[发明专利]一种大厚度框架类金属零件的增材焊接方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种大厚度框架类金属零件的增材焊接方法，其属于增材焊接领域。

背景技术：

随着航空航天事业的快速发展，对机体框架等大厚度框架类零件的焊接质量要求越来越高。目前关于大厚度框架类零件的常用焊接技术中，电子束焊接需在真空环境下进行，实际实施工作困难，成本高，周期长；多层多道焊接存在层间未熔合现象，焊接缺陷多，焊件质量低，使用寿命短；激光焊接技术焊透率低，桥接性能差，且存在等离子屏蔽效应；而复合焊接技术存在不良耦合现象，柔性低，易产生焊接缺陷。因此急需一种新型焊接技术解决上述工艺难点。

送粉增材焊接技术是一种新兴的先进焊接技术。它利用高能密度的激光束快速加热熔化特性，使与激光同轴耦合输出的粉末与零件表面熔化混合，从而实现零件间的接合。大厚度框架类高性能金属零件的增材焊接技术，主要以可调控金属粉末作为焊料，激光束沿特定焊接路径熔化零件和粉末焊料形成大尺寸熔融区域，实现逐层交替融合与充分冶金，熔池冷却凝固后形成零件间的连接。

大厚度框架类零件的送粉增材焊接技术是在原来激光多层多道焊接技术的基础上，针对激光功率密度小，焊丝所需激光功率阈值高且多层多道焊接质量差的问题，进一步提出新的方法。目前，激光焊接、激光增材制造技与摆动焊接技术结合在一起，构成了大厚度零件的送粉增材激光焊接体系，此技术具有重要的研究与应用意义。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种大厚度框架类金属零件的增材焊接方法，该方法具有：焊接质量高、柔性高、效率高、性价比高、使用寿命高等优点。

本发明采用如下技术方案：一种大厚度框架类金属零件的增材焊接方法，包括如下步骤：

(1)、大厚度零件坡口形状设计与焊前准备：在待焊零件上制备单面坡口，其为U型坡口或者V型坡口，焊前将开坡口的待焊零件用砂纸打磨，然后将其用丙酮清洗，以去除表面杂质，取出后吹干后采用反变形装夹待焊零件，焊料选用球磨制备的合金粉末，颗粒直径为100-150μm；

(2)、进行激光增材焊接实验：选用的焊接设备中送粉头和粉末供粉箱相连接，粉末供粉箱与焊接机床上的数控机床相连接，送粉头根据预定轨迹输送合金粉末与激光器输出的激光同轴耦合输出，熔化待焊零件表面与合金粉末形成大尺寸逐层交替熔融区域，熔池冷却凝固后形成堆积层，实现两待焊零件间的连接。

进一步地，步骤(2)中采用分层焊接，每层采用单道摆动焊缝填充，焊接路径为V型路径或者S型路径。

进一步地，待焊零件的厚度范围为120mm-150mm。

进一步地，所述U型坡口根部为圆弧，两侧斜角为3-7°，钝边尺寸为3-6mm；所述V型坡口角度为60°，钝边尺寸为2-3mm。

进一步地，所述步骤(2)中激光器的具体参数为：激光功率为2000-6000W，光斑直径为2-8mm，焊接速度为0.15-0.45m/min，焊接过程采用流量为15L/min的80％氩气+20％二氧化碳气体作为保护气体以避免待焊零件氧化。

本发明具有如下有益效果：

本发明结合了激光增材制造技术与多层单道焊接技术的优点，解决了大厚度零件与超大厚度零件的焊接难题，采用多层单道焊接技术实现了层间充分冶金结合，解决了多层多道焊接层间未熔合、焊接质量差等问题；采用送粉增材制造方法送粉效率高，实现了焊料的成分定制，解决了焊丝所需功率阈值高、焊接过程不稳定等问题。

本发明的增材焊接方法与现有的电子束焊接方法相比，无需真空环境，降低了实施条件难度，有效地节约了成本；与激光焊接方法相比，克服了激光焊透率低，无法焊接超大厚度零件的难题，同时保证了焊接质量，提高了工作效率；与复合焊接技术相比，不存在不佳工艺参数造成的不良耦合现象，提高了焊接柔性，减少了焊接缺陷。在获得优异性能焊件的同时，降低了生产难度，具有柔性高、效率高、质量高的优点。

附图说明：

图1为本发明V型坡口示意图。

图2为本发明V型坡口、V型路径增材焊接示意图。

图3为堆积层层间融合示意图。

图4为本发明V型焊接热源与送粉路径示意图。

图5为本发明U型坡口示意图。

图6为本发明U型坡口、S型路径增材焊接示意图。

图7为本发明S型焊接热源与送粉路径示意图。

其中：

1-送粉头；2-粉末供粉箱；3-数控机床；4-合金粉末；5-激光器；6-激光；7-第一待焊零件；8-第二待焊零件；9-堆积层。