一種電磁感應(yīng)同步預(yù)熱輔助的基于激光増材制造的連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料激光焊接新方法，具體為采用基于激光增材制造的連接方法過程中輔以電磁感應(yīng)同步預(yù)熱的方法，屬于材料加工工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]T1-Al系金屬間化合物材料合金具有比強度高、密度低、斷裂韌性好和抗蠕變性強等優(yōu)異性能，成為高溫結(jié)構(gòu)材料的研究熱點，作為傳統(tǒng)Ti合金以及高密度鎳基高溫合金的替代材料被寄予了極大的關(guān)注。T1-Al系金屬間化合物中以Ti3AUTiAl和TiAl3的研究較為廣泛。
[0003]目前文獻中關(guān)于T1-Al系金屬間化合物材料的焊接多集中在電弧焊、擴散焊和電子束焊接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊件的強度未能達到母材的強度，主要的問題是焊件的高溫塑性很差，焊接過程中容易產(chǎn)生裂紋。擴散焊存在接頭強度低、容易形成脆性層等問題；電子束焊接接頭組織容易形成柱狀晶以及粗大的等軸晶;常規(guī)激光焊接由于冷卻速度快，，對焊接熱輸入敏感，容易導(dǎo)致晶粒粗大影響接頭韌性。
[0004]激光增材制造(也稱為3D打印)技術(shù)，是基于微積分的思想，采用激光分層掃描、疊加成形的方式逐層增加材料將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成三維實體零件。真正意義上實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化加工，具有加工柔性高、無需模具、工序少、加工周期短、可以加工任意形狀、尺寸適應(yīng)性好、對于小批量零件加工成本低且成形件物理化學性能優(yōu)異等優(yōu)點。因此，針對T1-Al系金屬間化合物激光焊接容易產(chǎn)生裂紋、組織粗大、高溫塑性差等問題，我們前期提出了一種基于激光増材制造的連接方法，也就是根據(jù)T1-Al系金屬間化合物的焊縫接頭，設(shè)計一定形狀的坡口，以適應(yīng)進行増材制造，然后利用激光沉積的方法在兩連接材料的焊縫之間根據(jù)激光増材制造的原理，通過逐層堆積的方法形成一個類似于兩母材之間焊縫形狀的新材料，利用所形成的新材料來連接兩母材。由于是利用基于増材制造的原理采用逐層堆積的方法，每層材料的厚度非常薄，因此，可以通過對工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)材料連接接頭內(nèi)部氣孔、裂紋等缺陷的降低或控制。
[0005]但是，針對T1-Al系金屬間化合物采用基于激光增材制造的方法連接過程中，在激光沉積的層與層之間也出現(xiàn)了裂紋；同時對于鋁合金，采用基于激光增材制造的方法連接過程中，金屬材料對激光反射比較嚴重，激光利用率低、也易產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決T1-Al系金屬間化合物材料、高溫合金、鋁合金等對激光焊接裂紋敏感、激光反射嚴重的材料焊接存在的裂紋等缺陷傾向大、激光利用率低等問題，而提出提出一種電磁感應(yīng)同步預(yù)熱輔助的基于激光増材制造的連接方法。
[0007]本發(fā)明的一種電磁感應(yīng)同步預(yù)熱輔助的基于激光増材制造的連接方法，它是按照以下內(nèi)容進行:
[0008]步驟一:將待焊工件待焊位置加工成V型坡口，并對坡口及附近位置表面清理、打磨并用夾具將待焊工件裝夾固定在工作臺上；
[0009]步驟二:設(shè)置工藝參數(shù):
[00?0]預(yù)熱部分:
[0011]感應(yīng)電流為300A?1000A，控制預(yù)熱溫度為100°C?200°C，感應(yīng)線圈中心與激光光斑中心距離d為5mm?18mm;
[0012]焊接部分:
[0013]激光功率為300W?4000W，光斑直徑為Imm?4mm，焊接速度為3mm/s?40mm/s，送粉速度為2g/min?25g/min，送粉載氣流量為3L/min?12L/min，保護氣以及束流氣流量均為5L/min，激光頭沿焊接方向前傾5° ;
[0014]步驟三:在墊板充Ar槽內(nèi)充入Ar氣，流量范圍為5L/min?15L/min ；
[0015]步驟四:預(yù)熱感應(yīng)加熱線圈先作用于待焊材料表面，控制預(yù)熱溫度至100°C?200°C，隨后，激光束作用在待焊工件表面，同時通過同軸或旁軸送粉器送入填充粉末實施焊接，感應(yīng)線圈預(yù)熱裝置與激光束同步沿焊縫行走施焊，即完成所述的電磁感應(yīng)同步預(yù)熱輔助的基于激光増材制造的連接。
[0016]本發(fā)明基于激光增材制造連接方法原理為:利用增材制造的原理，控制能量輸入，采用激光沉積、逐層填充的方式形成一個類似于坡口形狀的零件直接連接。在基于激光増材制造連接過程中，在激光填粉沉積連接焊縫的前方，對接頭需要連接的部分進行加熱，加熱溫度一般為100-200°C左右，以便為后續(xù)進行激光填粉沉積過程預(yù)熱，避免増材制造過程中出現(xiàn)裂紋，同時降低工件對激光的反射率、提高吸收率。其加熱方法可以采用電磁感應(yīng)加熱。電磁感應(yīng)同步預(yù)熱輔助的基于激光增材制造連接過程中激光可采用半導(dǎo)體激光、0)2氣體激光、YAG固體激光或者光纖激光等;送粉器采用單筒或雙筒送粉器;送粉頭采用同軸或旁軸送粉頭。
[0017]本發(fā)明包含以下有益效果:
[0018]電磁感應(yīng)同步預(yù)熱輔助的基于激光増材制造的連接方法，采用電磁感應(yīng)線圈作為預(yù)熱熱源，緩解材料焊接過程裂紋敏感傾向，有效改善材料對激光吸收率低、焊接過程耗能大等缺點，提高激光利用率；同時，感應(yīng)加熱焊縫及周圍材料，減小焊縫周圍區(qū)域在焊接過程中的溫度梯度，能有效改善焊后微觀組織，提高焊接接頭性能。本發(fā)明的激光功率可下降200W左右，降低了生產(chǎn)成本;在相同激光功率下進行鋁合金激光填粉連接，其焊接效率可提高1.5倍左右。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的電磁感應(yīng)同步預(yù)熱輔助的基于激光增材制造連接方法示意圖。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:本實施方式的一種電磁感應(yīng)同步預(yù)熱輔助的基于激光増材制造的連接方法，它是按照以下內(nèi)容進行:
[0021]步驟一:將待焊工件待焊位置加工成V型坡口，并對坡口及附近位置表面清理、打磨并用夾具將待焊工件裝夾固定在工作臺上；
[0022]步驟二:設(shè)置工藝參數(shù):
[0023]預(yù)熱部分:
[0024]感應(yīng)電流為300A?1000A，控制預(yù)熱溫度為100°C?200°C，感應(yīng)線圈中心與激光光斑中心距離d為5mm?18mm;
[0025]焊接部分:
[0026]激光功率為300W?4000W，光斑直徑為Imm?4mm，焊接速度為3mm/s?40mm/s，送粉速度為2g/min?25g/min，送粉載氣流量為3L/min?12L/min，保護氣以及束流氣流量均為5L/min，激光頭沿焊接方向前傾5° ;
[0027]步驟三:在墊板充Ar槽內(nèi)充入Ar氣，流量范圍為5L/min?15L/min ；
[0028]步驟四:預(yù)熱感應(yīng)加熱線圈先作用于待焊材料表面，控制預(yù)熱溫度至100°C?200°c，隨后，激光束作用在待焊工件表面，同時通過同軸或旁軸送粉器送入填充粉末實施焊接，感應(yīng)線圈預(yù)熱裝置與激光束同步沿焊縫行走施焊，即完成所述的電磁感應(yīng)同步預(yù)熱輔助的基于激光増材制造的連接。
[0029]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:預(yù)熱部分的工藝參數(shù)為:感應(yīng)電流為500A?1000A，控制預(yù)熱溫度為120°C?200°C，感應(yīng)線圈中心與激光光斑中心距離d為8mm?18mm。其它與【具體實施方式】一相同。
[0030]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:預(yù)熱部分的工藝參數(shù)為:感應(yīng)電流為800A?1000A，控制預(yù)熱溫度為150°C?200°C，感應(yīng)線圈中心與激光光斑中心距離d為1mm?18mm。其它與【具體實施方式】一相同。
[0031]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:預(yù)熱部分的工藝參數(shù)為:感應(yīng)電流為800A?1000A，控制預(yù)熱溫度為180°C?200°C，感應(yīng)線圈中心與激光光斑中心距離d為15mm?18mm。其它與【具體實施方式】一相同。
[0032]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:預(yù)熱部分的工藝參數(shù)為:感應(yīng)電流為800A?1000A，控制預(yù)熱溫度為160°C，感應(yīng)線圈中心與激光光斑中心距離d為16_。其它與【具體實施方式】一相同。
[0033]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:焊接部分的工藝參數(shù)為:激光功率為500W?4000胃，光斑直徑為1!11111?4111111，焊接速度為8111111/8?4()111111/8，送粉速度為5g/min?25g/min，送粉載氣流量為5L/min?12L/min，保護氣以及束流氣流量均為5L/min，激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0034]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:焊接部分的工藝參數(shù)為:激光功率為1000W?4000W，光斑直徑為Imm?4mm，焊接速度為12mm/s?40mm/s，送粉速度為10g/min?25g/min，送粉載氣流量為8L/min?12L/min，保護氣以及束流氣流量均為5L/min，激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0035]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:焊接部分的工藝參數(shù)為:激光功率為2000W?4000W，光斑直徑為Imm?4mm，焊接速度為18mm/s?40mm/s，送粉速度為15g/min?25g/min，送粉載氣流量為8L/min?12L/min，保護氣以及束流氣流量均為5L/min，激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0036]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:焊接部分的工藝參數(shù)為:激光功率為3000W?4000W，光斑直徑為Imm?4mm，焊接速度為25mm/s?40mm/s，送粉速度為18g/min?25g/min，送粉載氣流量為10L/min?12L/min，保護氣以及束流氣流量均為5L/min，激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0037]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:焊接部分的工藝參數(shù)為:激光功率為3500W?4000W，光斑直徑為Imm?4mm，焊接速度為30mm/s?40m