”提出加入电弧后，热输入量增加，焊缝和热影响区宽度变大。缺点是焊缝背面咬边仍然存在并且焊接速度慢，效率较低。[0005]2015年，焊接技术文献“TA15钛合金激光-电弧复合热源焊接工艺优化”研究发现激光功率和焊接速度对焊接质量的影响最为显著。缺点是焊接速度慢，并且采用了冷填丝的方式，增加了成本。
[0006]上述两种方法各有优缺点，但总的来说焊接效率偏低，改善咬边缺陷的效果有限。因此，提高工作效率，解决咬边问题，获得质量可靠的接头，对于钛及钛合金薄板的焊接具有十分重要的意义。
发明内容
[0007]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，在激光焊基础上，加入超高频脉冲TIG焊，可输出最大脉冲频率为40kHZ的高频电流，高频电流对焊接熔池的液态金属有强烈的电磁搅拌作用，延长了焊缝的冷却时间，使得液态金属有更长的时间向焊缝两边铺展，可充分抑制高速焊接或者某些激光功率下的咬边问题，焊缝成形良好，焊接速度可达6m/min，而且接头质量优良。
[0008]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：[0009]用于改善钛及钛合金薄板激光焊咬边的激光TIG复合焊焊接工艺，固定激光头与TIG焊枪，移动工件，且定义沿焊接方向，位于前面的焊枪为TIG焊枪，位于后面的焊枪为激光头，且两个焊枪的间距为1-9mm。
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CN 109604831 A[0010]
说 明 书
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激光头的功率为1400-2200W，离焦量为25mm。
[0011]TIG焊枪为可输出最大脉冲频率为40kHZ的高频电流超高频脉冲TIG焊。TIG焊枪所通的焊接电流与工件的厚度之比为60～100A/mm，优选60～75A/mm。焊接速度一定条件下，一定程度下，工件越厚，所需要的TIG焊焊接电流越大，当焊接电流与工件的厚度之比不在该范围时，工件可能会出现未焊透或者烧穿的现象。当焊接速度为4.8～6m/min，工件厚度δ＝0.8～1.5mm时，TIG焊焊接电流为I为50-110A。[0012]焊接过程中，TIG焊枪输出的高频脉冲电流的频率为10-30kHZ。[0013]激光头底端离工件的垂直距离为310mm，TIG焊枪的钨极尖端离工件的距离为2～3mm。
[0014]焊接过程中，激光头朝后方倾斜，且其中心轴线与垂直于工件的法线方向的夹角为5°，TIG焊枪向前方倾斜，其与工件表面之间的夹角为45°。[0015]对于工业纯钛TA2材质工件的无坡口对接焊，不填丝，工件之间的焊接间隙为0～0.1mm。
[0016]焊接过程中，TIG焊的氩气流量为15～20L/min，背保护的氩气流量为15～20L/min。
[0017]与现有技术相比，本发明加入的是超高频脉冲TIG焊，高频电流对焊接熔池的液态金属有强烈的电磁搅拌作用，延长了焊缝的冷却时间，使得液态金属有更长的时间向焊缝两边铺展，改进了焊接方式，此外，还对焊接过程中的各工艺参数进行了优化改进，不仅可有效消除咬边缺陷，同时还增加了焊接速度，使得整个焊接效率相比于激光焊焊接提高了150％左右，且无需填丝，降低了焊接成本，可以有效解决一般焊接的咬边问题，保证了焊接质量。
附图说明
[0018]图1为本发明进行焊接时的示意图；
[0019]图2为激光焊时激光功率对焊缝成形影响的示意图；[0020]图3为激光焊时焊接速度对焊缝成形影响的示意图；[0021]图4为本发明的激光TIG复合焊的焊缝成形示意图；[0022]图5为不同焊接方式在高速摄影下的熔池图；[0023]图中，1-激光头，2-TIG焊枪，3-工件。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。[0025]参见图1，本发明的钛及钛合金薄板的高效焊接工艺为激光TIG复合焊，具体是固定激光头1和TIG焊枪2，移动工件3从而实现焊枪对工件的焊接，同时，沿焊接方向，放在前面的焊枪即为TIG焊枪2，另一把放在后面的焊枪即为激光头1，激光头1和垂直于工件的法线的夹角为θ，TIG焊枪2与工件之间的夹角为β，两个焊枪的电极间距记为D。激光作为主热源对焊缝起到熔透的作用，TIG焊电弧主要是起到预热及熔池搅拌作用。
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CN 109604831 A[0026]
说 明 书
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以下实施例中，TIG焊枪为可输出最大脉冲频率为40kHZ的高频电流的TIG焊枪，焊
接过程中，TIG焊枪输出的高频脉冲电流的频率为10-30kHZ。[0027]实施例1
[0028]下面以焊接0.9mm厚的纯钛TA2薄板为例进行详细说明。[0029]根据以上的工艺流程，采用激光TIG复合焊工艺，设备为IPG YLS-10000多模光纤激光器和KUKA KRC2焊接机器人，焊接电源采用新威MPT-500D，钨棒直径3.2mm，保护气体为纯度99.9％的氩气，气体流量18L/min。[0030]1、焊前准备
[0031]根据实际焊接需要调整焊枪角度和电极间距；本例激光头1倾斜角度θ＝5°，TIG焊焊枪2倾斜角度β＝45°，热源间距D＝5mm。[0032]2、调试焊接参数[0033]设置激光器参数，激光功率2200W，离焦量为25mm，激光头1距工件3的垂直距离是310mm，焊接速度5.1m/min；TIG焊焊接电流I为54A，钨极尖端到工件3距离2mm左右，然后进行焊接。
[0034]最后对本实施例所得到的对接焊缝的外观进行分析，正面焊缝、背面焊缝良好，无明显咬边。[0035]综上，本实施例的激光TIG复合焊焊接工艺方法有如下优点：[0036](1)焊接钛及钛合金薄板时，焊接速度大大提高了，与激光焊相比，焊接效率提高了150％以上。[0037](2)保留了激光焊的优点，焊接过程稳定，消除了激光焊中出现的咬边问题。[0038]参照上述实施例1，采用纯激光焊并调整不同激光功率下对工件进行焊接，焊接效果如图2所示。在焊接速度为5.1mm/min，激光功率P＝1400或者1600W时，未焊透，激光功率P＝1800W时，临界焊透，在激光功率P达到2000W时，虽然实现了全熔透，但出现了非常严重的咬边问题，咬边深度达到128.57μm，激光功率P继续增大时，咬边现象反而开始有减小的趋势，直至功率增大到2600W时咬边缺陷已经几乎可以忽略。[0039]参见图3，当采用钛及钛合金薄板的激光焊焊接工艺方法在不同焊接速度下进行焊接，在激光功率P为2000W时，焊接速度较小时没有出现咬边，焊接速度增大为4.5-5.1m/min时出现较为严重咬边问题，最大咬边深度达到130.66μm，继续增大焊接速度则无法焊透。可见，焊接速度超过4.5m/min时，咬边问题较为突出。[0040]上述两组试验说明：纯激光焊高速焊接时，咬边现象严重。[0041]参见图4(a)中的三组样品，当采用参照以上实施例中的钛及钛合金薄板的激光TIG复合焊焊接工艺方法在不同激光功率下进行焊接，在焊接速度5.1m/min，TIG焊枪所通的焊接电流与工件的厚度之比为60～75A/mm时，当激光功率P为1800W，咬边深度为10.82μm。激光功率P达到1400W时，咬边深度为14.23μm，激光功率P继续增大到2200W时，咬边深度为10.99μm，均小于0.1δ，咬边合格。[0042]参见图4(b)的三组样品，当采用参照以上实施例中的钛及钛合金薄板的激光TIG复合焊焊接工艺方法在不同焊接速度下进行焊接，在激光功率P为2000W，TIG焊枪所通的焊接电流与工件的厚度之比为60～75A/mm，当焊接速度为4.8-5.7m/min时，咬边深度都没超过23μm，均小于0.1δ，咬边合格。
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参见图5，其中，(a)和(b)两部分分别代表纯激光焊和本发明的复合焊在高速摄影
下的熔池图，可见，纯激光焊时，由于小孔的存在，在刚刚能焊透的功率下，熔池中心温度与熔池边缘温度差别不大，中心和边缘的表面张力差值不大，而该表面张力差值正是液态金属向边缘铺展的动力，再加上此时在没有填充金属，小孔向下挖掘的力相对较大，因此熔池产生塌陷，从而表现出咬边较为严重。再者，由于焊接速度大时，热输入量相对小，冷却速度快，液态金属来不及向焊缝两边填充就已经凝固，因此表现为咬边较为严重；辅助热源TIG高频脉冲压缩电弧的电磁搅拌增强了熔池流动性，让液态金属能够更好地向焊缝两边铺展，延长了焊缝冷却时间。
[0044]通过上述实施例可知，在本发明的特定焊接工艺下，焊接速度相比于常规焊接大大提升，可达到6m/min左右，而且接头质量优良，可充分抑制咬边问题，焊缝成形良好。[0045]实施例2
[0046]与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，焊接工艺参数控制为：[0047]TIG焊枪1的氩气流量15L/min，背保护的氩气流量为15L/min。焊接电流为67.5A，电极尖端距工件3距离2-3mm左右；激光功率为1400W，离焦量为25mm，激光头1距工件3的垂直距离是310mm，焊接速度4.8m/min，热源间距在D＝1mm，激光头1的倾斜角度θ＝5°，TIG焊枪2的倾斜角度β＝45°。[0048]实施例3
[0049]与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，焊接工艺参数控制为：[0050]TIG焊枪1的氩气流量18L/min，背保护的氩气流量为18L/min。焊接电流为65A，电极尖端距工件3距离2-3mm左右；激光功率为1800W，离焦量为25mm，激光头1距工件3的垂直距离是310mm，焊接速度6m/min，热源间距在D＝9mm，激光头1的倾斜角度θ＝5°，TIG焊枪2的倾斜角度β＝45°。[0051]实施例4
[0052]与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，焊接工艺参数控制为：[0053]工件厚度为1.5mm，TIG焊枪1的氩气流量20L/min，背保护的氩气流量为20L/min。焊接电流为110A，电极尖端距工件3距离2-3mm左右；激光功率为2200W，离焦量为25mm，激光头1距工件3的垂直距离是310mm，焊接速度5.2m/min，热源间距在D＝6mm，激光头1的倾斜角度θ＝5°，TIG焊枪2的倾斜角度β＝45°。
[0054]上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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说 明 书 附 图
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