一种TIG电弧同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法

摘要

一种TIG电弧同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，它涉及一种材料激光焊接新方法。本发明解决Ti-Al系金属间化合物材料、高温合金、铝合金等对激光焊接裂纹敏感、激光反射严重的材料焊接存在的裂纹等缺陷倾向大、激光利用率低等问题。本发明的方法为：对待焊工件加工打磨清洗，设置工艺参数，进行焊接。本发明采用TIG电弧作为预热热源，缓解材料焊接过程裂纹敏感倾向，有效改善材料对激光吸收率低、焊接过程耗能大等缺点，提高激光利用率；同时，TIG电弧稳定，易于控制，且成本低廉，并且TIG电弧具有阴极雾化作用，能有效去除材料表面氧化膜。

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料激光焊接新方法，具体为采用基于激光增材制造的连接方法过程 中辅以TIG电弧同步预热的方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

Ti-Al系金属间化合物材料合金具有比强度高、密度低、断裂韧性好和抗蠕变性强等 优异性能，成为高温结构材料的研究热点，作为传统Ti合金以及高密度镍基高温合金的 替代材料被寄予了极大的关注。Ti-Al系金属间化合物中以Ti₃Al、TiAl和TiAl₃的研究较 为广泛。

目前文献中关于Ti-Al系金属间化合物材料的焊接多集中在电弧焊、扩散焊和电子束 焊接，结果发现焊件的强度未能达到母材的强度，主要的问题是焊件的高温塑性很差，焊 接过程中容易产生裂纹。扩散焊存在接头强度低、容易形成脆性层等问题；电子束焊接接 头组织容易形成柱状晶以及粗大的等轴晶；常规激光焊接由于冷却速度快，对焊接热输入 敏感，容易导致晶粒粗大影响接头韧性。

激光增材制造(也称为3D打印)技术，是基于微积分的思想，采用激光分层扫描、 叠加成形的方式逐层增加材料将数字模型转换成三维实体零件。真正意义上实现了数字 化、智能化加工，具有加工柔性高、无需模具、工序少、加工周期短、可以加工任意形状、 尺寸适应性好、对于小批量零件加工成本低且成形件物理化学性能优异等优点。因此，针 对Ti-Al系金属间化合物激光焊接容易产生裂纹、组织粗大、高温塑性差等问题，我们前 期提出了一种基于激光増材制造的连接方法，也就是根据Ti-Al系金属间化合物的焊缝接 头，设计一定形状的坡口，以适应进行増材制造，然后利用激光沉积的方法在两连接材料 的焊缝之间根据激光増材制造的原理，通过逐层堆积的方法形成一个类似于两母材之间焊 缝形状的新材料，利用所形成的新材料来连接两母材。由于是利用基于増材制造的原理采 用逐层堆积的方法，每层材料的厚度非常薄，因此，可以通过对工艺参数的调节，实现材 料连接接头内部气孔、裂纹等缺陷的降低或控制。

但是，针对Ti-Al系金属间化合物采用基于激光增材制造的方法连接过程中，在激光 沉积的层与层之间也出现了裂纹；同时对于铝合金，采用基于激光增材制造的方法连接过 程中，金属材料对激光反射比较严重，激光利用率低、也易产生裂纹等焊接缺陷问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决Ti-Al系金属间化合物材料、高温合金、铝合金等对激光焊 接裂纹敏感、激光反射严重的材料焊接存在的裂纹等缺陷倾向大、激光利用率低等问题， 而提出一种TIG电弧同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法。

本发明的一种TIG电弧同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，它是按照以 下步骤进行的：

步骤一：将待焊工件待焊位置加工成V型坡口，并对坡口及附近位置表面清理、打 磨并用夹具将待焊工件装夹固定在工作台上；

步骤二：设置工艺参数：

预热部分：

电流为20A～60A，保护气流量为5L/min～20L/min，焊枪倾斜角度为5°～15°，电弧 中心与激光光斑中心距离d为5mm～20mm；

焊接部分：

激光功率为300W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为3mm/s～40mm/s，送 粉速度为2g/min～25g/min，送粉载气流量为3L/min～12L/min，保护气以及束流气流量均 为5L/min，激光头沿焊接方向前倾5°；

步骤三：在垫板充Ar槽内充入Ar气，Ar气流量为5L/min～15L/min；

步骤四：首先，预热TIG电弧先作用于待焊材料表面，控制预热温度至100℃～200℃， 随后，激光束作用在待焊工件表面，同时通过同轴或旁轴送粉器送入填充粉末实施焊接， 预热TIG焊枪与激光束同步沿焊缝行走施焊，即完成所述的TIG电弧同步预热辅助的基 于激光増材制造的连接。

本发明基于激光增材制造连接方法原理为：利用增材制造的原理，控制能量输入，采 用激光沉积、逐层填充的方式形成一个类似于坡口形状的零件直接连接。在基于激光増材 制造连接过程中，在激光填粉沉积连接焊缝的前方，对接头需要连接的部分进行加热，加 热温度一般为100-200℃左右，以便为后续进行激光填粉沉积过程预热，避免増材制造过 程中出现裂纹，同时降低工件对激光的反射率、提高吸收率。其加热方法是采用TIG电 弧加热。TIG电弧同步预热辅助的基于激光增材制造连接过程中激光可采用半导体激光、 CO₂气体激光、YAG固体激光或者光纤激光等；送粉器采用单筒或双筒送粉器；送粉头 采用同轴或旁轴送粉头。

本发明包含以下有益效果：

TIG电弧同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，采用TIG电弧作为预热热 源，缓解材料焊接过程裂纹敏感倾向，有效改善材料对激光吸收率低、焊接过程耗能大等 缺点，提高激光利用率；同时，TIG电弧稳定，易于控制，且成本低廉，并且TIG电弧 具有阴极雾化作用，能有效去除材料表面氧化膜。

附图说明

图1为本发明的TIG电弧同步预热辅助的基于激光增材制造连接方法示意图；

图2为实施例1的1mm厚Ti₃Al板材单激光焊接接头金相照片；

图3为实施例2不预热激光填粉沉积连接接头金相照片；

图4为不预热激光填粉沉积连接接头裂纹显微照片；

图5为实施例2的TIG电弧预热激光填粉沉积连接接头金相照片；

图6为TIG电弧预热激光填粉沉积连接接头微区放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种TIG电弧同步预热辅助的基于激光増材制造的 连接方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤一：将待焊工件待焊位置加工成V型坡口，并对坡口及附近位置表面清理、打 磨并用夹具将待焊工件装夹固定在工作台上；

步骤二：设置工艺参数：

预热部分：

电流为20A～60A，保护气流量为5L/min～20L/min，焊枪倾斜角度为5°～15°，电弧 中心与激光光斑中心距离d为5mm～20mm；

焊接部分：

激光功率为300W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为3mm/s～40mm/s，送 粉速度为2g/min～25g/min，送粉载气流量为3L/min～12L/min，保护气以及束流气流量均 为5L/min，激光头沿焊接方向前倾5°；

步骤三：在垫板充Ar槽内充入Ar气，Ar气流量为5L/min～15L/min；

步骤四：首先，预热TIG电弧先作用于待焊材料表面，控制预热温度至100℃～200℃， 随后，激光束作用在待焊工件表面，同时通过同轴或旁轴送粉器送入填充粉末实施焊接， 预热TIG焊枪与激光束同步沿焊缝行走施焊，即完成所述的TIG电弧同步预热辅助的基 于激光増材制造的连接。

本实施方式采用TIG电弧加热，实施TIG电弧同步预热辅助基于激光増材制造的连 接方法。

TIG电弧作为工业生产中应用最为广泛的焊接热源之一，具有电弧稳定性好、生产成 本低、易控制等优点，被广泛应用于钛、铝、镁、铜及其合金等材料的焊接；同时，TIG 电弧阴极雾化作用可以有效的去除材料表面的氧化膜。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：发射激光的激光器为半导 体激光器、CO₂气体激光器、YAG固体激光器或光纤激光器。其它与具体实施方式一相 同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：预热部分的工艺参数为： 电流为30A～60A，保护气流量为8L/min～20L/min，焊枪倾斜角度为8°～15°，电弧中心 与激光光斑中心距离d为8mm～20mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：预热部分的工艺参数为： 电流为30A～60A，保护气流量为10L/min～20L/min，焊枪倾斜角度为10°～15°，电弧中 心与激光光斑中心距离d为10mm～20mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：预热部分的工艺参数为： 电流为40A～60A，保护气流量为10L/min～15L/min，焊枪倾斜角度为10°～12°，电弧中 心与激光光斑中心距离d为10mm～15mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为： 激光功率为500W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为8mm/s～40mm/s，送粉速 度为5g/min～25g/min，送粉载气流量为5L/min～12L/min，保护气以及束流气流量均为 5L/min，激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为： 激光功率为1000W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为12mm/s～40mm/s，送粉 速度为10g/min～25g/min，送粉载气流量为8L/min～12L/min，保护气以及束流气流量均为 5L/min，激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为： 激光功率为2000W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为18mm/s～40mm/s，送粉 速度为15g/min～25g/min，送粉载气流量为8L/min～12L/min，保护气以及束流气流量均为 5L/min，激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为： 激光功率为3000W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为25mm/s～40mm/s，送粉 速度为18g/min～25g/min，送粉载气流量为10L/min～12L/min，保护气以及束流气流量均 为5L/min，激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为： 激光功率为3500W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为30mm/s～40mm/s，送粉 速度为20g/min～25g/min，送粉载气流量为10L/min～12L/min，保护气以及束流气流量均 为5L/min，激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同 样也可以实现发明的目的。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

通过单激光与TIG电弧同步预热辅助基于激光増材制造的连接方法对1.0mm厚Ti₃Al 板材实施焊接，进行比较分析。

实施例1

本实施例采用单激光对1.0mm厚Ti₃Al板材实施焊接的步骤如下：

将待焊工件位置打磨、清理，不开坡口无间隙对接固定于工作台上，激光器选择光纤 激光器，激光功率900W，离焦量为0，焊接速度1m/min，保护气流量8L/min。焊接接头 金相照片如图2所示，可见，在焊缝中出现了明显的裂纹，贯穿工件厚度方向，焊接质量 很差。

实施例2

本实施例采用TIG电弧同步预热辅助基于激光増材制造的连接方法对1.0mm厚Ti₃Al 板材进行焊接，具体试验方法如下：

步骤一：将TIG焊机与激光器通过焊接机器人实现通信，通过控制机器人来控制TIG 焊枪和激光束的同步运动，示意图如图1所示。

步骤二：将实验母材待焊位置加工单边45°V型坡口，并对坡口及附近位置表面进 行清理、打磨，并将其无间隙对接固定在工作台上。

步骤三：预热部分：

电流40A，保护气流量8L/min，焊枪倾斜角度8°。电弧中心与激光光斑中心距离d 12mm。

焊接部分：

激光功率范围400W，光斑直径2mm，焊接速度范围3mm/s，送粉速度范围5g/min， 送粉载气流量5L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min。为了防止工件表面反射激光 损坏激光头，激光头沿焊接方向前倾5°。

步骤四：在垫板充Ar槽内充入Ar气，流量范围为5L/min。

步骤五：预热TIG电弧先作用于待焊材料表面，控制预热温度100℃～200℃，随后， 激光束作用在待焊材料表面，同时通过同轴或旁轴送粉器送入填充粉末实施焊接，预热 TIG焊枪与激光束同步沿焊缝行走施焊。

本实施例不添加预热工艺时(即激光填粉沉积连接方法)，焊接接头金相照片如图3 和图4所示，可见接头质量明显优于单激光连接，但是在焊缝边缘位置任然出现了明显的 裂纹，影响接头质量。

采用TIG电弧作为预热热源时，焊接接头金相照片如图5和图6所示，可见接头无 可见裂纹等缺陷，组织均匀；同时，由于添加了预热工艺，激光利用率显著改善，达到了 预想效果。

实施例3

本实施例采用TIG电弧同步预热辅助基于激光増材制造的连接方法对1.0mm厚Ti₃Al 板材进行焊接，具体试验方法如下：

步骤一：将TIG焊机与激光器通过焊接机器人实现通信，通过控制机器人来控制TIG 焊枪和激光束的同步运动，示意图如图1所示。

步骤二：将实验母材待焊位置加工单边45°V型坡口，并对坡口及附近位置表面进 行清理、打磨，并将其无间隙对接固定在工作台上。

步骤三：预热部分：

电流20A，保护气流量5L/min，焊枪倾斜角度5°。电弧中心与激光光斑中心距离d 范围5mm。

焊接部分：

激光功率范围300W，光斑直径1mm，焊接速度范围3mm/s。送粉速度范围2g/min， 送粉载气流量5L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min。为了防止工件表面反射激光 损坏激光头，激光头沿焊接方向前倾5°。

步骤四：在垫板充Ar槽内充入Ar气，流量范围为5L/min。

步骤五：预热TIG电弧先作用于待焊材料表面，控制预热温度100℃～200℃，随后， 激光束作用在待焊材料表面，同时通过同轴或旁轴送粉器送入填充粉末实施焊接，预热 TIG焊枪与激光束同步沿焊缝行走施焊。

实施例4

本实施例采用TIG电弧同步预热辅助基于激光増材制造的连接方法对1.0mm厚Ti₃Al 板材进行焊接，具体试验方法如下：

步骤一：将TIG焊机与激光器通过焊接机器人实现通信，通过控制机器人来控制TIG 焊枪和激光束的同步运动，示意图如图1所示。

步骤二：将实验母材待焊位置加工单边45°V型坡口，并对坡口及附近位置表面进 行清理、打磨，并将其无间隙对接固定在工作台上。

步骤三：预热部分：

电流60A，保护气流量20L/min，焊枪倾斜角度15°。电弧中心与激光光斑中心距 离d范围20mm。

焊接部分：

激光功率范围4000W，光斑直径4mm，焊接速度40mm/s。送粉速度范围25g/min， 送粉载气流量5L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min。为了防止工件表面反射激光 损坏激光头，激光头沿焊接方向前倾5°。

步骤四：在垫板充Ar槽内充入Ar气，流量范围为5L/min。

步骤五：预热TIG电弧先作用于待焊材料表面，控制预热温度100℃～200℃，随后， 激光束作用在待焊材料表面，同时通过同轴或旁轴送粉器送入填充粉末实施焊接，预热 TIG焊枪与激光束同步沿焊缝行走施焊。