[发明专利]复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置

说明书

【技术领域】

本发明属于焊接夹具与保护装置领域，特别针对空间形状复杂、焊接时易变形且易氧化的钛合金薄壁件。

【背景技术】

在医疗、航空航天、汽车等领域，为了满足外形美观、流线型良好等要求，常涉及复杂空间形状的薄壁件。对于一些较大型的复杂构件很难整体一次成型，需要先分段制造再焊接为整体。这些薄壁件刚性差，在焊接过程中易变形，且对于激光焊等精密焊接而言，对焊缝位置的偏离很敏感，所以需要使用合适的焊接夹具定位以保证整体尺寸。目前常采用的方法是利用CAD技术提取待焊件三维模型，在此基础上采用先进的数控技术加工出与该构件内表面完全贴合的背靠模。这种夹具定位准确，但复杂曲面的加工费用高昂，不利于推广。

另外，对于一些易氧化金属，焊接过程中气体保护非常重要，保护效果的好坏对钛合金焊接接头力学性能有很大影响。以航空业中广泛使用的钛合金为例，空气中钛在250℃开始吸氢，500℃开始吸氧，600℃开始吸氮，且随温度升高，钛吸收气体的能力进一步增强[1]。因此钛合金焊接时必须采取惰性气体保护措施或将焊件置于真空室中。但由于真空保护成本过高，工件尺寸也受到很大限制，因此钛合金的激光焊接通常采用惰性气体保护方法，对焊缝正面与背面的高温区域进行全面保护，直至温度降至约200℃时为止。激光焊接中保护装置对焊缝区的保护效果成为影响钛合金焊接质量的关键。国内外焊接工作者也针对此设计了多种方案，北京有色金属研究总院王家淳于2001年提到了带有后拖保护罩的气体保护装置[2]，中国石化集团高飞提到了针对圆管对接的专用环形拖罩[3]，北京工业大学曹娜于2006年设计了开放式的气体保护枪[4]。意大利学者G.Tani[5]2007年发表在《Applied Surface Science》上的文章中采用Fluent软件模拟分析了喷嘴位置、气体类型及流量的关系，据此设计了开放式的气体保护枪。然而这些保护装置仅仅针对直线焊缝或圆环焊缝而设计，但对于形状复杂的钛合金构件，焊缝空间曲率变化较大，在焊接过程中，无论是后拖保护罩还是开放式气体保护枪都存在“气体保护死区”，保护效果欠佳。

因此，对于空间形状复杂的钛合金薄壁件激光焊接而言，需要解决夹具费用高昂与气体保护装置难以实现两个方面的问题。

[1]顺洪，彭善德，巩凡．TC4钛合金激光搭接焊的研究[J]．电焊机，2006．36(6)：24－29．

[2]王家淳．消除钛合金激光焊接的缺陷[J]．焊接技术，2001，30(1)：16－17．

[3]高飞．钛及钛合金材料的焊接技术[J]．石油化工建设．2006．28(4)：38－42．

[4]曹娜．钛合金激光焊接工作头研制[D]．北京：北京工业大学，2006．

[5]Tani G，Ascari A,Campana G，et a 1.A Study on shielding gas contamination in laserwelding of non-ferrous alloys[J].Applied Surface Science，2007，254：904—907．

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，以解决上述技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，包括夹具、气体保护装置和下部支撑座；所述夹具为背靠模；背靠模的外表面与焊件的内表面吻合；焊件由第一待焊件与第二待焊件通过焊缝连接而成；第一待焊件与第二待焊件通过若干压紧板固定于夹具上；第一待焊件与第二待焊件之间待焊接的缝隙正对背靠模上的通气槽；气体保护装置包括保护侧板、柔性铜罩和下部密封板；保护侧板、柔性铜罩、下部密封板在焊件周围形成封闭腔；通气槽内设有背面通气管；柔性铜罩与焊件之间设有正面通气管。

本发明进一步的改进在于：背靠模使用原子灰为原料制成。

本发明进一步的改进在于：通气槽的三个面均包覆有薄钛板。

本发明进一步的改进在于：通气槽内设有两根背面通气管，所述背面通气管上均匀分布有若干气孔，所述两根背面通气管的进气方向相反。

本发明进一步的改进在于：所述气孔的直径为2mm。

本发明进一步的改进在于：背面通气管从下部密封板两侧的孔中穿插而过。