一种针对Ti-6Al-4V钛合金平板焊缝气孔清除的焊接配件机构及HPVP-GTAW焊接方法

摘要

本发明公开了一种针对Ti-6Al-4V钛合金平板焊缝气孔清除的焊接配件机构及脉冲焊接方法，焊接配件机构由二自由度转台和拖斗组成，二自由度转台和拖斗与焊枪连接，二自由度转台实现拖斗姿态调节。保护氩气经拖斗流入流出后作用到工件的焊缝处，能够保证焊接过程中焊后区域完全处于氩气保护气氛中。本发明脉冲焊接方法通过设置合理的脉冲焊接参数和特定焊接工艺，实现Ti-6Al-4V钛合金超高频脉冲焊接，在焊接过程中，有效清除Ti-6Al-4V钛合金平板对接焊缝的气孔，达到无气孔氩弧焊接，确保焊缝成形质量。

说明书

技术领域

本发明涉及超高频脉冲焊接技术领域，更特别地说，是指一种对Ti-6Al-4V钛合金平板焊接气孔清除，主要采用超高频脉冲焊接技术达到焊缝气孔清除效果，通过合理的脉冲焊接工艺和焊接配件机构，有效地消除了Ti-6Al-4V钛合金材料焊缝气孔，保证焊缝质量。 

背景技术

钛合金具有较高的比刚度、优异的抗腐蚀性能，同时具有密度小，耐热性、韧性和焊接性好等特点，在航空航天、车辆工程、石油化工等各个领域应用广泛。其焊接技术和工艺决定了焊缝成形质量和工件性能，目前使用的钛合金中有50%为α+β双相Ti－6Al－4V钛合金。钛合金的传统焊接方法是采用直流钨极氩弧焊，在生产实践中，钛合金传统氩弧焊焊件气孔敏感性极高，尤以氢气孔最为严重，这将直接影响焊件使用寿命，成为Ti－6Al－4V钛合金氩弧焊接的瓶颈，目前工程及试验研究多采用严格的焊前处理及工艺流程来解决，如机械加工清除氧化膜、超声波清理等等，但依然很难获得优质的焊缝成形。 

脉冲钨极氩弧焊（P-TIG，所述P-TIG是Pulsed-TIG的简写），它是由焊接电源向电弧提供按一定规律变化的脉冲电流进行焊接的方法。焊接过程是由基本电流维持电弧稳定燃烧，用可控的脉冲电流加热熔化工件，每一个脉冲形成一个点状熔池，脉冲间隙熔池凝固成焊点，下一个脉冲电流作用时，在已部分凝固的焊点上又有部分填充金属和母材金属被熔化，形成新的熔池，通过焊速和脉冲间隙的调节，得到相互搭接的焊点，最后获得连续焊缝。脉冲钨极氩弧焊是通过调节脉冲频率、脉冲宽度比、脉冲电流值等参数来控制热输入量的大小进行控制熔池的体积、熔深、热影响区大小，最后达到完美的焊缝成形。 

复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊技术（HPVP-GTAW，hybrid pulse variable polarity gastungsten arc welding）是在变极性焊接方法基础上发展起来的一种优质高效的新型电弧焊接工艺，该工艺在超快速电流极性变换（di/dt≥50A/μs）的基础上加入百安培以上的超高频脉冲方波电流（脉冲频率≥20kHz）。如图1所示的常规超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊的系统结构图，图中，控制柜一方面通过焊枪运 动指令控制焊枪运动机构作运动，另一方面通过工件台运动指令控制工件运动机构作运动，工件运动机构上安装有工件平台，工件平台用于放置被焊接的工件，焊枪安装在焊枪运动机构上，超高频脉冲焊接电源用于提供焊接工件所需的工艺参数。 

发明内容

本发明的目的之一是提出一种针对Ti-6Al-4V钛合金平板焊缝气孔清除的脉冲焊接方法，该脉冲焊接方法在常规焊前处理条件下，有效清除Ti－6Al－4V钛合金平板对接焊缝的气孔，确保焊缝成形质量，其主要用途在于实现Ti－6Al－4V钛合金无气孔氩弧焊接。通过设定脉冲焊接参数，特定工艺流程，实现Ti－6Al－4V钛合金超高频脉冲焊接，通过与常规氩弧焊对比发现，焊缝成形质量好，气孔敏感性显著降低，焊缝氢气孔得到有效遏止。该方法采用HPVP-GTAW技术达到焊缝气孔清除效果，通过合理的脉冲焊接工艺，有效消除Ti－6Al－4V钛合金加工成平板材料时的焊缝气孔，保证焊缝质量。 

本发明的目的之二是提供一种适用于HPVP-GTAW的焊接配件机构，该焊接配件与现有的超高频脉冲钨极氩弧焊设备结合使用。焊接配件用于实现在已有焊枪三自由度运动系统的基础上，设计完成二自由度转台及辅助气体保护，二自由度转台实现拖斗在工件的X轴、Y轴方向的运动，保护气将从焊枪、工件背部及焊枪行进后方三个方向提供保护氛围，其中焊枪行进后方将通过拖斗实现保护，二自由度转台将主要实现拖斗姿态调节，保证焊接过程中焊后区域完全处于气体保护氛围中。 

本发明是一种针对Ti-6Al-4V钛合金平板焊缝气孔清除的焊接配件机构，所述焊接配件机构添加在超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊系统中；该焊接配件机构包括有焊台（1）、拖斗（3）、二自由度转台（5）和连接板（6）； 

焊台（1）的一端设有保护气入口（1B）、焊台（1）的另一端设有保护气出口（1A），保护气入口（1B）与保护气出口（1A）之间是氩气通道（1C），氩气通道（1C）上设有小孔，该小孔用于氩气排出；焊台（1）的四个角上设有通孔（1D），通过在该通孔（1D）中放置螺钉实现将焊台（1）与工作台固定； 

连接板（6）分别安装在焊枪运动机构和第二外面罩（5G）上； 

拖斗（3）的一端是套筒（3B）、该套筒（3B）的中心是通孔（3G），该中心通孔（3G）用于放置焊枪（4）的枪头，焊枪（4）的枪头套接在 套筒（3B）的中心通孔（3G）后通过紧顶钉（3A）锁紧； 

拖斗（3）的上板面（3H）上设有气流入口（3C），该气流入口（3C）用于与氩气设备连接，实现将氩气设备中的氩气导入拖斗（3）的导流腔中。所述导流腔是由气流入口（3C）、第一导流通道（3D）和第二导流通道（3E）构成；氩气经气流入口（3C）流入后，扩散到第一导流通道（3D），最后经第二导流通道（3E）流出； 

二自由度转台（5）上设有托架（5A）、第一支架（5B）、第二支架（5C）、第一电机（5D）、第二电机（5E）、第一外罩（5F）、第二外罩（5G）、挡板（5H）、第一蜗杆（5J）、第一连接轴（5K）、第一蜗轮（5L）、第二蜗杆（5M）、第二连接轴（5N）、第二蜗轮（5P）； 

托架（5A）的中部是下凹部（5A1），该下凹部（5A1）用于放置焊枪（4）的长筒；托架（5A）通过螺钉安装在第一支架（5B）的第一横板（5B1）上； 

第一支架（5B）为U形结构；第一支架（5B）上设有第一横板（5B1）、第一支臂（5B2）和第二支臂（5B3）；第一支臂（5B2）的端部与第二支架（5C）的第三支臂（5C2）的端部通过螺钉固定安装；第二支臂（5B3）的端部与第二支架（5C）的第四支臂（5C3）的端部通过螺钉固定安装；第一横板（5B1）的底部通过螺钉实现与托架（5A）两端的连接； 

第一支架（5B）的第二支臂（5B3）的内侧板面上通过螺钉固定有挡板（5H）。挡板（5H）与第一外罩（5F）固定安装，所述第一外罩（5F）内放置有第一蜗杆（5J）、第一连接轴（5K）和第一蜗轮（5L）； 

第二支架（5C）为U形结构；第二支架（5C）上设有第二横板（5C1）、第三支臂（5C2）和第四支臂（5C3）。第三支臂（5C2）的端部第一支架（5B）的第一支臂（5B2）的端部通过螺钉固定安装；第四支臂（5C3）的端部与第一支架（5B）的第二支臂（5B3）的端部通过螺钉固定安装；第二横板（5C1）的外侧板面上通过螺钉固定有第二外罩（5G）的一端，第二外罩（5G）的另一端安装在连接板（6）上，连接板（6）与焊枪运动机构固定；第二外罩（5G）内放置有第二蜗杆（5M）、第二连接轴（5N）和第二蜗轮（5P）； 

第二外罩（5G）为中空结构，第二外罩（5G）的前板面（5G1）与第二支架（5C）的第二横板（5C1）的外侧板面固定，第二外罩（5G）的后板面（5G2）与连接板（6）连接； 

第二外罩（5G）的后板面（5G2）的中心位置设有轴孔（5G3），该 轴孔（5G3）用于放置第二蜗杆（5M）的一端，置入轴孔（5G3）内的第二蜗杆（5M）的一端通过键卡紧实现第二蜗杆（5M）与第二外罩（5G）的固定。 

挡板（5H）的中心设有一轴孔，该轴孔用于安装第一蜗杆（5J）的一端。第一蜗杆（5J）的一端与轴孔的安装与第二蜗杆（5M）的一端与轴孔（5G3）的安装是相同的。挡板（5H）固定安装在第一支架（5B）的第二支臂（5B3）端部的内板面上。 

第一蜗杆（5J）与第一蜗轮（5K）啮合，第一蜗轮（5L）通过键固定在第一连接轴（5K）上，第一连接轴（5K）通过第一联轴器与第一电机（5D）的输出轴连接。 

第二蜗杆（5M）与第二蜗轮（5P）啮合，第二蜗轮（5P）通过键固定在第二连接轴（5N）上，第二连接轴（5N）通过第二联轴器与第二电机（5E）的输出轴连接。 

本发明适用于HPVP-GTAW的焊接配件机构的优点在于： 

①焊接配件机构通过与现有焊枪三自由度运动系统结合使用，通过二自由度转台带动拖斗在工件的X轴和Y轴上运动，实现保护气顺次从焊枪、工件背部及焊枪行进后方三个方向提供保护氛围，从而保证焊接过程中焊后区域完全处于气体保护氛围中。 

②两个平板结构的工件进行对接形成焊缝，去除焊接过程中气孔的形成，同时在焊接行进过程消除气孔。 

③工件焊缝的上方由拖斗排出保护氩气，工件焊缝的下方由焊台通道排出保护氩气，使得在HPVP-GTAW的焊接过程中单面焊双面成形，气孔得以消除。 

附图说明

图1是常规超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊的系统结构图。 

图2是本发明焊接配件的结构图。 

图2A是本发明焊接配件的另一视角的结构图。 

图3是本发明拖斗的结构图。 

图3A是本发明拖斗的俯视角度的结构图。 

图3B是图3A的A－A剖示图。 

图4是本发明二自由度转台的结构图。 

图4A是本发明二自由度转台中第二外罩的结构图。 

图4B是本发明二自由度转台中驱动部分的分解结构图。 

图5A是采用常规超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊焊接的焊缝探伤结果照片。 

图5B是采用添加有本发明焊接配件的进行超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊焊接的焊缝探伤结果照片。 

1.焊台 1A.保护气出口 1B.保护气入口 1C.氩气通道 1D.通孔 2A.第一工件 2B.第二工件 2C.焊缝 3.拖斗 3A.紧顶钉 3B.套筒 3C.气流入口 3D.第一导流通道 3E.第二导流通道 3F.底板面 3G.中心通孔 3H.上板面 3J.侧板面 3K.密封塞 5.二自由度转台 5A.托架 5A1.下凹部 5B.第一支架 5B1.第一横板 5B2.第一支臂 5B3.第二支臂 5C.第二支架 5C1.第二横板 5C2.第三支臂 5C3.第四支臂 5D.第一电机 5E.第二电机 5F.第一外罩 5G.第二外罩 5H.挡板 5J.第一蜗杆 5K.第一连接轴 5L.第一蜗轮 5M.第二蜗杆 5N.第二连接轴 5P.第二蜗轮 6.连接板

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。 

参见图2、图2A所示，本发明是一种针对Ti-6Al-4V钛合金平板焊缝气孔清除的焊接配件机构，该焊接配件机构包括有焊台1、拖斗3、二自由度转台5和连接板6。 

其中，第一工件2A与第二工件2B需要焊接，第一工件2A与第二工件2B对接处经焊接后形成了焊缝2C。 

其中，超高频脉冲钨极氩弧焊中的焊枪4的一导筒固定安装在二自由度转台5上，而焊枪4的枪头端安装在拖斗3的套筒3B上，且通过紧顶钉3A顶紧。 

其中，焊台1上放置有第一工件2A、第二工件2B，焊台1与工作台（如图1所示）固定，从拖斗3的气流入口3C进入的氩气经第一导流口3D、第二导流口3E后作用到焊缝2C上。拖斗3的底部与第一工件2A、第二工件2B的上表面留有0.2～1cm的距离。 

焊台1 

参见图2所示，焊台1的坐标系记为XYZ，X轴为焊台1的长度方向，Y轴为焊台1的宽度方向，Z轴为焊台1的高度方向。X轴方向也是焊枪焊接时的行进方向。 

两个平板工件（第一工件2A、第二工件2B）对接后，对接处形成的缝隙沿着X轴放置。 

焊台1的一端设有保护气入口1B、焊台1的另一端设有保护气出口1A，保护气入口1B与保护气出口1A之间是氩气通道1C，氩气通道1C上设有小孔，该小孔用于氩气排出。所述氩气通道1C沿X轴设置。两个平板工件对接形成的缝隙置于氩气通道1C上方。 

焊台1的四个角上设有通孔1D，通过在该通孔1D中放置螺钉实现将焊台1与工作台（如图1所示）固定。 

在本发明中，焊台1与工作台（如图1所示）配合使用，其也是充当一工作台。焊台1上的氩气通道1C中流动的氩气能够使工件对接处的焊缝底部在氩气气氛中，也是为了达到消除焊缝气孔，提高焊缝的焊接质量。 

连接板6 

参见图2、图2A所示，连接板6分别安装在焊枪运动机构和第二外面罩5G上，通过连接板6实现将本发明设计的焊接配件机构与焊枪运动机构组合在一起。 

在本发明中，焊枪运动机构需要保证与焊枪4的枪头垂直，即焊枪4的枪头是沿焊枪运动机构的Z轴设置的，因此，设计的焊台1的坐标系XYZ与焊枪运动机构的坐标系中的各个轴（X轴、Y轴、Z轴）是同向的。通过连接板6与焊枪运动机构的X轴方向的一连接板固定，是为了保证二自由度转台5的运动与焊枪运动机构的运动方向是一致的。二自由度转台5的运动是微位移的调节。 

拖斗3 

参见图2、图2A、图3、图3A、图3B所示，拖斗3为一体成型件。 

拖斗3的一端是套筒3B、该套筒3B的中心是通孔3G，该中心通孔3G用于放置焊枪4的枪头，焊枪4的枪头套接在套筒3B的中心通孔3G后通过紧顶钉3A锁紧； 

拖斗3的上板面3H上设有气流入口3C，该气流入口3C用于与氩气设备连接，实现将氩气设备中的氩气导入拖斗3的导流腔中。所述导 流腔是由气流入口3C、第一导流通道3D和第二导流通道3E构成，如图3B所示。氩气经气流入口3C流入后，扩散到第一导流通道3D，最后经第二导流通道3E流出。在本发明中，气流入口3C的通道直径记为d1，第一导流通道3D的通道直径记为d2，第二导流通道3E的通道直径记为d3，且三个通道的尺寸关系可以是d1＞d2＞d3，d1＝2mm～10mm，d2＝10mm～30mm，d3＝0.4mm～0.8mm。由于拖斗3的底板面3F与工件上表面之间的间隙较小（0.2～1cm），经拖斗3流出的氩气在焊接行进过程中阻止了焊缝2C中气孔形成，这是因为入的是高压强氩气，出的是低压强氩气，在氩气气氛保护中，焊接行进过程中形成的焊缝被低压强氩气消除了焊缝中的气孔。一般地，拖斗3的气流入口3C处理的氩气的压强为0.05～0.09MPa，通过不同的通道直径，控制氩气的气体流量。气流入口3C处的氩气流量可以是45～100L/min，第二导流通道3E流出的氩气流量可以是15～20L/min。 

拖斗3的底板面3F上设有第二导流通道3E，该第二导流通道3E用于氩气流出，流出的氩气作用到第一工件2A与第二工件2B对接后经焊接形成的焊缝2C的上表面。在本发明中，底板面3F上的第二导流通道3E可以设置多行多列，也可以设置双行多列。 

拖斗3的侧板面3J上设有第一导流通道3D，该第一导流通道3D用于将经气流入口3C流入的氩气进行扩散分流。第一导流通道3D的入口端安装有密封塞3K，该密封塞3K用于阻止第一导流通道3D中的氩气流出。 

在本发明中，导入的氩气顺次经气流入口3C、第一导流通道3D和第二导流通道3E后流出作用到第一工件2A与第二工件2B对接后经焊接形成的焊缝2C的上表面。 

在本发明中，拖斗3在焊台1上的运动是由二自由度转台5提供的。 

二自由度转台5 

参见图2、图2A、图3、图3A所示，二自由度转台5上设有托架5A、第一支架5B、第二支架5C、第一电机5D、第二电机5E、第一外罩5F、第二外罩5G、挡板5H、第一蜗杆5J、第一连接轴5K、第一蜗轮5L、第二蜗杆5M、第二连接轴5N、第二蜗轮5P； 

托架5A的中部是下凹部5A1，该下凹部5A1用于放置焊枪4的长筒。托架5A通过螺钉安装在第一支架5B的第一横板5B1上。 

第一支架5B为一体成型件，其构型为U形结构；第一支架5B上设 有第一横板5B1、第一支臂5B2和第二支臂5B3。第一支臂5B2的端部与第二支架5C的第三支臂5C2的端部通过螺钉固定安装；第二支臂5B3的端部与第二支架5C的第四支臂5C3的端部通过螺钉固定安装。第一横板5B1的底部通过螺钉实现与托架5A两端的连接。 

第一支架5B的第二支臂5B3的内侧板面上通过螺钉固定有挡板5H。挡板5H与第一外罩5F固定安装，所述第一外罩5F内放置有第一蜗杆5J、第一连接轴5K和第一蜗轮5L。 

第二支架5C为一体成型件，其构型为U形结构；第二支架5C上设有第二横板5C1、第三支臂5C2和第四支臂5C3。第三支臂5C2的端部第一支架5B的第一支臂5B2的端部通过螺钉固定安装；第四支臂5C3的端部与第一支架5B的第二支臂5B3的端部通过螺钉固定安装。第二横板5C1的外侧板面上通过螺钉固定有第二外罩5G的一端，第二外罩5G的另一端安装在连接板6上，连接板6与焊枪运动机构固定。第二外罩5G内放置有第二蜗杆5M、第二连接轴5N和第二蜗轮5P。 

参见图3A所示，第二外罩5G为中空结构，第二外罩5G的前板面5G1与第二支架5C的第二横板5C1的外侧板面固定，第二外罩5G的后板面5G2与连接板6连接。 

第二外罩5G的后板面5G2的中心位置设有轴孔5G3，该轴孔5G3用于放置第二蜗杆5M的一端，置入轴孔5G3内的第二蜗杆5M的一端通过键卡紧实现第二蜗杆5M与第二外罩5G的固定。 

参见图3B所示，挡板5H的中心设有一轴孔，该轴孔用于安装第一蜗杆5J的一端。第一蜗杆5J的一端与轴孔的安装与第二蜗杆5M的一端与轴孔5G3的安装是相同的。挡板5H固定安装在第一支架5B的第二支臂5B3端部的内板面上。 

参见图3B所示，第一蜗杆5J与第一蜗轮5K啮合，第一蜗轮5L通过键固定在第一连接轴5K上，第一连接轴5K通过第一联轴器（图中未示出）与第一电机5D的输出轴连接。 

参见图3B所示，第二蜗杆5M与第二蜗轮5P啮合，第二蜗轮5P通过键固定在第二连接轴5N上，第二连接轴5N通过第二联轴器（图中未示出）与第二电机5E的输出轴连接。 

二自由度转台的运动过程： 

在第二电机5E提供的驱动力条件下，第二连接轴5N转动，同时第二蜗轮5P随动，在第二蜗轮5P的转动条件下，第二蜗杆5M将随动， 在第二蜗杆5M转动条件下，第二支架5C沿X轴运动。 

在第一电机5D提供的驱动力条件下，第一连接轴5K转动，同时第一蜗轮5L随动，在第一蜗轮5L的转动条件下，第一蜗杆5J将随动，在第一蜗杆5J转动条件下，第一支架5B沿Y轴运动。 

实施例1

采用本发明设计的焊接配件机构进行Ti-6Al-4V钛合金平板对接无气孔钨极氩弧焊接，将Ti-6Al-4V钛合金对接平板规格为200mm×80mm×1.5mm（长×宽×厚），焊前清理流程为：0号砂纸打磨表面及对接口→丙酮擦拭清除碎屑→无水乙醇擦拭清除丙酮→5%HF+35%HNO₃混合溶液化学常温清洗20分钟以上→用清水将化学试剂洗净→干燥后保存于恒温箱中待焊。 

焊接工艺参数如下：基值电流45A，脉冲电流115A，脉冲频率10～80kHz，占空比50%；电极为铈钨W－2%Ce，直径2.4mm，电弧高度恒为3mm，沿轧制方向焊接，不填充焊丝，焊接起始位置位于对接焊缝端部，焊接速度200mm/min，单面焊双面成形，保护气为体积百分比纯度99.99%氩气，其中焊枪、氩气通道1C及拖斗上的第二导流通道3E中氩气流量分别为15L/min、3L/min、20L/min。与之作为对比的常规钨极氩弧焊工艺除电流外其他参数均相同，其电流设置为90A，超高频脉冲焊接基值电流45A，脉冲电流115A，占空比50%，电流有效值约为88A，二者几乎相等。 

参数设定完毕并锁定待焊，引弧成功，电弧稳定燃烧，形成熔池后以200mm/min沿X轴方向移动焊枪，到达在焊接结束位置时，关闭焊接电源完成焊缝加工。氩气从保护气入口3C流入拖斗3，通过导流口3D、导流口3E保护气排出覆盖于焊缝2A上方。 

采用本发明设计的超高频脉冲焊接技术方案进行Ti-6Al-4V钛合金平板对接焊接，焊后通过X射线检测，其常规超高频脉冲钨极氩弧焊接焊缝探伤结果如图4A所示，加载有本发明的焊接配件机构的超高频脉冲钨极氩弧焊接焊缝探伤结果如图4B所示。检测结果表明，在焊接电流有效值一致的条件下，常规超高频脉冲钨极氩弧焊工艺易在焊趾处形成气孔，加载焊接配件机构的超高频脉冲钨极氩弧焊工艺能够有效清除Ti-6Al-4V钛合金对接平板的气孔敏感性。