钛合金激光焊接工作头研制

摘要

钛合金以其密度小、比强度和比刚度高、耐腐蚀性好等优点，广泛应用于航空工业、宇航工业、造船工业等方面。相比于其他普通焊接技术，激光焊接具有能量密度高、焊缝成形好，操作简单、生产效率高等优点。 钛合金材料具有较高化学活性，在高温条件下容易与空气中的氧、氢、氮发生反应，降低焊缝的机械性能，焊缝高温区保护是钛合金激光焊接要解决的关键问题。现有钛合金激光焊接装置结构复杂，保护装置必须接近待焊试样表面，在应用于中有其局限性。另外，根据激光焊接特点，激光焊接过程中产生飞溅与烟气容易污染聚焦透镜，为保护聚焦透镜，必须采用横向气帘喷嘴将飞溅与烟气吹除，现有横向气帘多为直管或窄缝形式，这种结构喷嘴吹出气流速度低，不能有效吹除飞溅物，同时由于气流喷出后形成负压区，引起焊接区周围空气的扰动，将空气卷入焊接保护气中，影响焊接效果。 本文首先采用高速摄像等实验方法对激光焊接过程中产生飞溅颗粒质量和运动速度进行了研究，计算吹除飞溅颗粒需要最小气流速度接近音速，利用拉伐尔结构原理，设计超音速横向气帘，其喷射腔为非轴对称拉伐尔结构。纹影实验表明气帘吹出气体为平直层流，气流影响范围小。激光焊接实验证明，设计超音速横向气帘可有效吹除飞溅粒子，实现对激光器聚焦透镜的保护。 根据焊接传热学并结合高速摄像观察激光焊接钛合金过程，对钛合金激光焊接高温焊缝保护范围进行估算，确定钛合金保护喷嘴结构尺寸。设计钛合金激光焊接保护喷嘴由主保护喷嘴与附加保护喷嘴构成，主保护喷嘴吹出气体控制激光焊接过程中产生等离子体和保护焊接熔池，附加保护喷嘴吹出气体保护焊缝高温区域。通过纹影仪研究喷嘴不同气体流量时气体流态，主保护喷嘴与附加保护喷嘴保护气体均为层流，相互之间不会发生干扰，其层流长度可达25mm。 应用所设计钛合金焊接头进行激光焊接实验，实验结果表明，使用SlabCO2激光器，激光功率为3500W，焊接速度从2m/min到6m/min变化时，喷嘴距焊接试样10mm以下时，调整保护气体流量均可获得保护良好焊缝。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

第2章激光焊接横向气帘设计

第3章钛合金激光焊接喷嘴设计

第4章钛合金激光焊接实验研究

结论

参考文献

攻读硕士学位期间获得科技成果

致谢