一种基于自动铺粉的大厚度钛合金窄间隙激光焊接装置与方法

摘要

本发明涉及一种基于自动铺粉的大厚度TC4钛合金窄间隙激光焊接装置与方法，设备主要包括导轨运动系统、粉末分发装置、密闭氩气箱、控制系统和激光焊接设备。其中，导轨运动系统包括X向导轨、Y向导轨、驱动机构及滑台。粉末分发装置与滑台固连，利用导轨系统实现在水平面内的移动，从而达到送粉、铺粉的目的。此外，氩气箱箱体顶部为低反射玻璃，可为钛合金焊接过程提供封闭的氩气环境，实现了在保护气体环境下的激光焊接。本发明解决了大厚度钛合金窄间隙激光填粉焊接的工艺方法问题，提供了完整的工艺解决方案，焊后可获得无缺陷焊接接头，进一步提高了大厚度钛合金窄间隙激光焊接技术在航空领域的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，具体涉及一种大厚度钛合金窄间隙激光焊接技术，特别是涉及一种基于自动送粉与铺粉的钛合金窄间隙激光焊接装置与方法。

背景技术

随着航空工业的迅速发展，厚板钛合金的应用日益增长。窄间隙激光焊接工艺兼具窄间隙焊和激光焊接的优点，被认为是最适用于大厚度、中厚度钛合金板材的连接方法。该工艺对生产条件要求低、适应性强，具备较高的自动化程度，可获得成形良好的焊缝。窄间隙激光焊接一般采用填粉或填丝的方式填充坡口，粉末和焊丝的填入可弥补母材金属的蒸发和烧损，有效抑制焊后焊缝不连续、塌陷、咬边等问题。此外，与填丝焊相比，由于金属粉末具有更大的比表面积，激光填粉焊接工艺可大大提高对激光能量的吸收率。得益于自身的独特优势，窄间隙激光填粉焊接具有良好的发展前景。

由于激光焊接的热输入大，焊接熔池温度高，焊接过程中需对焊缝以及局部母材进行必要的保护。在焊接高温条件下，TC4钛合金极易产生吸氢、吸氧，导致焊接接头脆化严重。实际焊接过程，对钛合金焊接熔池以及热影响区的保护尤为重要。送粉式窄间隙激光填粉焊接是利用额外的送粉器将金属粉末吹入，金属粉末在高能激光束的照射下瞬间熔化，实现焊缝的填充。一方面，由于窄间隙焊接坡口较小，难以将粉末送入，极易造成金属粉末的浪费；另一方面，在施焊过程中对高温焊缝区的有效保护成为了亟待解决的难题，焊后焊缝成形情况并不理想。

发明内容

为解决上述问题，本文提出了一种封闭环境下基于自动送粉及铺粉的厚板钛合金窄间隙激光焊接方法。在纯氩的封闭环境中，无需人工操作，配合自动送粉铺粉装置，实现对中厚板以及大厚板的窄间隙焊接。焊接过程中，无需额外的保护气装置和送粉设备，亦可获得良好成形的焊缝。

为了达到上述目的，本发明提供的一种基于自动铺粉的大厚度钛合金窄间隙激光焊接装置与方法，包括下述步骤：

一种基于自动铺粉的大厚度TC4钛合金窄间隙激光焊接装置，包括导轨运动系统、金属粉末分发装置、密闭氩气箱、控制系统以及激光焊接设备，其特征在于：

(1)导轨运动系统：由2条Y向导轨、1条X向导轨、传动机构以及驱动机构组成。传动机构包括主动轮、传动轮、同步带以及滑台，驱动机构即伺服电机，电机工作时，主动轮驱动传动轮转动。X向导轨两端分别悬挂于两侧的Y向导轨，两条Y向导轨固定于箱体壁，外设的两组驱动机构共同配合，实现X向导轨在Y-方向上的移动。X向导轨外设的驱动机构则驱动滑台，实现其沿X-方向移动。

(2)粉末分发装置：包括送粉头、刮刀及铺粉辊，金属粉末送入窄间隙坡口后，由刮刀铺平，并由铺粉辊压实。粉末分发装置与滑台固连，依托导轨系统在水平面内的运动，从而实现在窄间隙坡口的送粉、铺粉。

(3)密闭氩气箱与控制系统：氩气箱为气密性良好的封闭箱体，顶部安装有透明低反射玻璃，内部设有可自动升降的装夹平台，用于焊接过程中固定钛合金板材。导轨运动系统、粉末分发装置以及可升降装夹平台均与控制器相连，总控制面板集成于氩气箱体壁，可实现对内部装置的控制。

进一步地，送粉口侧壁安装有振动器，随送粉口打开而启动，避免送粉过程中出现卡粉的情况，送粉结束随即关闭。

进一步地，密闭氩气箱的进气口位于箱体下部，并通过气管、快插与高纯氩气瓶连接，出气口位于箱体上部，随着氩气的通入，可将箱体内部的空气逐渐排出。

本发明的另一目的是提供一种基于自动铺粉的大厚度TC4钛合金窄间隙激光焊接方法，将待焊大厚度钛合金板材拼接并固定在可升降平台上，关闭箱门，打开气阀使箱体内部充满氩气。基于导入的拼接钛合金板CAD模型，由控制器计算每层焊缝的送粉量。启动粉末分发装置，控制器在板材坡口前端打开送粉口，将金属粉末送入坡口，并由刮刀、铺粉辊碾平，装置到达板材坡口末端时，关闭送粉口。整个送粉过程中，振动器保持开启状态。铺粉结束后，将装夹平台上升至一定高度后，开始激光焊接实验。重复以上操作，最终完成大厚度钛合金板材的拼接。

进一步地，考虑到金属粉末在激光焊接过程中的烧损，控制器在计算每层焊缝的送粉量时，将额外考虑4％的粉末烧损率。

进一步地，粉末分发装置单位时间内的出粉速度保持恒定，通过调节滑台及粉末分发装置沿导轨的运动速度，实现对送粉量的控制。

进一步地，利用低反射玻璃的透光性，焊接过程中激光束可直接透过玻璃，熔化金属粉末和部分母材，形成熔融焊缝，实现大厚度钛合金板材在密闭环境下的激光填粉焊接过程。

本发明的有益效果在于：

(1)利用自动送粉、铺粉装置，实现大厚度钛合金板材坡口的均匀铺粉，无需人工铺粉或者额外的送粉设备，提高了金属粉末的利用率；

(2)利用导入的CAD模型精确计算送粉量，并考虑一定的粉末烧损量，焊后可获得理想成形的焊缝；

(3)利用低反射玻璃对激光的透过性，钛合金板材的整个焊接过程在充满氩气的封闭箱体进行，可实现对熔池、焊缝背面的有效保护，解决了钛合金焊接过程中易吸氢、吸氧的问题。同时，激光头无需安装于箱体内部，大大缩小了箱体体积，节省空间。

附图说明

图1为本发明所述的导轨运动系统示意图；

图2为本发明所述的自动送粉铺粉示意图；

图3为本发明所述基于自动铺粉的大厚度钛合金窄间隙激光焊接过程示意图。

其中，1-驱动机构，2-Y向导轨，3-可升降装夹平台，4-封闭箱体，5-X向导轨，6-滑台，7-主动轮，8-同步带，9-从动轮，10-分控制器，11-送粉头，12-刮刀及铺粉辊，13-已铺金属粉末，14-激光束，15-激光焊接头，16-钛合金厚板，17-低反射玻璃，18-出气口，19-箱体门，20-控制面板，21-氩气瓶。

具体实施方式

以下为本发明一种基于自动铺粉的大厚度钛合金窄间隙激光焊接装置与方法的具体说明。

针对大厚度TC4钛合金板材开展基于自动送粉、铺粉的激光焊接实验，其中钛合金板材尺寸为100×50×20mm，板材加工有U形坡口，坡口间隙为5mm，并预留2mm钝边。将两块钛合金板材无间隙固定于可升降装夹平台。开启氩气瓶阀门，将气流量开至25L/min，待氩气充满整个箱体后，将气流量降至5L/min，整个焊接过程将保持该气流量恒定。采用的实验设备包括YLS10000型连续光纤激光器、KUKA60机器人，其中激光器输出的最大平均功率可达10000W。

将拼接钛合金厚板CAD模型导入总控制器，预设的每层焊缝高度为1mm，共有18层填充焊缝，由控制器计算每层焊缝的送粉量。基于送粉量，控制器对滑台运动速度进行预设。利用导轨运动系统使得粉末分发装置移动至厚板坡口前端，此时开启送粉口，控制粉末分发装置以恒定速度沿焊缝方向运动，将金属粉末送入坡口，并由刮刀、铺粉辊碾平金属粉末，送粉过程中送粉口侧壁的振动器保持开启状态，保证送粉过程中不出现卡粉情况。粉末分发装置到达坡口末端后，立即关闭送粉口。送粉结束后，将粉末分发装置移动至箱体内边缘。操作总控制面板开启装夹平台下方的升降装置，使平台上升至距离箱体上部玻璃5cm处。设置激光焊接工艺参数分别为：激光功率2000W，焊接速度10mm/s，离焦量0mm。开展激光焊接试验，焊后观察焊缝成形情况，待钛合金板材冷却至室温。下一层粉末填充前，需控制升降平台在前一层焊缝铺粉时高度的基础上，下降一层焊缝的距离。重复上述操作，直至完成厚板钛合金激光填粉焊接。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。