[发明专利]超高强度钢随焊超声辅助激光焊接系统及方法

说明书

本发明公开了一种超高强度钢随焊超声辅助激光焊接系统及方法，通过连接夹具将超声发生装置与激光焊接头相连，在机器人的带动下实现随焊超声辅助激光焊接过程。采用正面接触的超声施加方式，超声波的高频振动能场通过待焊试板作用于焊接熔池，利用其一系列有益效应改善焊缝凝固结晶过程。超声发生装置的尾部气缸在焊接过程中持续为超声变幅杆提供压紧力。本发明采用六轴机器人驱动，可实现复杂轨迹和空间位置的焊接，且不改变原有激光焊接系统，设备组成简单。本发明通过在激光焊接熔池中引入超声能场，可有效抑制航天用超高强度钢焊接时容易出现的冷裂纹以及热影响区的软化和脆化问题，提高接头的综合性能。

技术领域

本发明属于航天结构件高效激光焊接制造技术领域，具体涉及一种超高强度钢随焊超声辅助激光焊接系统及方法。

背景技术

超高强度钢一般是指室温抗拉强度超过1400MPa，屈服强度大于1200MPa的钢，主要用于火箭发动机壳体、发动机喷管和各级助推器。30Cr3钢是由我国相关单位在总结国内外超高强度钢的基础上，自主研制的一种马氏体低合金超高强度钢，它以强度高、韧性好、综合性能优良等特点被应用于制造固体火箭动力舱段壳体。

由于30Cr3钢含碳量较高、合金元素较多，淬硬倾向大，在焊接时容易出现冷裂纹以及热影响区软化和脆化问题。目前针对30Cr3超高强度钢，国内焊接试验报导较少，仅涉及真空电子束焊接和钨极氩弧焊焊接。但随着发动机尺寸的增大，真空电子束焊接将受到真空室尺寸的限制，且工艺流程复杂，不利于大规模的生产应用。而钨极氩弧焊由于焊接效率较低、电弧能量发散、热影响区宽将带来生产周期延长、焊接变形大的问题。

激光焊接是利用能量密度极高的激光束作为焊接热源的一种高效精密焊接方法。其具有能量密度高、焊接速度快、深宽比大、热影响区小、焊接变形小等诸多优点，且易于实现自动化、工程化应用，已在航空航天、电子、汽车制造、核动力等领域得到了广泛应用。相比于真空电子束焊接，激光焊接能摆脱真空室尺寸的限制，在大气环境下即可实现高效优质焊接。因此将激光焊接应用于制造30Cr3钢固体火箭发动机壳体，能够显著降低成本、提高生产效率。然而由于激光焊接升温和冷却速度快，焊缝凝固时温度梯度较大，导致晶粒粗大、元素分布不均匀，合金元素易形成低熔点共晶偏析于晶界，增大了产生热裂纹的倾向，这在一定程度上影响焊接接头的机械性能。此外，30Cr3钢中合金元素含量较高，在焊接过程中极易与空气中的氧、氮等形成氧化物、氮化物，这些杂质被卷入熔体中不易排出形成夹渣。当激光焊接工艺参数选择不当，会使焊接过程变得不稳定，焊接接头容易出现气孔、咬边等缺陷，难以满足航天精密制造领域的实际应用要求。

目前国内外通过物理场来改善金属凝固组织、减少内部缺陷、提高力学性能的方法主要有电流、磁场和超声波处理等手段，这些方法最先应用于传统的铸造领域，逐渐发展到焊接等金属熔化凝固领域。超声辅助是近年来在焊接领域里出现改善焊接结构性能的一种新技术。超声波的高频振动能场作用于焊接熔池，能够产生空化效应、声流效应以及机械效应，对熔池的凝固结晶过程产生显著影响，从而对上述缺陷起到一定的抑制作用。超声波的空化效应在熔池中产生的空化气泡崩溃时，会对凝固界面前沿正在生长的枝晶起到破碎作用，增加了异质形核质点，促进焊缝凝固组织由粗大树枝晶向细小等轴晶转变。超声波的声流效应促进了熔池内液态金属的层间流动，可明显提高温度场和元素分布的均匀性，且有利于气泡和夹杂的上浮逸出。超声场在熔池中引起的质点高频微振会产生附加热效应，延长了熔池边沿液态金属的凝固时间，有利于熔池金属向焊缝边沿铺展，最终获得成形均匀的焊缝。此外，熔池附近的高温区域由于屈服强度降低，在随焊超声冲击作用下易于发生压缩塑性变形，并与焊接热循环过程中产生的拉伸塑性变形叠加，起到减小焊接残余应力和变形的作用，进而提高接头的疲劳性能。