钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接系统设计与分析

摘" 要：钛合金具有优良的耐海水腐蚀性能、高比强度、无磁性等特点，在舰艇建造及海洋工程装备中的应用越来越广泛，T型结构已在舰艇机库、导流罩等船舶部件中广泛引用。针对传统氩弧焊、电弧焊、离子焊等方式的焊接T型结构存在焊接效率低、焊接变形大等问题，设计了钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接系统，可以实现T型结构激光电弧复合对称焊接。实验结果表明，当激光功率为12 000 W（单侧6 000 W），焊接电流为165 A、焊接速度为1.08 m/min、保护气流量为25 L/min时，双侧外观成形良好，焊接接头有效连接，未出现气孔、未熔透等缺陷。

关键词：钛合金；T型结构；激光电弧复合焊接；对称焊接

中图分类号：TN248.4" " 文献标识码：A" " 文章编号：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

激光电弧复合对称焊接是20世纪90年代初德国研究机构率先提出并在铝合金机身壁板结构上成功应用，取代了传统的铆接工艺，并减少了密封材料的使用[1，2]，此种焊接方式能够减轻机身重量、降低加工制造成本、提升生产制造效率并较小焊接过程中的变形[3]。

基于T型结构与机身壁板结构的相似性，将此种焊接方法应用在钛合金T型结构焊接，并由此设计钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接系统，并进行了激光电弧复合焊接工艺验证。

1" 总体设计

1.1" 工件形式与尺寸

工件形式为T型结构，腹板和面板厚度相等，尺寸为12～16 mm。TA5钛合金是一种中等强度的α型钛合金，具有优良的焊接性、耐海水冲刷和腐蚀性，是一种非常适合海洋环境使用的钛合金，已广泛应用于船舶与海洋工程行业。T型结构工件尺寸如图1所示，其中，6 mm≤l1 = l2≤20 mm；a1 = 150 mm；a2 = 200 mm；b = 400 mm。

图1" T型工件尺寸

1.2" 系统总体设计

钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接系统设计与工艺验证主要分为三个部分开展研究[4]，整体方案如图2所示。第一部分进行激光电弧复合对称焊接系统研制，主要进行龙门系统设计，激光器、焊接电源和焊枪参数配置，复合焊炬结构设计和T型结构工件自适应对心柔性结构设计等；第二部分进行多子系统协同控制技术开发；第三部分进行激光电弧复合对称焊接工艺开发，突破T型结构激光电弧复合对称焊接的质量控制技术和工艺研究。

1.3" 钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接设备研制

系统采用龙门天轨双机器人（倒挂）结构的形式，以适用于大型T型构件的机器人自动化焊接工艺开发及产品制造。

考虑到激光电弧复合焊接具有能量密度高、热输入小、焊接速度快效率高等特点，设计钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接系统总体方案如图3所示。该复合对称焊接设备主要由龙门天轨系统、机器人系统、激光器、弧焊电源、复合焊炬、工装夹具及控制系统等组成。其中，龙门天轨作为行走机构，六轴工业机器人作为焊接执行机构，激光器和弧焊电源作为复合热源输入机构，复合焊炬作为热源输出机构，工装夹具作为焊接工件的装夹固定机构，控制系统作为多系统集成控制机构。

1.3.1" 龙门天轨系统

龙门天轨系统主要功能为拓展执行机构在X、Y、Z方向上的运动范围，由立柱、X轴横梁、Y轴横梁、Z轴竖梁、伺服电机、减速机以及齿轮齿条等结构组成。

为保证龙门天轨系统行走精度和设备长期运行可靠性，对龙门系统整体进行了应力和形变计算分析[5]。龙门天轨系统应力计算如图4所示，最大应力为17.38 MPa。

龙门天轨的固有振动频率会反映出龙门天轨系统中执行机构系统沿着笛卡尔坐标系方向运行过程中的整体振动情况，龙门天轨系统模态分析结果如表1所示，各阶模态分析结果如图5所示。机器人工作频率为4.75～5.25 Hz，低于龙门天轨系统的固有频率；伺服电机功率频率为几千赫兹，远大于龙门天轨系统的固有频率，由此可见可以有效避免共振现象。

1.3.2" 机器人系统

选用2台型号为KR 70 R2100的KUKA机器人。机器人单元包含机器人本体、机器人控制柜、示教盒、外部轴电机、软件包及供电电缆等。其安装在Z轴竖梁末端上，配合激光器、弧焊电源、复合焊枪等设备实现焊接作业。机器人额定负载70 kg，有效臂展2 100 m。两台机器人组成RoboTeam进行协同控制和作业，外部轴X轴为两台机器人共用，由主机器人控制系统控制，两台机器人都有自行控制的Y、Z外部轴。

1.3.3" 激光器

激光器选用型号为YSL-20000的IPG光纤激光器，最高功率输出为20 kW，采用双光闸分能出光的方式实现双激光焊枪同时开关光，可以有效保证双侧激光功率分配完全相等，保证成形与焊接质量的稳定性。光纤芯径为300 μm，铠装长度为50 m。IPG激光器实物图如图6所示。

激光器作为整个焊接系统的核心部件，外围配备了三相稳压电源和水冷却机。稳压电源可以有效保证激光器工作电压稳定；水冷却机可以带走激光器内部发光模块和激光焊枪工作时积攒的热量，以保证焊接过程中激光光束从发射出到照射到焊接工件上的稳定。

1.3.4" 弧焊电源

弧焊电源选用型号为TPS 500i的福尼斯焊接电源，TPS/i系列作为福尼斯新一代智能化焊机拥有全新的智能化硬件平台，USB/网线接口可连接电脑甚至手机实现数据监控及软件升级等功能，各种电弧模式可灵活配置并开发有钛合金焊接专家数据库，可以有效提高钛合金焊接质量。由于通信速度大幅提升，电弧稳定性也大大增强，并新开发了LSC低飞溅及PMC多功能脉冲等高性能焊接工艺。

1.3.5" 激光焊枪

激光焊枪选用型号为HighYAG的BIMO系列激光焊枪，该激光焊枪最大承受激光功率10 kW。为了减小对称焊接过程中的干涉并保证合适的激光入射角，选用90°弯头激光焊枪。激光焊枪离焦量为300 mm，焦点位置光斑为圆形，直径约为0.45 mm。HighYAG BIMO 90°激光焊枪模型如图7所示。

1.3.6" 复合焊炬

机器人末端安装的激光-MIG电弧复合焊炬，主要由激光焊枪（HighYAG BIMO 90°）、福尼斯CMT焊枪、调节机构和安装法兰等组成。如图8所示为复合焊炬的三维模型图。

调节机构可以实现X、Y、Z三个方向及光丝角度的调整[6]。调节范围如表2所示。

1.3.7" 工装夹具

工装夹具实物图如图9所示。设计的工装夹具采用气动压紧方式。首先，人工按要求摆放工件，在中央控制台上按下“定位”按钮，定位块自动就位，将工件腹板对中；然后，在中央控制台上按下“压紧”按钮，气动工装自动将工件压紧。相对于工件面板宽度，工件在腹板厚度方面变化较小，因此定位工装采用腹板靠中定位方式，保证每侧压板与腹板有约20 mm的空间，当工件面板宽度和腹板高度变化时，无须调整定位工装。工件的压紧气缸选用杠杆压紧气缸，气缸压紧力≥1 500 N。焊接作业平台台面选用耐高温橡胶材质，减少不同材质对钛合金的污染。平台上的压紧和定位工装都将进行防飞溅处理，减少飞溅对工装的损伤。

1.3.8" 控制系统

对于龙门天轨式激光电弧复合对称焊接系统涉及机器人控制、激光器控制、弧焊电源控制和水冷却机、电磁阀和除尘设备等其他外围设备控制[7]，其控制拓扑图如图10所示。

本章主要进行了钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接系统整体设计，着重对系统设计的龙门系统进行了应力和共振计算分析，并对机器人系统、激光器、弧焊电源、激光焊枪、复合夹具、工装夹具和控制系统等进行选型或者设计，并进行了集成，为工艺验证的实施奠定了良好的基础[8]。

2" 试验验证

2.1" 试验准备

试验工件采用12 mm ⊥ 12 mm厚TA5钛合金，面板尺寸100 mm×200 mm，腹板尺寸为100 mm×

200 mm，填充材料为直径1.2 mm的TA28焊丝，TA5试板和TA28焊丝的化学成分如表3所示。

2.2" 试验过程

焊接试验前对焊接工件焊缝位置进行氧化皮抛磨，然后进行酸洗、丙酮擦拭和点焊。根据前期试验过程中的激光焊接工艺参数进行焊接，离焦偏移量为2 mm、激光入射角与面板的倾角为35°，光丝间距为4 mm，并保证焊接两侧光斑连线与焊缝垂直，焊接示意图如图11所示。其他焊接工艺参数如表4所示。

焊接过程中采用99.99%氩气进行保护，保证焊接熔池、焊缝区域和热影响区域等焊接高温区均在保护气的氛围内，防止焊接过程出现氧化氮化等现象降低焊接质量。焊接过程如图12所示。

2.3" 试验分析

如图13所示为对称焊接焊缝宏观形貌，激光电弧复合对称焊接形成的焊缝热输入集中，穿透能力强，热影响区小，所得到的焊接接头具有高深宽比。相比于激光自熔焊，加入电弧，引入了填充金属，增加焊脚的尺寸，使得焊接接头的性能得到提升[9]。同时因为引入电弧导致热输入增加，焊缝成形区域上侧出现轻微咬边现象如图13（c）所示，T型结构的截面两侧焊接区域具有重叠区域，保证了T型接头的完全焊透。并且整个区域未出现气孔、未焊透等明显焊接缺陷[10]。

3" "结" 论

本文设计的钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接系统主要由龙门系统、机器人系统、激光器、弧焊电源、激光焊枪、复合夹具、工装夹具以及控制系统等组成，着重分析了龙门系统的应力和共振频率，并以龙门系统为框架集成各个系统形成了可以实现T型结构双侧对称焊接的激光电弧复合焊接装备，后针对钛合金T型结构典型厚度进行激光电弧复合对称焊接工艺验证，通过焊接工艺的匹配，当激光功率12 000 W（单侧6 000 W），焊接电流165 A、焊接速度1.08 m/min、保护气流量25 L/min时，双侧外观成形良好，焊接接头有效连接，未出现气孔、未熔透等情况。对于焊接接头的力学性能检验需要进一步进行，以保证高焊接质量。

参考文献：

[1] 陈柯.激光加工技术在钛合金航空结构件制造的应用与展望 [J].电焊机，2022，52（8）：1-9.

[2] 魏玉顺，马青军，武鹏博，等.TC4钛合金激光焊接技术研究进展 [J].电焊机，2023，53（8）：55-66.

[3] 占小红，赵艳秋，陈帅，等.轻合金T型结构双激光束双侧同步焊接技术研究进展 [J].航空制造技术，2020，63（11）：20-31.

[4] 周愿愿，袁桢棣，李晓庆，等.壳体激光复合焊接设备设计与分析 [J].机床与液压，2020，48（21）：127-133.

[5] 于洋.T型接头TC4钛合金激光焊接数值模拟与实验研究 [D].汉中：陕西理工大学，2023.

[6] 高金乾，沙玲.汽车刹车接头激光自动焊接系统的设计与研究 [J].农业装备与车辆工程，2022，60（5）：85-90.

[7] 晏永红.基于PLC的大功率激光器控制系统设计 [J].激光杂志，2018，39（6）：140-143.

[8] FARAHMAND P，KOVACEVIC R. Parametric Study and Multi-Criteria Optimization in Laser Cladding by a High Power Direct" Diode Laser [J].Lasers in Manufacturing amp; Materials Processing，2014，1：1-20

[9] 毛亮，马照伟，袁博，等.TA5钛合金激光填丝焊接工艺研究 [J].材料开发与应用，2022，37（1）：66-71+76.

[10] 马照伟，刘甲，付占波，等.钛合金厚板T型接头大功率激光焊接组织研究 [J].热加工工艺，2021，50（19）：35-38.

作者简介：张明盛（1994—），男，汉族，江苏赣榆人，工程师，硕士研究生，研究方向：船用材料激光焊接设备研发及工艺开发；江舒（1997—），男，汉族，江苏连云港人，工程师，本科，研究方向：焊接系统集成与电气控制。