[发明专利]一种钛合金薄板激光焊接气体保护装置及变形控制方法

说明书

本发明公开了一种钛合金薄板激光焊接气体保护装置及变形控制方法，包括由内到外同轴设置的第一空腔和第二环形空腔，第一空腔为上下贯通的通孔，通孔上部设有与其同轴的激光头，激光束穿过通孔射向工件，在同一高度上激光束直径小于通孔直径；第二环形空腔为底部向内收口的封闭结构，第二环形空腔的外壁上设有与之连通的第一进气口，第二环形空腔的底部设有朝向焊接工件的第一环形出气口，第一环形出气口的位置不高于通孔的出口，通过采用保护气体环绕激光束外部且倾斜射向焊接工件的方式，在不扰动熔池的同时，吹散金属蒸气和等离子体云，提高焊接效果，并在同轴气体保护组件后设置侧轴气体保护组件，对焊缝区域随焊快速冷却，减小焊接变形量。

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及一种钛合金薄板激光焊接气体保护装置及变形控制方法。

背景技术

钛合金具有高的比强度、比刚度，良好的耐热性和抗腐蚀性等优良性能，使其在民用与军用航空航天领域均得到了广泛的应用。特别是近年来，飞行器轻量化设计的理念越来越成熟完善，薄壁钛合金框架类结构件的使用更是成为航空航天等承力构件的主要结构材料。而激光焊接具有能量密度高、加热集中、质量稳定、焊接效率高、焊接精度高、易实现自动化等优点，在钛合金的薄板零件焊接方面越来越受重视。

因钛合金在高温条件下极易与空气中的碳、氢、氧以及氮等发生反应而改变焊接接头的机械性能，并且激光焊接过程中产生的飞溅物及其它烟气容易污染聚焦反射镜，沉积在聚焦反射镜上的金属蒸气和飞溅微粒降低了激光器到工件的能量转移效率，并使激光束产生像差，恶化了激光束的焊接性能，因此钛合金的激光焊接首先需要解决的就是气体保护问题，现有的钛合金激光焊接气体保护方式多采用旁轴侧吹气或同轴吹气的方式，如申请号为CN105149777B的发明专利，通过设置第一调节板上下位置可调节，转动杆摆动角度可调节，滑块相对转动杆上下位置可调节，侧吹气管相对滑块前后位置可调节，实现对侧吹气管位置的任意调节，为实现将侧吹气管相对焊接工件调节到最佳吹气保护位置提供可能，对焊缝品质进行有效保护，解决了不锈钢零件焊接后表面的氧化问题，但此种装置的保护范围较单一，并不能对焊接件起到很好的保护效果；

再如申请号为CN105772942B的发明专利，包括同轴喷嘴、环形气罩、下腔体、上腔体、第一进气嘴和第二进气嘴，在上腔体和下腔体内分别形成了第一气流通道和第二气流通道，第一气流通道内的气体在出口处对撞后，形成两股气流，其中一股气流向上流动，抑制有害气体进入焊接区域，另一股气流向下流动对焊接区域进行保护，从第二进气嘴进入的保护气体通过第二气流通道后对焊接区域进行延时保护，此装置虽然提高了对熔池的保护效果，但从第一气流通道向下流动的保护气体直接吹向熔池，会对熔池产生扰动，易产生气孔，并且对金属蒸气和等离子体云的驱散效果较差。

另外，对于钛合金薄板构件的激光焊接不仅需要考虑气体保护问题，还需考虑焊接变形问题。钛合金的弹性模量比钢小很多，导热性能也差。钛合金薄板构件激光焊接时，接头区域被快速地加热到很高温度，高度集中的瞬态热输入使得焊后产生较大的残余应力，这极易造成薄板构件的焊接失稳变形。通常用于减小焊接变形的方法为：焊前预置反向变形的反变形法、焊时机械式实时冲击法以及焊后挤压式矫正法或热处理的方法，然而以上措施仍存在许多不足，不仅增加了生产成本、降低了工作效率，对薄板构件不可预知的损伤也是难以控制的，并且申请号为CN105149777B的发明专利仅利用保护气体保护焊缝不受氧化，没有关于在焊接的过程中对焊后位置进行冷却的相关记载，申请号为CN105772942B的发明专利中对焊缝的冷却仅限于熔池周边的区域，也没有关于在焊接的过程中对焊后位置进行冷却的相关记载。

故综上所述，现有的焊接气体保护装置中不仅存在保护范围单一、不能有效驱散金属蒸气和等离子体云，影响焊接效果的问题，还存在不能随焊对焊后位置进行充分冷却，降低残余应力，解决焊接薄板易发生变形的问题。

发明内容