鈦合金T型結構激光電弧復合對稱焊接系統設計與分析

摘" 要：鈦合金具有優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用越來越廣泛，T型結構已在艦艇機庫、導流罩等船舶部件中廣泛引用。針對傳統氬弧焊、電弧焊、離子焊等方式的焊接T型結構存在焊接效率低、焊接變形大等問題，設計了鈦合金T型結構激光電弧復合對稱焊接系統，可以實現T型結構激光電弧復合對稱焊接。實驗結果表明，當激光功率為12 000 W（單側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，雙側外觀成形良好，焊接接頭有效連接，未出現氣孔、未熔透等缺陷。

關鍵詞：鈦合金；T型結構；激光電弧復合焊接；對稱焊接

中圖分類號：TN248.4" " 文獻標識碼：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

激光電弧復合對稱焊接是20世紀90年代初德國研究機構率先提出并在鋁合金機身壁板結構上成功應用，取代了傳統的鉚接工藝，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、提升生產制造效率并較小焊接過程中的變形[3]。

基于T型結構與機身壁板結構的相似性，將此種焊接方法應用在鈦合金T型結構焊接，并由此設計鈦合金T型結構激光電弧復合對稱焊接系統，并進行了激光電弧復合焊接工藝驗證。

1" 總體設計

1.1" 工件形式與尺寸

工件形式為T型結構，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，具有優良的焊接性、耐海水沖刷和腐蝕性，是一種非常適合海洋環境使用的鈦合金，已廣泛應用于船舶與海洋工程行業。T型結構工件尺寸如圖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" 系統總體設計

鈦合金T型結構激光電弧復合對稱焊接系統設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合對稱焊接系統研制，主要進行龍門系統設計，激光器、焊接電源和焊槍參數配置，復合焊炬結構設計和T型結構工件自適應對心柔性結構設計等；第二部分進行多子系統協同控制技術開發；第三部分進行激光電弧復合對稱焊接工藝開發，突破T型結構激光電弧復合對稱焊接的質量控制技術和工藝研究。

1.3" 鈦合金T型結構激光電弧復合對稱焊接設備研制

系統采用龍門天軌雙機器人（倒掛）結構的形式，以適用于大型T型構件的機器人自動化焊接工藝開發及產品制造。

考慮到激光電弧復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，設計鈦合金T型結構激光電弧復合對稱焊接系統總體方案如圖3所示。該復合對稱焊接設備主要由龍門天軌系統、機器人系統、激光器、弧焊電源、復合焊炬、工裝夾具及控制系統等組成。其中，龍門天軌作為行走機構，六軸工業機器人作為焊接執行機構，激光器和弧焊電源作為復合熱源輸入機構，復合焊炬作為熱源輸出機構，工裝夾具作為焊接工件的裝夾固定機構，控制系統作為多系統集成控制機構。

1.3.1" 龍門天軌系統

龍門天軌系統主要功能為拓展執行機構在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構組成。

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

龍門天軌的固有振動頻率會反映出龍門天軌系統中執行機構系統沿著笛卡爾坐標系方向運行過程中的整體振動情況，龍門天軌系統模態分析結果如表1所示，各階模態分析結果如圖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的固有頻率，由此可見可以有效避免共振現象。

1.3.2" 機器人系統

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、復合焊槍等設備實現焊接作業。機器人額定負載70 kg，有效臂展2 100 m。兩臺機器人組成RoboTeam進行協同控制和作業，外部軸X軸為兩臺機器人共用，由主機器人控制系統控制，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雙激光焊槍同時開關光，可以有效保證雙側激光功率分配完全相等，保證成形與焊接質量的穩定性。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的核心部件，外圍配備了三相穩壓電源和水冷卻機。穩壓電源可以有效保證激光器工作電壓穩定；水冷卻機可以帶走激光器內部發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射出到照射到焊接工件上的穩定。

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/網線接口可連接電腦甚至手機實現數據監控及軟件升級等功能，各種電弧模式可靈活配置并開發有鈦合金焊接專家數據庫，可以有效提高鈦合金焊接質量。由于通信速度大幅提升，電弧穩定性也大大增強，并新開發了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" 復合焊炬

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

調節機構可以實現X、Y、Z三個方向及光絲角度的調整[6]。調節范圍如表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，保證每側壓板與腹板有約20 mm的空間，當工件面板寬度和腹板高度變化時，無須調整定位工裝。工件的壓緊氣缸選用杠桿壓緊氣缸，氣缸壓緊力≥1 500 N。焊接作業平臺臺面選用耐高溫橡膠材質，減少不同材質對鈦合金的污染。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

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

本章主要進行了鈦合金T型結構激光電弧復合對稱焊接系統整體設計，著重對系統設計的龍門系統進行了應力和共振計算分析，并對機器人系統、激光器、弧焊電源、激光焊槍、復合夾具、工裝夾具和控制系統等進行選型或者設計，并進行了集成，為工藝驗證的實施奠定了良好的基礎[8]。

2" 試驗驗證

2.1" 試驗準備

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。根據前期試驗過程中的激光焊接工藝參數進行焊接，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、焊縫區域和熱影響區域等焊接高溫區均在保護氣的氛圍內，防止焊接過程出現氧化氮化等現象降低焊接質量。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，激光電弧復合對稱焊接形成的焊縫熱輸入集中，穿透能力強，熱影響區小，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致熱輸入增加，焊縫成形區域上側出現輕微咬邊現象如圖13（c）所示，T型結構的截面兩側焊接區域具有重疊區域，保證了T型接頭的完全焊透。并且整個區域未出現氣孔、未焊透等明顯焊接缺陷[10]。

3" "結" 論

本文設計的鈦合金T型結構激光電弧復合對稱焊接系統主要由龍門系統、機器人系統、激光器、弧焊電源、激光焊槍、復合夾具、工裝夾具以及控制系統等組成，著重分析了龍門系統的應力和共振頻率，并以龍門系統為框架集成各個系統形成了可以實現T型結構雙側對稱焊接的激光電弧復合焊接裝備，后針對鈦合金T型結構典型厚度進行激光電弧復合對稱焊接工藝驗證，通過焊接工藝的匹配，當激光功率12 000 W（單側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，雙側外觀成形良好，焊接接頭有效連接，未出現氣孔、未熔透等情況。對于焊接接頭的力學性能檢驗需要進一步進行，以保證高焊接質量。

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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備研發及工藝開發；江舒（1997—），男，漢族，江蘇連云港人，工程師，本科，研究方向：焊接系統集成與電氣控制。