CN105436707A - 一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，它涉及一种连接方法。本发明解决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。本发明的方法为：对待焊工件加工打磨清洗，设置工艺参数，进行焊接。本发明采用电磁感应线圈作为预热热源，缓解材料焊接过程裂纹敏感倾向，有效改善材料对激光吸收率低、焊接过程耗能大等缺点，提高激光利用率；同时，感应加热焊缝及周围材料，减小焊缝周围区域在焊接过程中的温度梯度，能有效改善焊后微观组织，提高焊接接头性能。

Description

一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法
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电磁感应同步预热的方法，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，而提出提出一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法。
本发明的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，它是按照以下内容进行：
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：
感应电流为300A～1000A，控制预热温度为100℃～200℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为5mm～18mm；
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，流量范围为5L/min～15L/min；
步骤四：预热感应加热线圈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，感应线圈预热装置与激光束同步沿焊缝行走施焊，即完成所述的电磁感应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。其加热方法可以采用电磁感应加热。电磁感应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：
电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，采用电磁感应线圈作为预热热源，缓解材料焊接过程裂纹敏感倾向，有效改善材料对激光吸收率低、焊接过程耗能大等缺点，提高激光利用率；同时，感应加热焊缝及周围材料，减小焊缝周围区域在焊接过程中的温度梯度，能有效改善焊后微观组织，提高焊接接头性能。本发明的激光功率可下降200W左右，降低了生产成本；在相同激光功率下进行铝合金激光填粉连接，其焊接效率可提高1.5倍左右。
附图说明
图1为本发明的电磁感应同步预热辅助的基于激光增材制造连接方法示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，它是按照以下内容进行：
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：
感应电流为300A～1000A，控制预热温度为100℃～200℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为5mm～18mm；
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，流量范围为5L/min～15L/min；
步骤四：预热感应加热线圈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，感应线圈预热装置与激光束同步沿焊缝行走施焊，即完成所述的电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：预热部分的工艺参数为：感应电流为500A～1000A，控制预热温度为120℃～200℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为8mm～18mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：预热部分的工艺参数为：感应电流为800A～1000A，控制预热温度为150℃～200℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为10mm～18mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：预热部分的工艺参数为：感应电流为800A～1000A，控制预热温度为180℃～200℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为15mm～18mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：预热部分的工艺参数为：感应电流为800A～1000A，控制预热温度为160℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为16mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为：激光功率为500W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为8mm/s～40mm/s，送粉速度为5g/min～25g/min，送粉载气流量为5L/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°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为：激光功率为1000W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为12mm/s～40mm/s，送粉速度为10g/min～25g/min，送粉载气流量为8L/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°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为：激光功率为2000W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为18mm/s～40mm/s，送粉速度为15g/min～25g/min，送粉载气流量为8L/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°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为：激光功率为3000W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为25mm/s～40mm/s，送粉速度为18g/min～25g/min，送粉载气流量为10L/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°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：焊接部分的工艺参数为：激光功率为3500W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为30mm/s～40mm/s，送粉速度为20g/min～25g/min，送粉载气流量为10L/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°。其它与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的方法如下：
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：
感应电流为600A，控制预热温度为100℃～150℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为5mm；
焊接部分：
激光功率为300W，光斑直径为1mm，焊接速度为3mm/s，送粉速度为2g/min，送粉载气流量为3L/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，流量范围为5L/min～15L/min。
步骤四：预热电磁感应线圈先作用于待焊材料表面，控制预热温度至100℃～200℃，随后，激光束作用在待焊材料表面，同时通过同轴或旁轴送粉器送入填充粉末实施焊接，电磁感应线圈预热装置与激光束同步沿焊缝行走施焊。
实施例2
本实施例的方法如下：
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：
感应电流为1000A，控制预热温度为200℃～240℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为18mm；
焊接部分：
激光功率为4000W，光斑直径为4mm，焊接速度为40mm/s，送粉速度为25g/min，送粉载气流量为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，流量范围为5L/min～15L/min。
步骤四：预热感应加热线圈先作用于待焊材料表面，控制预热温度至100℃～200℃，随后，激光束作用在待焊材料表面，同时通过同轴或旁轴送粉器送入填充粉末实施焊接，感应线圈预热装置与激光束同步沿焊缝行走施焊。
实施例3
本实施例的方法如下：
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：
感应电流为800A，控制预热温度为120℃～160℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为15mm；
焊接部分：
激光功率为1000W，光斑直径为3mm，焊接速度为20mm/s，送粉速度为20g/min，送粉载气流量为10L/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，流量范围为5L/min～15L/min。
步骤四：预热电磁感应线圈先作用于待焊材料表面，控制预热温度至100℃～200℃，随后，激光束作用在待焊材料表面，同时通过同轴或旁轴送粉器送入填充粉末实施焊接，感应线圈预热装置与激光束同步沿焊缝行走施焊。
为了验证本发明的实施效果，以2mm厚铝合金为试验对象，分别采用基于激光増材制造的连接方法和采用电磁感应线圈同步预热辅助基于激光増材制造的连接方法进行了焊接。与采用基于激光増材制造的连接方法焊接铝合金相比，采用电磁感应线圈同步预热辅助基于激光増材制造的连接方法进行铝合金焊接时，由于电磁感应线圈的预热作用增加了铝合金对激光的吸收率，激光功率可下降200W左右，降低了生产成本；在相同激光功率下进行铝合金激光填粉连接，其焊接效率可提高1.5倍左右；同时预热也大大降低了裂纹产生几率，有利于填充材料分布的均匀性，提高接头性能。

Claims (10)

1.一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于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：
感应电流为300A～1000A，控制预热温度为100℃～200℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为5mm～18mm；
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，流量范围为5L/min～15L/min；
步骤四：预热感应加热线圈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，感应线圈预热装置与激光束同步沿焊缝行走施焊，即完成所述的电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接。
2.根据权利要求1所述的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于预热部分的工艺参数为：感应电流为500A～1000A，控制预热温度为120℃～200℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为8mm～18mm。
3.根据权利要求2所述的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于预热部分的工艺参数为：感应电流为800A～1000A，控制预热温度为150℃～200℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为10mm～18mm。
4.根据权利要求3所述的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于预热部分的工艺参数为：感应电流为800A～1000A，控制预热温度为180℃～200℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为15mm～18mm。
5.根据权利要求4所述的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于预热部分的工艺参数为：感应电流为800A～1000A，控制预热温度为160℃，感应线圈中心与激光光斑中心距离d为16mm。
6.根据权利要求1所述的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于焊接部分的工艺参数为：激光功率为500W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为8mm/s～40mm/s，送粉速度为5g/min～25g/min，送粉载气流量为5L/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°。
7.根据权利要求6所述的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于焊接部分的工艺参数为：激光功率为1000W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为12mm/s～40mm/s，送粉速度为10g/min～25g/min，送粉载气流量为8L/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°。
8.根据权利要求7所述的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于焊接部分的工艺参数为：激光功率为2000W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为18mm/s～40mm/s，送粉速度为15g/min～25g/min，送粉载气流量为8L/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°。
9.根据权利要求8所述的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于焊接部分的工艺参数为：激光功率为3000W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为25mm/s～40mm/s，送粉速度为18g/min～25g/min，送粉载气流量为10L/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°。
10.根据权利要求9所述的一种电磁感应同步预热辅助的基于激光増材制造的连接方法，其特征在于焊接部分的工艺参数为：激光功率为3500W～4000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为30mm/s～40mm/s，送粉速度为20g/min～25g/min，送粉载气流量为10L/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°。
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