CN102653034A - 高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，旨在提供一种质量稳定、效率较高，接头处焊接后熔深适中、焊缝规则、接头光亮、熔化均匀、激光斑点相互重叠形成连续致密焊道的加工方法。本发明通过下述技术方案予以实现：(a)去除焊处表面氧化物，清洗剂对接头部位；(b)用夹具将阀座与密封垫片紧密贴合，装夹在三爪卡盘上，转台倾斜45°，熔化阀体组件角接处部位；(c)根据材料特点，设置单个脉冲能量，脉冲波形采用“前陡后缓”，使激光能量快速上升到峰值，迅速加热改善吸收性，随后缓慢下降并维持继续加热，避免强烈飞溅的同时增加熔深，将角接处部位熔化成一体，匹配合理焊接速度、脉冲频率，使得激光斑点相互重叠形成连续致密的焊道。
Description
技术领域
本发明是关于高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，特别是适应于焊接材料不同、要求承受压强大、泄漏率低的高压密封产品。
背景技术
阀体组件是航空发动机上典型高压密封产品，其制造的精度直接影响航空发动机的重要特性。因此，对阀体组件连接有严格要求。通常高压密封阀体组件连接主要有整体机械加工和焊接加工两种方式。
采用整体机械加工，工艺复杂、制造成本高，且生产效率低，不便于批量生产，并且该阀体组件在特殊环境下工作，阀座为耐热钢，垫片为0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，异种材料组成无法进行整体机械加工。
作为最后一道工序，焊后无余量加工，因此对焊接变形控制要求严格，更不允许焊缝穿透密封垫片，否则垫片失去密封作用。采用常规焊接方法—氩弧焊，输出热量过大、热影响区过宽、焊接变形严重，同轴度无法控制在0.05mm以内，无法满足使用要求，很难从工艺参数上对焊接质量进行有效控制，无法从根本上避免焊接变形现象，造成零件报废。
采用常规激光焊接方法，功率密度过高、穿透力过强、能量过于集中，容易出现表面成形不够均匀，焊缝的后1/3 段表面有凹陷缺陷，产生这种缺陷的主要原因是由于垫片过薄，热容量相对较小，焊接过程中不同的时间段零件温升差异很大，特别是在焊接环焊缝的后1/3 段，由于激光焊接过程的加热和前段焊缝的热传导，零件升温已较高，焊缝金属熔化量相对前2/3 段要大，焊缝成形较前2/3 段宽且形成深浅不一的凹陷现象，从而造成零件焊后变形严重，同轴度无法控制在0.05mm以内，当焊深超过止口线时极易出现局部烧穿、焊漏，造成零件报废。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提出一种质量稳定、效率较高，接头处焊接后熔深适中、焊缝规则、接头光亮、熔化均匀、激光斑点相互重叠形成连续致密焊道的加工方法。
为了达到上述目的，本发明提供高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a) 首先用机械方法去除零件待焊接处接头部位表面的氧化物，然后用有机清洗剂，对焊缝接头部位进行清洗；
(b) 通过专用夹具将阀座与密封垫片焊缝角接处紧密贴合在一起；
(c) 根据材料的特点，合理设置单个脉冲能量，脉冲波形采用“前陡后缓”，使激光能量快速上升到峰值，材料迅速加热以改善吸收性，随后缓慢下降并维持继续加热，避免强烈飞溅的同时增加熔深，将角接处部位熔化成一体，通过合理匹配焊接速度、脉冲频率，使得激光斑点相互重叠形成连续致密的焊道。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明通过程序设置脉冲波形，采用脉冲激光对阀体组件分段施焊项异种材料，整体连接，利用方法对设备无其他要求，在一般激光焊机上即可完成高压密封阀体组件的焊接。对激光焊接设备无其他要求，操控简便、批量生产质量稳定、精确可控、效率较高；激光焊接后熔深适中、焊缝规则、接头光亮、熔化均匀，斑点重叠，焊道致密；本发明所述脉冲激光焊接方法相对于与整体机械加工方法，工艺简单、制造成本低，且生产效率高，相对于其他焊接方法变形小、精度高，相对于常规激光焊接，稳定性好、可靠性高、密封效果好。本发明所述加工方法是对高压密封阀体组件分段施焊，整体连接，所需工艺流程简单，成型效率高，焊后同轴度控制在0.02mm以内，热变形量极小、经高压密封试验，焊接强度可承受40MPa压强、泄漏率稳定在3×10-10 Pa·m3/s，产品合格率达到100%，完全满足设计要求。
附图说明
图1是本发明高压密封阀体组件脉冲激光焊接的示意图。
图中：1.阀座，2.密封垫片。
具体实施方式
参见图1。以下实施例中将进一步说明本发明，这些实施例仅用于说明本发明而对本发明没有限制。
焊前准备。用机械方法去除零件接头表面的氧化物，焊前用有机清洗剂丙酮对待焊处接头附近严格的清洗。采用刚性固定法，将阀座与垫片紧密贴合装入夹具，“八点对称、螺栓紧固”，预紧力的大小由螺纹调整。通过 “侧顶上压”控制焊后轴、径两个方向的收缩、以减小角变形和弯曲变形，从而控制阀座与垫片的同轴度，最大限度保证阀体组件密封效果。
根据不锈钢与耐热钢材料焊接特点，首先对装配组件圆周接缝处实施若干点脉冲激光定位点焊，定位焊点在环行焊缝上均布，以减小环行焊缝在焊接过程中因局部受热引起的变形，同时避免受热导致待焊处张口，确保焊接密封性。
选择激光峰功率、脉冲宽度、离焦量激光参数。在激光参数的选择上，可以选择，激光峰功率为20%～30%，脉冲宽度为25～35ms,离焦量为-0.5～0mm工艺参数中，取任意一个具体数值。设定脉冲激光波形为“前陡后缓”， 有利于两种材料迅速加热，改善吸收性能，当激光按照一定的脉冲波形斜率快速上升到峰值后，为了避免金属强烈蒸发产生飞溅同时增加熔深，脉冲峰值宜迅速降低并维持继续加热，在蒸汽压力减小的情况时，有助于在熔池金属开始结晶前填满凹坑，以使已熔金属填满在脉冲起始阶段内形成的凹坑。延长脉冲后沿，缓慢下降，防止熔池金属冷凝后形成气孔，增加脉冲持续时间，彻底排除熔池内的非溶解气体。激光脉冲“快升缓降”，合理分配焊接能量，减小材料对激光能量反射，达到“焊前预热、焊后缓冷”的效果，以消除焊接后气孔、残余应力及焊缝开裂的敏感性，利用激光上升下降时所产生的热量实施瞬间焊接，将阀体组件密封连接部位熔化成一体。重新设置激光脉冲波形及工艺参数可进行不同厚度材料的焊接。
合理设置峰功值，激光焦点位置对熔深影响很大，在设定较小的脉冲功率下，将激光焦点位置调节到工件表面以下0.5mm左右，最大限度发挥激光熔透效力并使焊缝成形良好，以消除熔深不均的缺陷。
选择焊接速度、脉冲频率工艺参数。在工艺参数的选择上，可以选择，焊接速度为10～15 mm/s，脉冲频率为50～60Hz，通过合理匹配焊接速度、脉冲频率，使得激光斑点相互重叠形成连续致密的焊道。
为减小变形积累量，避免焊缝凹陷、穿透，焊接时采取“分段施焊，整体连接”，尽量减小分段焊缝交接长度，避免材料反复受热，产生变形。
在焊接中氩气保护采用直吹加侧吹方式，直吹可先期汽化金属蒸汽中的非金属夹杂物，净化熔化区获得优质焊缝，侧吹有利于减少焊接中产生的等离子云，增加焊接熔深，直吹加侧吹同步进行，可以获得理想的焊接效果。
接头焊缝熔宽、熔深由焊接程序及工艺参数决定。对于不同材质、厚度的阀体组件只需调整脉冲波形、重新设置工艺参数即可改变输入焊接热量完成加工。
通过上述措施，使脉冲激光将阀体组件熔化焊接成一体，实现两种不同材料的高强度密封连接。重新设置脉冲波形、工艺参数可进行不同厚度、不同材质的高压密封产品焊接。
Claims (7)
1.一种高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)去除零件待焊处表面氧化物，清洗对接头部位；
(b)用夹具将阀座与密封垫片紧密贴合在一起，装夹在三爪卡盘上，转台倾斜45°激光熔化阀体组件角接处部位；
(c)采用“前陡后缓” 脉冲波形迅速加热，使激光能量快速上升到峰值，随后缓慢下降并维持继续加热，避免强烈飞溅的同时增加熔深，将角接处部位熔化成一体，匹配焊接速度和脉冲频率，激光斑点相互重叠形成连续致密的焊道。
2.根据权利要求1所述的高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，其特征在于，在激光参数的选择上，激光峰功率为20%～30%，脉冲波形为前陡后缓，脉冲宽度为25～35ms,离焦量为-0.5～0mm工艺参数中，取任意一个具体数值。
3.根据权利要求1所述的高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，其特征在于，增大脉冲持续时间25～30ms，彻底排除熔池内的非溶解气体，防止熔池金属冷凝后形成气孔，在蒸汽压力减小的时，延长脉冲后沿，缓慢下降，以使已熔金属填满在脉冲起始阶段内形成的凹坑。
4.根据权利要求1所述的高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，其特征在于，将激光焦点位置调节到工件表面以下0.5mm左右，最大限度发挥激光熔透效力并使焊缝成形良好，以消除熔深不均的缺陷。
5.根据权利要求1所述的高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，其特征在于，在工艺参数上，选择焊接速度为10～15 mm/s，脉冲频率为50～60Hz。
6.根据权利要求1所述的高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，其特征在于，焊接时采取“分段施焊，整体连接”，尽量减小分段焊缝交接长度，避免材料反复受热，产生变形。
7.根据权利要求1所述的高压密封阀体组件脉冲激光焊接的方法，其特
征在于，在焊接中氩气保护采用侧吹加直吹复合方式，先期汽化金属蒸汽中的非金属夹杂物，净化熔化区获得优质焊缝，并且减少等离子云，增加焊接熔深。
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