一种用于钛合金厚板的激光-MIG复合焊接方法

技术领域

本发明属于焊接加工技术领域，具体涉及一种用于钛合金厚板的激光-MIG复合焊接方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、疲劳强度高、耐腐蚀等优点，被广泛地作为核心材料应用在航天工程、海洋工程、汽车工业及医疗设备等领域。依据模块化与集成化的结构设计理念，钛合金如今在轨道交通、航空航天、核电等领域的产品多采用大型复杂结构零部件，使得厚板焊接问题成为研究重点。而激光-MIG复合焊接方法具有焊接速度快、熔深大、工艺稳定性好等优点，克服了单独热源焊接的局限，是一种被广泛采纳使用的高效率、低成本的大厚度钛合金材料焊接方法。但是，由于钛合金特殊的焊接特性，在激光-电弧复合焊接过程中尤其是大厚度钛合金的焊接，复合焊接过程不稳定，高温下钛合金极易氧化，影响焊缝质量，严重阻碍了大厚度钛合金在大型构件中的应用。

当前钛合金厚板复合焊接工艺已有相关研究报告，如中国公开文献：CN103831533A《钛合金激光-MIG复合焊接方法》采用I型坡口并添加焊缝保护拖罩能实现6mm钛合金平板对接焊接。中国公开文献：CN106553012A《用于钛合金激光MIG复合焊焊后保护拖罩及焊接方法》能实现4.2mm厚TA2焊接。中国公开文献：CN102225485A《TC18钛合金激光-氩弧复合热源焊接工艺》采用激光-TIG复合焊接方法并开特定坡口能实现8～18mm厚TC18钛合金锻板的对接单面焊接双面成型。目前，有关钛合金焊接的文献研究中，钛合金板的厚度都未能超过20mm，难以满足一些特殊需求。

钛及钛合金在高温焊接条件下会与许多气体发生剧烈反应，尤其是O

申请号为201410085830.9、名称为“一种适用于大厚板窄间隙的激光电弧复合焊枪”的专利技术，将扁矩形方管状喷嘴与激光焊接头结合，用于窄间隙激光-电弧复合焊接。该装置为伸入式喷嘴机构，由于喷嘴装置体积较大，因此激光-电弧之间热源间距的可调节范围有限，对工艺参数优化具有一定影响。另外，坡口宽度最低只能压缩至11mm，焊接效率有待进一步提高。

申请号为201711164562.X、名称为“窄间隙焊接用可伸缩喷嘴装置及其调节方法”的专利技术，该装置由主喷嘴组件与后置辅助气扁喷嘴组成，后置辅助气扁喷嘴伸入坡口内部，由于激光在前，后置辅助喷嘴无法保证激光作用区熔池保护，另外，后置辅助气扁喷嘴孔径过窄，流量小，流速大，易造成紊流；后置辅助气扁喷嘴组成根据坡口深度不断调整喷嘴高度，操作繁琐，该装置还有待进一步完善。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有技术的不足，克服现有较厚钛合金难以焊接的问题，提供一种用于钛合金厚板的激光-MIG复合焊接方法，该焊接方法气体保护效果好、便于操作，解决了钛合金厚板窄间隙坡口焊接的易氧化技术问题，实现钛合金厚板对接焊的焊接成形。

本发明为实现发明目的提供了一种用于钛合金厚板的激光-MIG复合焊接方法，所述钛合金厚板为厚度大于等于20mm的钛合金板，激光-MIG复合焊接方法步骤如下：

S1、将待焊钛合金板厚板的待焊接头加工成预设形状的u型坡口，坡口角度为2°至4°，钝边厚度为1-3mm，坡口间隙不超过10mm；当待焊钛合金厚板的厚度大于等于20mm，小于40mm时，在待焊钛合金厚板的单侧设计坡口；当待焊钛合金厚板的厚度大于等于40mm时，在待焊钛合金厚板的双侧设计坡口；

S2、打磨所述待焊接头的u型坡口及其坡口周围区域，并进行清洗；

S3、将所述待焊钛合金板厚板置于气体保护装置中，对接固定；

所述气体保护装置包括由保护气室底板，设置在保护气室底板左右两侧的两个固定侧板，设置在保护气室底板前后两侧通过合页与保护气室底板相连的两个密封挡板和保护气室上盖板构成的保护气室；所述保护气室底板上四个角对称分布有固定螺栓，中间设置有用于支撑待焊钛合金板厚板的钳口铁；所述两个密封挡板上接近底部的位置沿径向密集设有均匀导气小孔用于接入保护气体导气管，充入保护气体制造气体保护氛围；两个密封挡板的顶部设置有垂直方向的长条通槽；所述保护气室上盖板上四个角设置有与所述固定螺栓配合的螺栓孔，中间设置有用于穿过激光束和MIG焊枪的可滑动的滑盖通孔装置，侧面设置有与所述长条通槽位置对应的蝴蝶螺母和锁紧螺栓孔；

将所述待焊钛合金板厚板置于气体保护装置中的具体操作是：将待焊钛合金板厚板放入保护气室内的钳口铁上，使焊缝方向与滑盖通孔装置可滑动的方向平行且垂直对准；通过固定螺栓将保护气室上盖板、待焊钛合金板厚板、钳口铁及保护气室底板夹紧，再通过蝴蝶螺母依次穿过密封挡板上的长条通槽和保护气室上盖板侧面的锁紧螺栓孔将密封挡板和保护气室上盖板密封夹紧；将保护气体导气管接入两个密封挡板上均匀设置的导气小孔中，打开气阀调整气流量，使保护气室充满稳定流动的保护气体；

S4、使用激光-MIG复合热源对待焊钛合金板厚板的待焊接头进行多层焊接，每一层焊接结束后，控制焊枪退出保护气室并清理焊道，待焊缝冷却至室温后立刻进行下一层焊接直至填满坡口；

焊接工艺参数为：激光束的离焦量为-2-2mm，激光功率为1.2-2.5kw；MIG焊枪的焊丝直径为1.2mm，焊丝长度为12-18mm，脉冲电流为170-190A，焊接电压为20-24V；焊接时激光束在前，MIG焊枪在后同步移动，激光束向焊接方向倾斜，与垂直方向的夹角为10°，MIG焊枪向反焊接方向倾斜，与垂直方向的夹角为50°至60°，光丝间距为2-3mm，焊接速度8-12mm/s，送丝速度6-7m/min。

进一步，本发明所述滑盖通孔装置包括设置在保护气室上盖板上的长条形开孔、与长条形开孔平行的导槽装置和可沿导槽装置滑动的滑盖，所述滑盖上开有可供MIG焊枪和激光束通过的滑盖开孔，滑盖沿导槽装置滑动的时候，滑盖开孔沿长条形开孔滑动。

更进一步，本发明所述导槽装置由上下两个导槽平台和夹在两个导槽平台之间的由两个限位条组成的导槽。

更进一步，本发明所述滑盖上还设置有用于固定激光头和MIG焊枪的焊枪滑盖连接杆，用于保证滑盖与激光头和MIG焊枪同步移动。

进一步，本发明所述保护气体为纯度为99％以上的氩气，焊接过程中，向保护气室通入的保护气体流速为20-30L/min。

更进一步，本发明所述保护气体为纯度为99％以上的氩气，焊接过程中，向保护气室通入的保护气体流速为25L/min。

进一步，本发明所述MIG焊枪的焊丝长度为15mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对厚度大于或等于20mm的钛合金厚板结构件，采用特定的U型坡口形式、激光-MIG复合焊接方法、气体保护装置和焊接参数，实现了钛合金厚板对接焊过程中单面焊接双面成型的目的，并为后续填充焊接提供了良好的基础。本发明的焊接方法和装置具有焊接熔深大、焊接效率高、装配要求低、焊缝性能稳定、易于实现自动焊等特点。根据本发明方法进行厚板钛合金对接焊接可以获得成型美观的焊缝，焊缝无开裂、咬边、气孔等缺陷。

本发明的气体保护装置可以使得焊缝从焊前到焊后持续处于保护状态，形成大范围稳定的层流保护，保护范围可以完全覆盖激光作用区、电弧作用区和焊接熔池，并且保护气氛围浓度高，最大程度地降低了焊接过程中焊缝接触空气的可能性，杜绝焊缝吸氧、吸氢等不利因素的产生，可以更好地保证焊缝质量。本发明的气体保护装置通过侧面底部的对称多孔喷气方式，与同轴气体保护方式相比，避免了喷嘴气流直吹对熔池流动、激光-电弧耦合状态的扰动造成的焊接不稳定性，同时能在气室内部形成稳定的层流气体，避免气流紊乱导致的保护效果不稳定，因此可适当增大气体流量和速度，使保护效果更好。这种自下而上的气体流动方式能对焊接过程熔池区域、焊后凝固高温区域及焊缝背面区域三个高温区域进行有效保护，保护效果更全面且可以取代常用的背面氩气保护装置，减少了生产成本。另外，本发明的滑盖通孔装置及焊枪滑盖连接杆的设计可以实现气体保护装置的滑盖开孔与焊枪的随动功能，避免了防止焊枪移动限位所需的长宽开孔设计，最小化气室的开孔面积，保证了气室腔体焊接全过程的密闭性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明钛合金厚板的u型坡口截面结构示意图。

图2为本发明气体保护装置的整体结构示意图。

图3为本发明保护气室上盖板及其上面设置的滑盖通孔装置的结构示意图。

图4为本发明气体保护装置的内部结构示意图。

图5为本发明气体保护装置内部气流流动模拟示意图。

图6为本发明激光束及MIG焊枪位置示意图。

图7为本发明实施例1中25mm厚板钛合金板的单边坡口焊缝质量示意图。

图8为本发明实施例2中45mm厚板钛合金板的多道焊接接头截面宏观形貌图。

具体实施方式

一种用于钛合金厚板的激光-MIG复合焊接方法，所述钛合金厚板为厚度大于等于20mm的钛合金板，激光-MIG复合焊接方法步骤如下：

S1、将待焊钛合金板厚板8的待焊接头加工成预设形状的u型坡口，图1为u型坡口截面结构示意图，如图1所示，坡口角度9为2°至4°，钝边厚度12为1-3mm，最大坡口间隙10不超过10mm；当待焊钛合金厚板8的厚度大于等于20mm，小于40mm时，在待焊钛合金厚板8的单侧设计坡口；当待焊钛合金厚板8的厚度大于等于40mm时，在待焊钛合金厚板8的双侧设计坡口；

S2、打磨所述待焊接头的u型坡口及其坡口周围区域，并进行清洗；

S3、将所述待焊钛合金板厚板8置于气体保护装置中，对接固定；

图2为本发明气体保护装置的整体结构示意图，图4为本发明气体保护装置的内部结构示意图。如图2和图4所示，所述气体保护装置包括由保护气室底板2，设置在保护气室底板2左右两侧的两个固定侧板，设置在保护气室底板2前后两侧通过合页与保护气室底板2相连的两个密封挡板1和保护气室上盖板3构成的保护气室；所述保护气室底板2上四个角对称分布有固定螺栓4，中间设置有用于支撑待焊钛合金板厚板8的钳口铁2a；所述两个密封挡板1上接近底部的位置沿径向密集设有均匀导气小孔1a用于接入保护气体导气管，充入保护气体制造气体保护氛围；两个密封挡板1的顶部设置有垂直方向的长条通槽1b；所述保护气室上盖板3上四个角设置有与所述固定螺栓4配合的螺栓孔，中间设置有用于穿过激光束和MIG焊枪的可滑动的滑盖通孔装置，侧面设置有与所述长条通槽1b位置对应的蝴蝶螺母6和锁紧螺栓孔。

优选的，所述滑盖5上还设置有用于固定激光头和MIG焊枪的焊枪滑盖连接杆7，用于保证滑盖5与激光头和MIG焊枪同步移动。

优选的，本发明保护气室上盖板及其上面设置的滑盖通孔装置的结构示意图如图3所示，所述滑盖通孔装置包括设置在保护气室上盖板3上的长条形开孔3b、与长条形开孔3b平行的导槽装置和可沿导槽装置滑动的滑盖5，所述滑盖上开有可供MIG焊枪和激光束通过的滑盖开孔5a，滑盖5沿导槽装置滑动的时候，滑盖开孔5a沿长条形开孔3b滑动。

优选的，所述导槽装置由上下两个导槽平台3a和夹在两个导槽平台3a之间的由两个限位条组成的导槽；

将所述待焊钛合金板厚板8置于气体保护装置中的具体操作是：将待焊钛合金板厚板8放入保护气室内的钳口铁2a上，使焊缝方向与滑盖通孔装置可滑动的方向平行且垂直对准；通过固定螺栓4将保护气室上盖板3、待焊钛合金板厚板8、钳口铁2a及保护气室底板2夹紧，再通过蝴蝶螺母6依次穿过密封挡板1上的长条通槽1b和保护气室上盖板3侧面的锁紧螺栓孔将密封挡板1和保护气室上盖板3密封夹紧；将保护气体导气管接入两个密封挡板1上设置的导气小孔1a中，打开气阀调整气流量，使保护气室充满稳定流动的保护气体；

图5为本发明气体保护装置内部气流流动模拟示意图，从气体保护装置内部气流流动示意图可以看出，气流从导气小孔1a注入后呈自下而上的流动方式，并从上盖板开孔3b逸出，气流流动稳定呈层流状态并且保护气氛围浓度高，保护范围完全覆盖待焊工件8激光作用区、电弧作用区和焊接熔池，对焊接过程熔池区域、焊后凝固高温区域及焊缝背面区域三个高温区域进行有效保护。与同轴气体保护方式相比，避免了喷嘴气流直吹对熔池流动、激光-电弧耦合状态的扰动造成的焊接不稳定性，因此可适当增大气体流量和速度，使保护效果更好。

S4、使用激光-MIG复合热源对待焊钛合金板厚板8的待焊接头进行多层焊接，每一层焊接结束后，控制焊枪退出保护气室并清理焊道，待焊缝冷却至室温后立刻进行下一层焊接直至填满坡口；

焊接工艺参数为：激光束的离焦量为-2-2mm，激光功率为1.2-2.5kw；MIG焊枪的焊丝直径为1.2mm，焊丝长度为12-18mm，优选为15mm，脉冲电流为170-190A，焊接电压为20-24V；焊接时激光束在前，MIG焊枪在后同步移动，激光束向焊接方向倾斜，与垂直方向的夹角为10°，MIG焊枪向反焊接方向倾斜，与垂直方向的夹角为50°至60°，光丝间距为2-3mm，焊接速度8-12mm/s，送丝速度6-7m/min。图6仅仅是为了清楚说明激光束与MIG焊枪的位置关系，并非对钛合金厚板的实际焊接情况，图中A为激光束与垂直方向的夹角，A＝10°，B为MIG焊枪与垂直方向的夹角，B＝50°-60°。

优选的，所述保护气体为纯度为99％以上的氩气，焊接过程中，向保护气室通入的保护气体流速为20-30L/min，优选为25L/min。

实施例1

一种用于钛合金厚板的激光-MIG复合焊接方法，所述钛合金厚板为25mm的钛合金板，激光-MIG复合焊接方法步骤如下：

S1、将待焊钛合金板厚板8的待焊接头加工成预设形状的u型坡口，坡口角度9为4°，钝边厚度12为2mm，底部坡口间隙6mm，最大坡口间隙小于10mm；在待焊钛合金厚板8的单侧设计坡口；

S2、打磨所述待焊接头的u型坡口及其坡口周围区域，并进行清洗；

S3、将所述待焊钛合金板厚板8置于气体保护装置中，对接固定；

所述气体保护装置包括由保护气室底板2，设置在保护气室底板2左右两侧的两个固定侧板，设置在保护气室底板2前后两侧通过合页与保护气室底板2相连的两个密封挡板1和保护气室上盖板3构成的保护气室；所述保护气室底板2上四个角对称分布有固定螺栓4，中间设置有用于支撑待焊钛合金板厚板8的钳口铁2a；所述两个密封挡板1上接近底部的位置沿径向密集设有均匀导气小孔1a用于接入保护气体导气管，充入保护气体制造气体保护氛围；两个密封挡板1的顶部设置有垂直方向的长条通槽1b；所述保护气室上盖板3上四个角设置有与所述固定螺栓4配合的螺栓孔，中间设置有用于穿过激光束和MIG焊枪的可滑动的滑盖通孔装置，侧面设置有与所述长条通槽1b位置对应的蝴蝶螺母6和锁紧螺栓孔；

将所述待焊钛合金板厚板8置于气体保护装置中的具体操作是：将待焊钛合金板厚板8放入保护气室内的钳口铁2a上，使焊缝方向与滑盖通孔装置可滑动的方向平行且垂直对准；通过固定螺栓4将保护气室上盖板3、待焊钛合金板厚板8、钳口铁2a及保护气室底板2夹紧，再通过蝴蝶螺母6依次穿过密封挡板1上的长条通槽1b和保护气室上盖板3侧面的锁紧螺栓孔将密封挡板1和保护气室上盖板3密封夹紧；将保护气体导气管接入两个密封挡板1上设置的导气小孔1a中，打开气阀调整气流量，使保护气室充满稳定流动的保护气体；

S4、使用激光-MIG复合热源对待焊钛合金板厚板8的待焊接头进行多层焊接，每一层焊接结束后，控制焊枪退出保护气室并清理焊道，待焊缝冷却至室温后立刻进行下一层焊接直至填满坡口；

焊接工艺参数为：激光束的离焦量为0mm，激光功率为2kw；MIG焊枪的焊丝直径为1.2mm，焊丝长度为15mm；脉冲电流为180A，焊接电压为22V；焊接时激光束在前，MIG焊枪在后同步移动，激光束向焊接方向倾斜，与垂直方向的夹角为10°，MIG焊枪向反焊接方向倾斜，与垂直方向的夹角为60°，光丝间距为2mm，焊接速度10mm/s，送丝速度6m/min。

本例中所述滑盖通孔装置包括设置在保护气室上盖板3上的长条形开孔3b、与长条形开孔3b平行的导槽装置和可沿导槽装置滑动的滑盖5，所述滑盖5上开有可供MIG焊枪和激光束通过的滑盖开孔5a，滑盖5沿导槽装置滑动的时候，滑盖开孔5a沿长条形开孔3b滑动。

本例中所述导槽装置由上下两个导槽平台3a和夹在两个导槽平台3a之间的由两个限位条组成的导槽。

本例中所述滑盖5上还设置有用于固定激光头和MIG焊枪的焊枪滑盖连接杆7，用于保证滑盖5与激光头和MIG焊枪同步移动。

本例中所述保护气体为纯度为99％以上的氩气，焊接过程中，向保护气室通入的保护气体流速为25L/min。

图7为实施例25mm厚板钛合金板的单边坡口焊缝质量示意图。其中图7(a)为焊缝表面形貌，可以看到焊缝表面光亮、成型均匀，无驼峰、咬边、未熔合等缺陷，坡口侧壁无飞溅附着，表明熔滴过渡平稳、熔池状态稳定，气体保护效果良好。7(b)是焊缝X-ray气孔测定结果，可以发现焊缝内部无明显气孔缺陷，表明焊接过程电弧及熔池稳定性强。图7(c)为焊缝横截面金相图片，可以看出焊缝与坡口侧壁熔合良好，无未熔合、咬边等缺陷，组织状态为沿最大温度梯度方向生长的典型柱状晶粒，焊缝冶金质量良好。

实施例2

一种用于钛合金厚板的激光-MIG复合焊接方法，所述钛合金厚板为45mm的钛合金板，激光-MIG复合焊接方法步骤如下：

S1、将待焊钛合金板厚板8的待焊接头加工成预设形状的u型坡口，坡口角度9为3°，钝边厚度12为2mm，底部坡口间隙3mm，最大坡口间隙小于6mm；在待焊钛合金厚板8的双侧设计坡口；

S2、打磨所述待焊接头的u型坡口及其坡口周围区域，并进行清洗；

S3、将所述待焊钛合金板厚板8置于气体保护装置中，对接固定；

所述气体保护装置包括由保护气室底板2，设置在保护气室底板2左右两侧的两个固定侧板，设置在保护气室底板2前后两侧通过合页与保护气室底板2相连的两个密封挡板1和保护气室上盖板3构成的保护气室；所述保护气室底板2上四个角对称分布有固定螺栓4，中间设置有用于支撑待焊钛合金板厚板8的钳口铁2a；所述两个密封挡板1上接近底部的位置沿径向密集设有均匀导气小孔1a用于接入保护气体导气管，充入保护气体制造气体保护氛围；两个密封挡板1的顶部设置有垂直方向的长条通槽1b；所述保护气室上盖板3上四个角设置有与所述固定螺栓4配合的螺栓孔，中间设置有用于穿过激光束和MIG焊枪的可滑动的滑盖通孔装置，侧面设置有与所述长条通槽1b位置对应的蝴蝶螺母6和锁紧螺栓孔；

将所述待焊钛合金板厚板8置于气体保护装置中的具体操作是：将待焊钛合金板厚板8放入保护气室内的钳口铁2a上，使焊缝方向与滑盖通孔装置可滑动的方向平行且垂直对准；通过固定螺栓4将保护气室上盖板3、待焊钛合金板厚板8、钳口铁2a及保护气室底板2夹紧，再通过蝴蝶螺母6依次穿过密封挡板1上的长条通槽1b和保护气室上盖板3侧面的锁紧螺栓孔将密封挡板1和保护气室上盖板3密封夹紧；将保护气体导气管接入两个密封挡板1上设置的导气小孔1a中，打开气阀调整气流量，使保护气室充满稳定流动的保护气体；

S4、使用激光-MIG复合热源对待焊钛合金板厚板8的待焊接头进行多层焊接，每一层焊接结束后，控制焊枪退出保护气室并清理焊道，待焊缝冷却至室温后立刻进行下一层焊接直至填满坡口；

焊接工艺参数为：接头共18道焊缝，采用双面交替焊接成型。由于沿板厚方向坡口间隙逐渐增大，焊接填充量需求增加，同时焊缝未熔合缺陷风险增大，因此将焊缝中间填充层焊接速度降低为9mm/s，激光功率增大为2kw，以适当增大热输入。激光斑点离焦量为0mm，光丝间距为2mm，焊丝干伸长15mm。每道焊缝具体焊接工艺参数见表1。

表1

本例中所述滑盖通孔装置包括设置在保护气室上盖板3上的长条形开孔3b、与长条形开孔3b平行的导槽装置和可沿导槽装置滑动的滑盖5，所述滑盖5上开有可供MIG焊枪和激光束通过的滑盖开孔5a，滑盖5沿导槽装置滑动的时候，滑盖开孔5a沿长条形开孔3b滑动。

本例中所述导槽装置由上下两个导槽平台3a和夹在两个导槽平台3a之间的由两个限位条组成的导槽。

本例中所述滑盖5上还设置有用于固定激光头和MIG焊枪的焊枪滑盖连接杆7，用于保证滑盖5与激光头和MIG焊枪同步移动。

本例中所述保护气体为纯度为99％以上的氩气，焊接过程中，向保护气室通入的保护气体流速为25L/min。

图8为本发明实施例2中45mm厚板钛合金板的多道焊接接头截面宏观形貌图。从图8中可以看出整体接头无明显焊接变形、裂纹、气孔、未熔合等缺陷，焊缝均匀，焊道与焊道之间过渡平滑，呈I型形貌。

上述实施例为本发明的典型实施方式，但本发明实施方式不受上述实施例的限制。其它任何未背离本发明精神实质及原理所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效置换方式，包含在本发明保护范围之内。