技术领域本发明涉及一种变厚度变截面薄壁工件的激光焊接方法。
背景技术：
焊接是工程制造中不可或缺的加工技术之一，通过焊接手段可以显著降低结构件的制造周期以及制造难度，对于节省材料，降低成本有着重要意义。目前激光焊接已经广泛的应用于航空航天结构件的制造之中。航空航天金属结构件中由于其减重、气动外形等苛刻的要求，其零件一般为复杂曲面的腔体结构制造流程复杂，加工难度大，经常会采用焊接的方式制造。目前，自动焊接由于其焊缝成形一致性好，焊缝质量稳定已经得到广泛应用。目前，在航空、航天结构件制造过程中经常会遇到变厚度、变截面零件的焊接。当遇到变截面、变厚度组件进行激光焊接时，一般根据板材的厚度采取增加或降低热输入的方法来解决零件的一次焊接成形问题，例如改变焊接速度或者改变焊接功率。但是一般这种方法由于焊接参量的急剧改变导致变截面过渡处焊接熔池不稳定，极易在零件变截面的突变处(如图1中的G部位)产生气孔、未焊透、穿孔等缺陷。例如当焊接从厚板向薄板过渡时熔池突然变小，在靠近厚板过渡处极易出现未焊合缺陷，而在靠近薄板过渡处则极易出现击穿孔缺陷。
技术实现要素：
为了克服上述问题，本发明提供了一种变厚度变截面薄壁工件的激光焊接方法，该变厚度变截面薄壁工件的激光焊接方法首先对变截面处过渡区进行划分，通过对不同板厚区域激光焊接路径的优化以及激光入射角度的偏摆来实现变截面处熔池的稳定过渡，防止产生气孔、未焊合、击穿孔等缺陷，最终达到焊缝的一次焊接成形获得高质量焊缝。该方法在工程应用中，对变截面处焊接质量以及焊接效率的提高具有很好的参考价值，对不同材料的激光焊接具有较为广泛的适用性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变厚度变截面薄壁工件的激光焊接方法，其特征在于，所述变厚度变截面薄壁工件的激光焊接方法包括以下步骤：步骤1、将两个变厚度变截面薄壁工件对接装卡，两个变厚度变截面薄壁工件之间形成接缝，接缝含有依次连接的薄壁连接段和薄壁分离段，薄壁连接段和薄壁连接段之间为突变点，在接缝上突变点两侧的为过渡区；步骤2、使激光束射向两个变厚度变截面薄壁工件的接缝并沿该接缝行进，使两个变厚度变截面薄壁工件焊接；当激光束从薄壁连接段向薄壁分离段行进的过程中，激光束在照射到过渡区的起始位置时，激光束减小焊接热输出；当激光束从薄壁分离段向薄壁连接段行进的过程中，激光束在照射到突变点时，激光束增大焊接热输出。本发明的有益效果是：针对航空、航天结构件中变截面薄板(0.5mm～8mm)零件激光焊接过程中，截面突变处熔池的不稳定特性，导致的气孔、未焊透、穿孔等焊接缺陷，提出了一种变厚度、变截面零件激光焊接一次成形缺陷控制方法。通过对不同板厚区域激光焊接路径的优化以及激光入射角度的偏摆来实现变截面处熔池的稳定过渡，防止产生气孔、未焊合、击穿孔等缺陷，最终达到焊缝的一次焊接成形获得高质量焊缝。该方法在工程应用中，对变截面处焊接质量以及焊接效率的提高具有很好的参考价值，对不同材料的激光焊接具有较为广泛的适用性。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。图1是现有变厚度变截面薄壁工件的焊接示意图。图2是将两个变厚度变截面薄壁工件对接装卡的示意图。图3是将两个变厚度变截面薄壁工件在接缝处断面的示意图。图4是厚板向薄板过渡的焊接示意图。图5是薄板向厚板过渡的焊接示意图。图6是第一焊接路径示意图。图7是第二焊接路径示意图。图中附图标记：1、变厚度变截面薄壁工件；2、激光束；3、接缝；4、平板；5、异形板；10、突变点；31、薄壁连接段；32、薄壁分离段；33、过渡区。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。一种变厚度变截面薄壁工件的激光焊接方法，其特征在于，所述变厚度变截面薄壁工件的激光焊接方法包括以下步骤：步骤1、将两个变厚度变截面薄壁工件1对接装卡，两个变厚度变截面薄壁工件1之间形成接缝3，接缝3含有依次连接的薄壁连接段31和薄壁分离段32，薄壁连接段31和薄壁连接段31之间为突变点10，在接缝3上突变点10两侧的区域为过渡区33；步骤2、使激光束2射向两个变厚度变截面薄壁工件1的接缝3并沿该接缝3行进(如图3中箭头H所示的焊接方向)，使两个变厚度变截面薄壁工件1焊接；在激光束2沿该接缝3行进时，当激光束2从薄壁连接段31向薄壁分离段32行进的过程中，激光束2在照射到过渡区33的起始位置时，激光束2减小焊接热输出；当激光束2从薄壁分离段32向薄壁连接段31行进的过程中，激光束2在照射到突变点10时，激光束2增大焊接热输出，如图2至图5所示。在本实施例中，两个变厚度变截面薄壁工件1在接缝3处的断面形状相匹配，即两个变厚度变截面薄壁工件1在接缝3处的断面的大小和形状均如图3所示。变厚度变截面薄壁工件1含有层叠设置的平板4和异形板5，在接缝3上，与平板4和异形板5的连接部分相对应的为薄壁连接段31，与平板4和异形板5的分离部分相对应的为薄壁分离段32。异形板5可以为波纹板，平板4的厚度为0.5mm～8mm，异形板5的厚度为0.5mm～8mm。沿接缝3的方向(也是图3中箭头H所示的焊接方向)，薄壁连接段31的长度为40mm～150mm，薄壁分离段32的长度为40mm～150mm。在接缝3上，过渡区33是以突变点10为中心两侧2mm～30mm的区域，如图3所示，图3中有两个过渡区33，分别为对应于AC之间和DF之间。在步骤2中，当激光束2从薄壁连接段31向薄壁分离段32行进的过程中，激光束2首先按照厚板焊接设置热输出参数，激光束2在照射到过渡区的起始位置A时，激光束2减小到按照薄板焊接设置热输出参数，然后激光束2在过渡区33的起始位置A和突变点10(图4中的B点)之间按照矩形的路径运动一周半后至该过渡区33的突变点10(即激光束2从图4中的A点开始，在A点和B点之间按照箭头所示运动一周半后至B点)，然后激光束2再继续沿该接缝3行进。在步骤2中，当激光束2从薄壁分离段32向薄壁连接段31行进的过程中，激光束2首先按照薄板焊接设置热输出参数，激光束2在照射到突变点10(图5中的E)时，激光束2增大到按照厚板焊接设置热输出参数，然后激光束2在突变点10和过渡区33的结束位置F之间按照矩形的路径运动一周半后至该过渡区33的结束位置(即激光束2从图5中的E点开始，在E点和F点之间按照箭头所示运动一周半后至F点)，然后激光束2再继续沿该接缝3行进。在步骤2中，当激光束2从薄壁连接段31向薄壁分离段32行进的过程中，激光束2首先垂直射向接缝3，当激光束2在照射到突变点10(图3中的B)时，激光束以5°～30°的夹角倾斜射向接缝3并进行至过渡区33的结束位置C，然后激光束2再垂直射向接缝3并沿该接缝3行进。在步骤2中，当激光束2从薄壁分离段32向薄壁连接段31行进的过程中，激光束2首先垂直射向接缝3，当激光束2在照射到过渡区33的起始位置D时，激光束以5°～30°的夹角倾斜射向接缝3并进行至突变点10(图3中的E)，然后激光束2再垂直射向接缝3。具体的，首先将变厚度、变截面焊接分为两类，一种是从厚板向薄板焊接过渡，另一种是从薄板向厚板焊接过渡，如图3所示。首先针对不同情况对变截面处过渡区进行划分，并针对这两种情况对不同板厚区域激光焊接路径的优化以及激光入射角度的偏摆来实现变截面处熔池的稳定过渡，防止气孔、未焊合、击穿孔等缺陷的产生，其特征在于，1、变截面处焊接过渡区的划分激光焊接时遇到焊接厚度突变时，以突变点10为中心根据板厚的不同前后2mm～30mm作为焊接过渡区，如图2所示。薄板(0.5mm～8mm)变厚度焊接时，焊接参量的变化一般距离突变点应为2mm～30mm。焊接变厚度的零件时，焊接参量的改变一般距离突变点有一段提前量，其主要原因是，焊接熔池受到热输入的影响，其熔池大小的变化具有一定滞后性。如果参量在突变点处开始变化，在变截面过渡区内经常出现未焊合或者击穿孔等缺陷。如图2所示，变厚度区域涉及厚板—薄板过渡区以及由薄板—厚板两个过渡区，如图2所示沿焊接方向H，第一个过渡区焊接参量在A点处开始改变，焊接热输入由厚板焊接参量降低至薄板焊接参量，第二个过渡区焊接参量在D点处改变，焊接热输入由薄板焊接参量降低至厚板焊接参量。2、焊接路径的优化以及激光入射角度的改变当激光焊接由厚板向薄板焊接施焊时，激光焊接时其焊接路径优化如图3和图4所示。激光焊接时，沿焊缝方向由左到右，激光束垂直与工件表面入射，焊接参量在A点处开始改变，焊接热输入由厚板焊接参量降低至薄板焊接参量，焊接路径在A—B区域沿箭头方向作矩形运动一周半，矩形长度2mm-30mm，宽度0.5mm-3mm，然后焊接路径回到B点。从B点开始B—C区域激光束与工件表面呈5°～30°夹角，倾斜入射，C点之后激光束垂直表面入射，采用常规工艺焊接。当激光焊接由薄板向厚板焊接施焊时，其焊接过程为第一类情况的逆过程。激光焊接时其焊接路径优化如图3和图5所示。焊接参量在D点处开始改变，焊接热输入由薄板焊接参量提高至厚板焊接参量，激光入射角度在D—E区域与工件表面呈5°～30°夹角倾斜入射，E点之后激光垂直入射。焊接路径在E—F区域沿箭头方向作矩形运动一周半，矩形长度2mm-13mm，宽度0.5mm-3mm，然后焊接路径回到F点沿接缝3行进，采用常规工艺焊接。激光焊接路径在A—B与E—F区域作矩形运动一周半，主要原因是，在过渡区域内，板厚区域的熔透性较差极易产生未焊合缺陷，因此该区域矩形运动一周半，增加熔透性。在B—C与D—E区域板厚突然变薄，激光焊接时此处容易出现击穿孔，因此采用激光束倾斜入射的方式，增加激光穿透板材的截面积，防止击穿孔的产生。激光束经过两个过渡区域后，可采用常规工艺焊接。针对航空、航天结构件中变截面薄板零件激光焊接过程中(0.5mm～8mm)，截面突变处熔池的不稳定特性，导致的气孔、未焊透、穿孔等焊接缺陷，提出了一种变厚度、变截面零件激光焊接一次成形缺陷控制方法。通过对不同板厚区域激光焊接路径的优化以及激光入射角度的偏摆来实现变截面处熔池的稳定过渡，防止产生气孔、未焊合、击穿孔等缺陷，最终达到焊缝的一次焊接成形获得高质量焊缝。该方法在工程应用中，对变截面处焊接质量以及焊接效率的提高具有很好的参考价值，对不同材料的激光焊接具有较为广泛的适用性。下面介绍应用该变厚度变截面薄壁工件的激光焊接方法的应用实例：1、采用2mm—1mm厚TC4钛合金超塑成形结构件作为焊接试验件。其中厚板处为2mm，薄板处为1mm。焊接过程中选定焊接参数，厚板焊接线能量为50J/s，薄板焊接线能量为25J/s。设定突变区域为突变点前后15mm，矩形长度15mm，宽度1mm，按照图6所示路径进行焊接，其中在薄板过渡段倾斜角度为10°。焊接完成后进行X光检测，焊缝内部无未熔合，气孔等缺陷，焊缝表面过渡均匀，美观。2、采用2mm—1mm厚TC4钛合金超塑成形结构件作为焊接试验件。其中厚板处为2mm，薄板处为1mm。焊接过程中选定焊接参数，厚板焊接线能量为50J/s，薄板焊接线能量为25J/s。设定突变区域为突变点前后4mm，矩形长度4mm，宽度2mm，按照图7所示路径进行焊接，其中在薄板过渡段倾斜角度为25°。焊接完成后进行X光检测，焊缝内部无未熔合，气孔等缺陷，焊缝表面过渡均匀，美观。图4至图7中的厚板区对应于图3中的薄壁连接段31，图4至图7中的薄板区对应于图3中的薄壁分离段32，图3至图7中的附图标记A、B、C、D、E、F的含义相同，即图中左侧的过渡区33的起始点A与图4、图6和图7中的A点为同一个。所以图中的单位均为mm。以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。