鈦合金T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接系統(tǒng)設(shè)計與分析

摘" 要：鈦合金具有優(yōu)良的耐海水腐蝕性能、高比強度、無磁性等特點，在艦艇建造及海洋工程裝備中的應(yīng)用越來越廣泛，T型結(jié)構(gòu)已在艦艇機庫、導(dǎo)流罩等船舶部件中廣泛引用。針對傳統(tǒng)氬弧焊、電弧焊、離子焊等方式的焊接T型結(jié)構(gòu)存在焊接效率低、焊接變形大等問題，設(shè)計了鈦合金T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接系統(tǒng)，可以實現(xiàn)T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接。實驗結(jié)果表明，當(dāng)激光功率為12 000 W（單側(cè)6 000 W），焊接電流為165 A、焊接速度為1.08 m/min、保護氣流量為25 L/min時，雙側(cè)外觀成形良好，焊接接頭有效連接，未出現(xiàn)氣孔、未熔透等缺陷。

關(guān)鍵詞：鈦合金；T型結(jié)構(gòu)；激光電弧復(fù)合焊接；對稱焊接

中圖分類號：TN248.4" " 文獻標(biāo)識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2024）10-0177-06

Design and Analysis of Titanium Alloy T-structure Laser Arc Composite Symmetrical Welding System

ZHANG Mingsheng1，2， JIANG Shu1， LIU Handing1， LIU Yu1

（1.The 716th Research Institute of China State Shipbuilding Co.， Ltd.， Lianyungang" 222006， China;

2.Jiangsu Jari Information Technology Co.， Ltd.， Lianyungang" 222006， China）

Abstract： Titanium alloy has excellent seawater corrosion resistance， high specific strength， non-magnetic and other characteristics， and is more and more widely used in ship construction and marine engineering equipment， and T-structure has been widely used in ship hangars， deflectors and so on. A titanium alloy T-structure laser arc composite symmetrical welding system is designed to address the problems of low welding efficiency and large welding deformation in welding T-structure of traditional welding methods such as argon arc welding， arc welding， and ion welding. This system can achieve T-structure laser arc composite symmetrical welding. The experimental results show that when the laser power is 12 000 W （6 000 W on one side）， the welding current is 165 A， the welding speed is 1.08 m/min， and the protective gas flow rate is 25 L/min， the double-sided appearance is well formed， the welding joint is effectively connected， and there are no defects such as pores and incomplete fusion.

Keywords： titanium alloy; T-structure; laser arc composite welding; symmetrical welding

0" 引" 言

激光電弧復(fù)合對稱焊接是20世紀90年代初德國研究機構(gòu)率先提出并在鋁合金機身壁板結(jié)構(gòu)上成功應(yīng)用，取代了傳統(tǒng)的鉚接工藝，并減少了密封材料的使用[1，2]，此種焊接方式能夠減輕機身重量、降低加工制造成本、提升生產(chǎn)制造效率并較小焊接過程中的變形[3]。

基于T型結(jié)構(gòu)與機身壁板結(jié)構(gòu)的相似性，將此種焊接方法應(yīng)用在鈦合金T型結(jié)構(gòu)焊接，并由此設(shè)計鈦合金T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接系統(tǒng)，并進行了激光電弧復(fù)合焊接工藝驗證。

1" 總體設(shè)計

1.1" 工件形式與尺寸

工件形式為T型結(jié)構(gòu)，腹板和面板厚度相等，尺寸為12～16 mm。TA5鈦合金是一種中等強度的α型鈦合金，具有優(yōu)良的焊接性、耐海水沖刷和腐蝕性，是一種非常適合海洋環(huán)境使用的鈦合金，已廣泛應(yīng)用于船舶與海洋工程行業(yè)。T型結(jié)構(gòu)工件尺寸如圖1所示，其中，6 mm≤l1 = l2≤20 mm；a1 = 150 mm；a2 = 200 mm；b = 400 mm。

圖1" T型工件尺寸

1.2" 系統(tǒng)總體設(shè)計

鈦合金T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接系統(tǒng)設(shè)計與工藝驗證主要分為三個部分開展研究[4]，整體方案如圖2所示。第一部分進行激光電弧復(fù)合對稱焊接系統(tǒng)研制，主要進行龍門系統(tǒng)設(shè)計，激光器、焊接電源和焊槍參數(shù)配置，復(fù)合焊炬結(jié)構(gòu)設(shè)計和T型結(jié)構(gòu)工件自適應(yīng)對心柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計等；第二部分進行多子系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)開發(fā)；第三部分進行激光電弧復(fù)合對稱焊接工藝開發(fā)，突破T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接的質(zhì)量控制技術(shù)和工藝研究。

1.3" 鈦合金T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接設(shè)備研制

系統(tǒng)采用龍門天軌雙機器人（倒掛）結(jié)構(gòu)的形式，以適用于大型T型構(gòu)件的機器人自動化焊接工藝開發(fā)及產(chǎn)品制造。

考慮到激光電弧復(fù)合焊接具有能量密度高、熱輸入小、焊接速度快效率高等特點，設(shè)計鈦合金T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接系統(tǒng)總體方案如圖3所示。該復(fù)合對稱焊接設(shè)備主要由龍門天軌系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、激光器、弧焊電源、復(fù)合焊炬、工裝夾具及控制系統(tǒng)等組成。其中，龍門天軌作為行走機構(gòu)，六軸工業(yè)機器人作為焊接執(zhí)行機構(gòu)，激光器和弧焊電源作為復(fù)合熱源輸入機構(gòu)，復(fù)合焊炬作為熱源輸出機構(gòu)，工裝夾具作為焊接工件的裝夾固定機構(gòu)，控制系統(tǒng)作為多系統(tǒng)集成控制機構(gòu)。

1.3.1" 龍門天軌系統(tǒng)

龍門天軌系統(tǒng)主要功能為拓展執(zhí)行機構(gòu)在X、Y、Z方向上的運動范圍，由立柱、X軸橫梁、Y軸橫梁、Z軸豎梁、伺服電機、減速機以及齒輪齒條等結(jié)構(gòu)組成。

為保證龍門天軌系統(tǒng)行走精度和設(shè)備長期運行可靠性，對龍門系統(tǒng)整體進行了應(yīng)力和形變計算分析[5]。龍門天軌系統(tǒng)應(yīng)力計算如圖4所示，最大應(yīng)力為17.38 MPa。

龍門天軌的固有振動頻率會反映出龍門天軌系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)沿著笛卡爾坐標(biāo)系方向運行過程中的整體振動情況，龍門天軌系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果如表1所示，各階模態(tài)分析結(jié)果如圖5所示。機器人工作頻率為4.75～5.25 Hz，低于龍門天軌系統(tǒng)的固有頻率；伺服電機功率頻率為幾千赫茲，遠大于龍門天軌系統(tǒng)的固有頻率，由此可見可以有效避免共振現(xiàn)象。

1.3.2" 機器人系統(tǒng)

選用2臺型號為KR 70 R2100的KUKA機器人。機器人單元包含機器人本體、機器人控制柜、示教盒、外部軸電機、軟件包及供電電纜等。其安裝在Z軸豎梁末端上，配合激光器、弧焊電源、復(fù)合焊槍等設(shè)備實現(xiàn)焊接作業(yè)。機器人額定負載70 kg，有效臂展2 100 m。兩臺機器人組成RoboTeam進行協(xié)同控制和作業(yè)，外部軸X軸為兩臺機器人共用，由主機器人控制系統(tǒng)控制，兩臺機器人都有自行控制的Y、Z外部軸。

1.3.3" 激光器

激光器選用型號為YSL-20000的IPG光纖激光器，最高功率輸出為20 kW，采用雙光閘分能出光的方式實現(xiàn)雙激光焊槍同時開關(guān)光，可以有效保證雙側(cè)激光功率分配完全相等，保證成形與焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。光纖芯徑為300 μm，鎧裝長度為50 m。IPG激光器實物圖如圖6所示。

激光器作為整個焊接系統(tǒng)的核心部件，外圍配備了三相穩(wěn)壓電源和水冷卻機。穩(wěn)壓電源可以有效保證激光器工作電壓穩(wěn)定；水冷卻機可以帶走激光器內(nèi)部發(fā)光模塊和激光焊槍工作時積攢的熱量，以保證焊接過程中激光光束從發(fā)射出到照射到焊接工件上的穩(wěn)定。

1.3.4" 弧焊電源

弧焊電源選用型號為TPS 500i的福尼斯焊接電源，TPS/i系列作為福尼斯新一代智能化焊機擁有全新的智能化硬件平臺，USB/網(wǎng)線接口可連接電腦甚至手機實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控及軟件升級等功能，各種電弧模式可靈活配置并開發(fā)有鈦合金焊接專家數(shù)據(jù)庫，可以有效提高鈦合金焊接質(zhì)量。由于通信速度大幅提升，電弧穩(wěn)定性也大大增強，并新開發(fā)了LSC低飛濺及PMC多功能脈沖等高性能焊接工藝。

1.3.5" 激光焊槍

激光焊槍選用型號為HighYAG的BIMO系列激光焊槍，該激光焊槍最大承受激光功率10 kW。為了減小對稱焊接過程中的干涉并保證合適的激光入射角，選用90°彎頭激光焊槍。激光焊槍離焦量為300 mm，焦點位置光斑為圓形，直徑約為0.45 mm。HighYAG BIMO 90°激光焊槍模型如圖7所示。

1.3.6" 復(fù)合焊炬

機器人末端安裝的激光-MIG電弧復(fù)合焊炬，主要由激光焊槍（HighYAG BIMO 90°）、福尼斯CMT焊槍、調(diào)節(jié)機構(gòu)和安裝法蘭等組成。如圖8所示為復(fù)合焊炬的三維模型圖。

調(diào)節(jié)機構(gòu)可以實現(xiàn)X、Y、Z三個方向及光絲角度的調(diào)整[6]。調(diào)節(jié)范圍如表2所示。

1.3.7" 工裝夾具

工裝夾具實物圖如圖9所示。設(shè)計的工裝夾具采用氣動壓緊方式。首先，人工按要求擺放工件，在中央控制臺上按下“定位”按鈕，定位塊自動就位，將工件腹板對中；然后，在中央控制臺上按下“壓緊”按鈕，氣動工裝自動將工件壓緊。相對于工件面板寬度，工件在腹板厚度方面變化較小，因此定位工裝采用腹板靠中定位方式，保證每側(cè)壓板與腹板有約20 mm的空間，當(dāng)工件面板寬度和腹板高度變化時，無須調(diào)整定位工裝。工件的壓緊氣缸選用杠桿壓緊氣缸，氣缸壓緊力≥1 500 N。焊接作業(yè)平臺臺面選用耐高溫橡膠材質(zhì)，減少不同材質(zhì)對鈦合金的污染。平臺上的壓緊和定位工裝都將進行防飛濺處理，減少飛濺對工裝的損傷。

1.3.8" 控制系統(tǒng)

對于龍門天軌式激光電弧復(fù)合對稱焊接系統(tǒng)涉及機器人控制、激光器控制、弧焊電源控制和水冷卻機、電磁閥和除塵設(shè)備等其他外圍設(shè)備控制[7]，其控制拓撲圖如圖10所示。

本章主要進行了鈦合金T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接系統(tǒng)整體設(shè)計，著重對系統(tǒng)設(shè)計的龍門系統(tǒng)進行了應(yīng)力和共振計算分析，并對機器人系統(tǒng)、激光器、弧焊電源、激光焊槍、復(fù)合夾具、工裝夾具和控制系統(tǒng)等進行選型或者設(shè)計，并進行了集成，為工藝驗證的實施奠定了良好的基礎(chǔ)[8]。

2" 試驗驗證

2.1" 試驗準(zhǔn)備

試驗工件采用12 mm ⊥ 12 mm厚TA5鈦合金，面板尺寸100 mm×200 mm，腹板尺寸為100 mm×

200 mm，填充材料為直徑1.2 mm的TA28焊絲，TA5試板和TA28焊絲的化學(xué)成分如表3所示。

2.2" 試驗過程

焊接試驗前對焊接工件焊縫位置進行氧化皮拋磨，然后進行酸洗、丙酮擦拭和點焊。根據(jù)前期試驗過程中的激光焊接工藝參數(shù)進行焊接，離焦偏移量為2 mm、激光入射角與面板的傾角為35°，光絲間距為4 mm，并保證焊接兩側(cè)光斑連線與焊縫垂直，焊接示意圖如圖11所示。其他焊接工藝參數(shù)如表4所示。

焊接過程中采用99.99%氬氣進行保護，保證焊接熔池、焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域等焊接高溫區(qū)均在保護氣的氛圍內(nèi)，防止焊接過程出現(xiàn)氧化氮化等現(xiàn)象降低焊接質(zhì)量。焊接過程如圖12所示。

2.3" 試驗分析

如圖13所示為對稱焊接焊縫宏觀形貌，激光電弧復(fù)合對稱焊接形成的焊縫熱輸入集中，穿透能力強，熱影響區(qū)小，所得到的焊接接頭具有高深寬比。相比于激光自熔焊，加入電弧，引入了填充金屬，增加焊腳的尺寸，使得焊接接頭的性能得到提升[9]。同時因為引入電弧導(dǎo)致熱輸入增加，焊縫成形區(qū)域上側(cè)出現(xiàn)輕微咬邊現(xiàn)象如圖13（c）所示，T型結(jié)構(gòu)的截面兩側(cè)焊接區(qū)域具有重疊區(qū)域，保證了T型接頭的完全焊透。并且整個區(qū)域未出現(xiàn)氣孔、未焊透等明顯焊接缺陷[10]。

3" "結(jié)" 論

本文設(shè)計的鈦合金T型結(jié)構(gòu)激光電弧復(fù)合對稱焊接系統(tǒng)主要由龍門系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、激光器、弧焊電源、激光焊槍、復(fù)合夾具、工裝夾具以及控制系統(tǒng)等組成，著重分析了龍門系統(tǒng)的應(yīng)力和共振頻率，并以龍門系統(tǒng)為框架集成各個系統(tǒng)形成了可以實現(xiàn)T型結(jié)構(gòu)雙側(cè)對稱焊接的激光電弧復(fù)合焊接裝備，后針對鈦合金T型結(jié)構(gòu)典型厚度進行激光電弧復(fù)合對稱焊接工藝驗證，通過焊接工藝的匹配，當(dāng)激光功率12 000 W（單側(cè)6 000 W），焊接電流165 A、焊接速度1.08 m/min、保護氣流量25 L/min時，雙側(cè)外觀成形良好，焊接接頭有效連接，未出現(xiàn)氣孔、未熔透等情況。對于焊接接頭的力學(xué)性能檢驗需要進一步進行，以保證高焊接質(zhì)量。

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作者簡介：張明盛（1994—），男，漢族，江蘇贛榆人，工程師，碩士研究生，研究方向：船用材料激光焊接設(shè)備研發(fā)及工藝開發(fā)；江舒（1997—），男，漢族，江蘇連云港人，工程師，本科，研究方向：焊接系統(tǒng)集成與電氣控制。