[发明专利]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

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：