阅读说明：本技术 一种中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法 (Laser-arc hybrid welding method for medium-thickness and large-thickness high-temperature alloy structure ) 是由 刘天亮 陈金存 王贺 孙国辉 苗春林 杜娟 张益坤 张鑫 王璐 郭盛斌 杨一明 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法,焊接设备包括激光焊接系统和弧焊机,焊接材料为镍基高温合金GH4169和电铸镍；所述激光焊接系统包括振镜,所述振镜用于摆动激光,所述振镜的摆动波形为“-”形和/或“丨”形和/或“8”形和/或“∞”形。本发明提供的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法,通过采用振镜摆动激光和保护气成分控制和坡口优化和复合焊接能量配比优化的焊接方式进行激光焊接,方法实施方便有效,可以有效地抑制焊接气孔的产生,焊缝均匀且合格率高。(The invention provides a laser-arc hybrid welding method for a medium-thickness and large-thickness superalloy structure, wherein welding equipment comprises a laser welding system and an arc welding machine, and welding materials are nickel-based superalloy GH4169 and electroformed nickel; the laser welding system comprises a galvanometer, wherein the galvanometer is used for swinging laser, and the swinging waveform of the galvanometer is "-" shape and/or "|" shape and/or "8" shape and/or "∞" shape. According to the laser-arc hybrid welding method for the medium-thickness and large-thickness high-temperature alloy structure, laser welding is carried out in a welding mode of vibrating mirror swinging laser and shielding gas component control, groove optimization and hybrid welding energy ratio optimization, the method is convenient and effective to implement, welding pores can be effectively inhibited from being generated, and the welding seam is uniform and high in qualification rate.)

一种中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及一种中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法。

背景技术

激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接变形小等特点，非常适用于航天中厚结构件的高效焊接，激光及其复合焊接作为“二十一世纪最有发展潜力的先进技术之一”，已成为目前国防领域最佳先进制造手段之一，尤其是激光电弧复合焊接技术在中厚板焊接在装配条件较差焊缝中表现出了很好地应用优势。随着大推力运载火箭技术的快速发展，一些预研、在研型号纷纷采用中大尺寸和中大厚度结构，对激光焊接提出了更高的要求。

现有技术中的航天结构件在关键连接位置会存在多处激光焊接连接，焊接接头一般为带锁底接头，焊接厚度为15mm，在激光非穿透焊接状态下，因其厚度大，极易产生焊接气孔。

发明内容

为了至少解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案是提供一种中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法，通过采用振镜摆动激光和保护气成分控制和坡口优化和复合焊接能量配比优化的焊接方式进行激光焊接，方法实施方便有效，可以有效地抑制焊接气孔的产生，焊缝均匀且合格率高。

为了至少实现上述目的之一，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法，焊接设备包括激光焊接系统和弧焊机，焊接材料为镍基高温合金GH4169和电铸镍；所述激光焊接系统包括振镜，所述振镜用于摆动激光，所述振镜的摆动波形为“-”形和/或“丨”形和/或“8”形和/或“∞”形。

进一步地，保护气体为氩气和二氧化碳的组合，所述二氧化碳的含量为5％～10％。

进一步地，采用Y型坡口进行焊接，所述Y型坡口的钝边长度为3mm，角度为60°。

进一步地，所述激光焊接系统的激光热源和所述弧焊机的电弧热源的能量配比为0.83～1.33，线能量为3.384×10⁵～4.260×10⁵J/m。

进一步地，所述激光焊接系统采用JKH2020光纤激光焊接系统，所述弧焊机采用Fronius TPS5000，所述振镜的摆动头采用WWH10-N-FC150FF300。

进一步地，采用气体配比器对氩气和二氧化碳的组合焊接保护气进行成分配比，采用成分配比后的保护气体对焊接区域进行保护。

进一步地，进行打底焊的激光电弧复合焊接时，激光功率P选为2000W，电弧电流选为120A。

进一步地，进行填充层焊接的激光电弧复合焊接时，激光功率P选为3000W，电弧电流选为220A。

进一步地，具体的焊接步骤为：

a.准备焊接设备：为所述激光焊接系统增加振镜；所述振镜的激光波形选择“丨”形激光摆动；

b.加工坡口：将产品焊接接头加工钝边3mm，角度为60°的Y型坡口；

c.控制保护气体成分：采用气体配比器对氩气和二氧化碳的组合焊接保护气进行成分配比，其中二氧化碳占比为10％；采用成分配比后的保护气体对焊接区域进行保护；

d.进行正式焊接时的能量配比：选择能量配比系数进行正式焊接。

本发明提供的一种中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法，通过采用振镜摆动激光和保护气成分控制和坡口优化和复合焊接能量配比优化的焊接方式进行激光焊接；通过振镜摆动激光，可以增加熔池对流与搅拌；控制保护气成分，可以稳定焊接过程；优化坡口角度有效抑制气孔产生；优化焊接能量配比，均匀化焊缝；实现中大厚度高温合金结构的激光电弧复合焊接气孔的有效抑制。

总之，本发明提出了一种便于实施、可靠有效的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法，可对焊接气孔进行有效抑制，其具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明中镍基高温合金GH4169材料接头的坡口结构示意图；

图2为本发明中电铸镍材料接头的坡口结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下，将通过具体实施例对本发明提供的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法作详细说明：

本发明提供的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法中使用的焊接设备采用JKH2020光纤激光焊接系统，弧焊机采用Fronius TPS5000，焊接材料为镍基高温合金GH4169和电铸镍。

上述激光焊接系统还包括振镜，振镜摆动头采用WWH10-N-FC150FF300。采用振镜摆动激光，在激光焊接中加入摆动，激光对焊缝的往复摆动一方面使部分焊缝发生反复重熔，延长了焊接熔池液态金属停留的时间；同时，激光的偏转也增加了单位面积输入热，减小了焊缝的深宽比，有利于气泡的浮出，从而起到消除气孔的作用。另一方面激光的摆动导致小孔随之摆动，又可以起到对焊接熔池提供一个搅拌力的作用，加大了焊接熔池的对流与搅拌，对消除气孔起到有利作用。

振镜摆动波形根据实际工况和需要可采用“-”形、“丨”形、“8”形和“∞”形；摆动波形优选为“-”形和“丨”形摆动激光；“8”形和“∞”激光摆动在焊接时均有重复熔化焊缝的过程，热输入量总体大于“-”形和“丨”形激光摆动，“-”形和“丨”形激光摆动可防止焊接过程中电铸身部铜镍结合面过热开裂。

本发明提供的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法中对保护气体成分进行控制，采用氩气和二氧化碳的组合对焊接区域进行保护。相比较纯氩气作为保护气体时，表面焊缝纹路不够平整，余高中部有较明显的隆起，焊道存在咬边的问题；本发明提供的焊接方法中由于二氧化碳的加入，焊缝表面的光洁度得到较明显的改善，焊缝纹路也趋于平整，焊道边缘平直。优选的，二氧化碳的含量选择为5％～10％，此比例下熔滴过渡方式为较稳定的喷射过渡，具有较好的工艺稳定性，得到的焊缝均成形美观，无明显飞溅。

本发明提供的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法中，采用钝边长度为3mm，角度为60°的Y型坡口进行焊接。相较于采用钝边长度为4mm，角度为80°的Y型坡口，本发明采用的Y型坡口，钝边厚度较小，即气体上浮的距离也较小，这样利于熔池中的气体及时逸出，可以有效地抑制焊接气孔的产生。

本发明提供的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法中，激光热源和电弧热源的能量配比为0.83～1.33，线能量为3.384×10⁵～4.260×10⁵J/m。由于打底焊的主要任务是焊透钝边，因此激光热源起主要作用，应选用较大功率；而电弧热源的规范应适当小些，以避免其对激光的屏蔽作用可能导致的气孔缺陷。在线能量选取合适的情况下，能量配比的数值较小时，将由于激光能量过低而难以熔透钝边，导致气孔无法有效排出；或者由于电弧热源的规范过大导致激光焊接过程中匙孔不稳定，形成较多工艺气孔。本发明的焊接方法通过对复合焊接能量配比优化，可有效抑制气孔的产生。

根据本发明提供的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法对中大厚度航空结构件进行焊接的具体步骤介绍如下：

1.准备焊接设备：激光焊接设备采用JKH2020光纤激光焊接系统，弧焊机采用Fronius TPS5000，产品焊接接头采用镍基高温合金GH4169与电铸镍焊接。给上述激光焊接设备增加振镜。振镜摆动头采用WWH10-N-FC150FF300，振镜激光波形选择“丨”形激光摆动。

2.加工坡口：如图1和2所示，将GH4169和电铸镍的焊接材料，加工钝边3mm，角度为60°的Y型坡口。

3.控制保护气体成分：采用气体配比器对氩气和二氧化碳的组合焊接保护气进行成分配比，其中二氧化碳占比为10％；采用成分配比后的保护气体对焊接区域进行保护；

4.正式焊接时能量配比：进行打底焊时采用激光电弧复合焊接，激光功率P选为2000W，电弧电流选为120A；进行填充层焊接时采用激光电弧复合焊接，激光功率P选为3000W，电弧电流选为220A。

本发明提供的一种中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法，焊接完成后，焊缝对中、连续、光滑、无凹陷，焊缝内部质量高，合格率可达98％以上。通过采用振镜摆动激光和保护气成分控制和坡口优化和复合焊接能量配比优化的焊接方式进行激光焊接，方法实施方便有效，可以有效地抑制焊接气孔的产生，焊缝均匀且合格率高。

总之，本发明提出了一种便于实施、可靠有效的中大厚度高温合金结构激光电弧复合焊接方法，可对焊接气孔进行有效抑制，其具有广泛的应用前景。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。