CN101362255B - 低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种焊接工程技术领域的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，本发明中，熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之前，控制熔化极电弧与激光焦点的距离，使激光的光致等离子体与熔化极电弧等离子体保持交互作用，共同形成一个熔池，熔池在熔化极电弧笼罩区域浅，而在光致等离子体区域深；非熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之后，控制非熔化极电弧与激光焦点的距离，使光致等离子体与非熔化极电弧等离子无显著交互作用，同时非熔化极电弧在光致等离子体的协助下维持稳定燃烧。本发明提高工件对激光功率的吸收能力，改善了激光焊接的搭桥能力，而且降低了焊缝的冷却速度和接头显微硬度，改善了焊缝机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接工程技术领域的方法，具体是一种低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法。
背景技术
激光焊是一种具备能量密度高、穿透能力强、热输入量小等特征的焊接方法，已广泛用于金属材料和非金属材料的连接。但是由于材料本身及其材料表面状态对激光的吸收能力差异，导致激光传递给焊接工件的能量转换效率较低，特别对于CO2气体激光，其波长为10.6微米，照射金属材料时的反射系数较高，通常只有小部分输出激光功率能被材料吸收，作为熔化金属的能量。另一方面，激光束斑直径小，对连接坡口间隙敏感性大，通常要求连接间隙控制在0～0.2毫米，这给工业化生产带来很大的材料预制困难。在焊接较大厚度工件时单纯用激光束焊接，焊缝成形往往会产生不规则和咬边，当接头缝隙较大时甚至会造成根本无法形成焊缝。将激光与熔化极电弧复合作为热源进行焊接的方法可以有效提高焊缝桥接能力(可达到1.0毫米)，同时熔化极电弧对工件的预热增加了工件对激光的吸收能力，激光与熔化极电弧复合焊接方法的焊接速度通常是普通熔化极电弧焊方法的4～5倍，其良好的生产效率得到越来越多的关注。但是激光与熔化极电弧焊复合焊接方法的焊缝冷却速度也随焊接速度的提高而提高，焊缝区的加热速度以及冷却速度比普通弧焊要快很多，使得接头组织的淬硬倾向增大，对于低合金高强钢而言，焊缝熔合区的组织大多为马氏体，晶粒结构主要是柱状枝晶，其生长方向垂直于焊缝熔合线，即与沿热量传递方向相反，两边柱状枝晶在熔合区中心线连接在一起，组织为细小的马氏体。接头组织的显微硬度基本上以焊缝中心线为轴两边对称分布，进入热影响区之后硬度逐渐上升，热影响区中越接近焊缝处硬度就越高，焊缝熔合区的显微硬度可达到母材的1.5～2倍，对接头机械性能有显著的不良影响。
经对现有技术文献的检索发现，目前的文献只涉及激光与单一电弧进行复合的技术，高明等在《热加工工艺》2006年第35卷第15期28～32页在题为《激光-MIG复合焊接参数的优化与选择》的论文中描述了一种激光与熔化极电弧旁轴复合焊接的方法，将熔化极电弧安置在激光束前方，焊丝末端位置与激光焦点均位于焊接轴线上，两者的相对位置沿焊接方向可调，使熔化极焊丝对准激光束产生的小孔，激光束产生的小孔不断由熔化极焊丝受熔化极电弧和其它热量共同作用熔化而填充，并在工件上方形成盖面焊道，而熔化极电弧同时将超过激光束照射区域的金属熔化成液态金属，从而使激光束能量传递给工件的效率大为提高，这种激光-MIG复合焊技术的缺点在于工件上方盖面焊道的成形控制取决于熔化极电弧参数与相对激光束轴线角度，这种调节范围较窄。当布置于激光束前方的熔化极电弧产生熔化金属往往受激光束小孔收缩封闭力排开，造成焊接成形不规则。同时激光束小孔内生成气体不受熔化极电弧熔化焊丝金属的叠加重力，有可能造成气体不易逸出而产生气孔。
经检索还发现，2004年华中科技大学倪宇在其硕士学位论文《激光电弧复合焊接及激光焊接超低碳钢的焊缝磁性能研究》中描述了一种激光与非熔化极电弧复合焊，非熔化极电弧体置在沿焊接方向的激光束前方，由非熔化极电弧对工件进行预热，激光束随后照射在熔池上，提高了激光束能量传递效率，由于非熔化极电弧不能提供附加的填充金属，在焊较大厚度金属材料时往往工件上方焊缝成形缺陷很难避免，完全取决于激光束的焊接工艺参数，其作用只局限于提高激光能量转换效率，缺乏改善焊缝成形的能力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，使其既能保证激光与熔化极电弧复合焊的生产效率和桥接能力，同时非熔化极电弧又可改善焊缝的冷却速度，减少熔合区的马氏体组织，降低接头的显微硬度。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明中，将熔化极电弧热源、激光热源、非熔化极电弧热源按作用于工件的先后顺序沿焊接方向排放在一条直线上，熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之前，通过控制熔化极电弧与激光焦点的距离，使激光的光致等离子体与熔化极电弧等离子体保持交互作用，共同形成一个熔池，熔池在熔化极电弧笼罩区域浅，而在光致等离子体区域深；非熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之后，控制非熔化极电弧与激光焦点的距离，使光致等离子体与非熔化极电弧等离子无显著交互作用，同时非熔化极电弧在光致等离子体的协助下维持稳定燃烧。
所述非熔化极电弧热源为钨极电弧。
所述非熔化极电弧与激光焦点的距离略大于熔化极电弧与激光焦点的距离，同时非熔化极电弧与激光焦点的距离又不能过大。
所述非熔化极电弧与激光焦点之间的距离、激光焦点与熔化极电弧之间的距离由母材厚度、弧焊工艺参数、激光焊工艺参数等确定，以保证激光与熔化极电弧所形成的熔池是相连的，而非熔化极电弧用于降低焊缝冷却速度。
所述熔化极电弧、激光和非熔化极电弧均为等离子体，当三个热源的距离小于各自临界值时会造成等离子体间的相互干扰，无法实现稳定的焊接过程，甚至会造成导电嘴的烧毁；如果三个热源的距离大于各自临界上限时，由于激光与电弧的距离过远而无法为电弧的稳定燃烧提供能量和电子，最终导致电弧不稳甚至熄灭。
所述熔化极电弧与激光焦点的距离，对于厚度在6mm以下的钢板，为3～6mm，对于厚度在6mm以上的钢板，为在4～7mm。
所述非熔化极电弧与激光焦点的距离，对于厚度在6mm以下的钢板，为5～8mm，对于厚度在6mm以上的钢板，为7～10mm。
所述激光，其功率的选择取决于工件厚度和焊接速度，激光功率越高其形成的等离子体越大，应适当增加激光焦点与电弧之间的距离。
所述熔化极电弧，其电流、电压规范参数的设置取决于焊缝坡口尺寸，要求熔化极电弧形成的金属熔滴须填满坡口并形成适当余高，因此当坡口尺寸较大，熔化极电弧规范参数较高时，应适当增加激光与电弧之间的距离以保证电弧稳定燃烧。
所述非熔化极电弧，其电流、电压规范参数无需设置过高，以能维持电弧稳定燃烧即可。
所述熔化极电弧，其焊炬相对工件表面的垂直高度为12～18mm。
所述非熔化电弧，其焊炬相对工件表面的垂直高度为3～5mm。
所述激光，其侧吹气体为纯氦气。
所述熔化极电弧，其保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体。
所述非熔化极电弧，其保护气体为纯氩气。
本发明中，进行焊接时，激光首先照射到工件表面，工件表面材料瞬时汽化并在激光的照射下形成光致等离子体，此时熔化极电弧引燃，光致等离子体与熔化极电弧等离子发生交互作用，一方面熔化极电弧等离子对光致等离子体产生稀释作用，另一方面光致等离子体为熔化极电弧提供部分电离粒子，使其在高速焊接过程中保持稳定燃烧。即由于材料对激光能量的吸收能力随温度升高迅速增加，因此熔化极电弧加热工件至熔化状态可显著增加工件对激光能量的吸收率；
光致等离子体与熔化极电弧等离子的交互作用稳定后，引燃非熔化极电弧，非熔化极电弧与激光焦点的距离略大于熔化极电弧与激光焦点的距离，但为了保证非熔化极电弧在高速焊接条件下可稳定燃烧，非熔化极电弧与激光焦点的距离又不能过大。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明一方面保留了激光与熔化极电弧焊复合方法在焊缝桥接能力、生产效率方面的优势，另一方面非熔化极电弧降低了焊缝熔合区的冷却速度，减少了该区域的马氏体组织含量，从而降低了接头显微硬度。
相对激光焊接方法而言，本发明方法可以在保证高速焊接的前提下增加焊缝桥接能力1～2倍，降低了对焊前工件坡口准备工作的要求；相对于激光与熔化极电弧复合焊接方法而言，本发明可以在同样焊接速度的情况下降低焊缝冷却速度，减少马氏体组织比例，降低接头的显微硬度。
附图说明
图1是本发明中激光与双弧串式复合焊接方法原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实例。
实施例一
本实施例用于焊接尺寸为250mm×100mm×10mm(长×宽×厚)的低合金高强钢，焊接的接头形式为：对接、不开坡口、接头间隙为0.2mm。
如图1所示，本实施例中，将熔化极电弧热源、激光热源、非熔化极电弧热源按作用于工件的先后顺序沿焊接方向排放在一条直线上，熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之前，通过控制熔化极电弧与激光焦点的距离，使激光的光致等离子体与熔化极电弧等离子体保持交互作用，共同形成一个熔池，熔池在熔化极电弧笼罩区域浅，而在光致等离子体区域深；非熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之后，控制非熔化极电弧与激光焦点的距离，使光致等离子体与非熔化极电弧等离子无显著交互作用，同时非熔化极电弧在光致等离子体的协助下维持稳定燃烧。
图中，d1表示非熔化极焊炬中心与激光焦点在工件表面沿焊接方向的距离；d2表示熔化极焊炬中心与激光焦点在工件表面沿焊接方向的距离；h1表示非熔化极焊炬中心距工件表面的高度；h2表示熔化极焊炬中心距工件表面的高度；α1表示非熔化极焊炬轴线与工件表面的夹角；α2表示熔化极焊炬轴线与工件表面的夹角。
本实施例焊接参数具体如下：
| 激光功率： | 12KW(激光器输出功率) |
| 离焦量： | -2mm(激光焦点位于试样上表面下方2mm) |
| 电弧参数： | 320A、30V(熔化极电弧) |
| 180A、18V(非熔化极电弧) | |
| 焊接速度： | 1.2m/min |
| 激光侧吹气体： | 纯氦气，30L/min |
| 熔化极电弧保护气体： | 80％氩气+20％二氧化碳，15L/min |
| 非熔化极电弧保护气体： | 纯氩气，10L/min |
| 热源间距： | 5mm(熔化极电弧与激光间距) |
| 8mm(非熔化极电弧与激光间距) | |
| 焊炬高度： | 15mm(熔化极弧焊焊炬) |
| 3mm(非熔化极弧焊焊炬) |
实施例二
本实施例用于焊接尺寸为250mm×100mm×4mm(长×宽×厚)的低合金高强钢，焊接的接头形式为：对接、不开坡口、无接头间隙。
本实施例的步骤与实施例一相同，不同之处在于焊接参数有调整，具体如下：
| 激光功率： | 8KW(激光器输出功率) |
| 离焦量： | -1mm(激光焦点位于试样上表面下方4mm) |
| 电弧参数： | 280A、21V(熔化极电弧) |
| 激光功率： | 8KW(激光器输出功率) |
| 150A、17V(非熔化极电弧) | |
| 焊接速度： | 2.2m/min |
| 激光侧吹气体： | 纯氦气，20L/min |
| 熔化极电弧保护气体： | 80％氩气+20％二氧化碳，15L/min |
| 非熔化极电弧保护气体： | 纯氩气，10L/min |
| 热源间距： | 3mm(熔化极电弧与激光间距) |
| 5mm(非熔化极电弧与激光间距) | |
| 焊炬高度： | 15mm(熔化极弧焊焊炬) |
| 3mm(非熔化极弧焊焊炬) |
上述两个实施例中所采用的低合金高强钢母材HV硬度值为195，采用激光与熔化极电弧复合焊接方法时的焊缝熔合区HV硬度均值为341，热影响区HV硬度均值为362。采用本方法的试验结果显示，实施例一焊缝熔合区HV硬度均值为224，焊缝热影响区HV硬度均值为243；实施例二焊缝熔合区HV硬度均值为238，焊缝热影响区HV硬度均值为246，都得到了显著改善。
焊接时设定激光输出0.2秒后启动熔化极电弧引弧功能，由于熔化极电弧的引燃时特性，通常在激光输出0.5～1秒钟内熔化极电弧引燃，光致等离子体与熔化极电弧的交互作用建立通常在1～2秒钟内完成，此时启动非熔化极电弧的引弧功能。焊接过程结束时，关闭激光并同时熄灭熔化极电弧和非熔化极电弧。由于焊接试样配有引弧板和收弧板，因此三种等离子体先后引燃并建立平衡关系的过程不会对焊缝产生不良影响。
本实施例方法采用熔化极电弧与激光交互作用并形成同一个熔池，只是前者区域熔池较浅(通常为4～6毫米)，后者区域熔池较深(熔透情况下为钢板厚度)；非熔化极电弧维持稳定燃烧即可，对熔深和熔池连续性不作要求。相对于激光-单电弧复合焊接方法而言，双电弧与激光复合焊接过程可调参数增加，凸现三个热源的优点的同时弱化了各自的缺点，在保证高速焊接、焊缝熔深能力和桥接能力的情况下，有效降低了接头的显微硬度。
Claims (10)
1.一种低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征在于，将熔化极电弧热源、激光热源、非熔化极电弧热源按作用于工件的先后顺序沿焊接方向排放在一条直线上，熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之前，控制熔化极电弧与激光焦点的距离，使激光的光致等离子体与熔化极电弧等离子体保持交互作用，共同形成一个熔池，熔池在熔化极电弧笼罩区域浅，而在光致等离子体区域深；非熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之后，控制非熔化极电弧与激光焦点的距离，使光致等离子体与非熔化极电弧等离子无显著交互作用，同时非熔化极电弧在光致等离子体的协助下维持稳定燃烧。
2.根据权利要求1所述的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征是，所述非熔化极电弧与激光焦点之间的距离、激光焦点与熔化极电弧之间的距离由母材厚度、弧焊工艺参数、激光焊工艺参数确定。
3.根据权利要求1或2所述的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征是，所述熔化极电弧，其与激光焦点的距离，对于厚度在6mm以下的钢板，为3～6mm，对于厚度在6mm以上的钢板，为在4～7mm。
4.根据权利要求1或2所述的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征是，所述非熔化极电弧，其与激光焦点的距离，对于厚度在6mm以下的钢板，为5～8mm，对于厚度在6mm以上的钢板，为7～10mm。
5.根据权利要求1所述的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征是，所述熔化极电弧、激光和非熔化极电弧均为等离子体。
6.根据权利要求1或5所述的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征是，所述激光，其功率的选择取决于工件厚度和焊接速度。
7.根据权利要求1所述的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征是，所述激光，其侧吹气体为纯氦气；所述熔化极电弧，其保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体；所述非熔化极电弧，其保护气体为纯氩气。
8.根据权利要求1或7所述的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征是，所述熔化极电弧，其焊炬相对工件表面的垂直高度为12～18mm。
9.根据权利要求1或7所述的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征是，所述非熔化电弧，其焊炬相对工件表面的垂直高度为3～5mm。
10.根据权利要求1或7所述的低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法，其特征是，所述熔化极电弧，其电流、电压规范参数的设置取决于焊缝坡口尺寸，熔化极电弧形成的金属熔滴须填满坡口并形成余高。
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