CN101367157B - 一种高强或超高强钢激光-电弧复合热源焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种新的高强或超高强钢激光—电弧复合热源焊接方法，属于高强或超高强钢焊接技术领域，本方法要解决高强或超高强钢焊接中为防止冷裂纹的产生需采用较高温度进行预热的技术问题。本发明的焊接方法主要包括：激光功率高于800W，沿焊接方向采用激光(2)在前电弧(3)在后的复合形式，光丝间距h控制在3-7mm，电弧焊枪(4)与水平面夹角θ为45°～60°。用此方法焊接时，复合热源焊接熔池被拉长，熔池的振荡加剧，使得熔池金属的凝固速度降低、晶粒细化，从而降低了高强或超高强钢焊接过程中的冷裂纹敏感性。本发明的焊接方法可以降低高强或超高强钢焊接的预热温度，甚至可以实现高强的无预热焊接。
Description
技术领域：
本发明提出的一种新的高强或超高强钢激光—电弧复合热源焊接方法，属于高强或超高强钢焊接技术领域，特别涉及到能明显降低高强或超高强钢焊接中冷裂纹开裂倾向及焊前预热温度的激光—电弧复合热源焊接方法。
背景技术：
众所周知，大多数高强或超高强钢均具有较高的淬硬倾向，常规弧焊等焊接方法在焊接高强或超高强钢时，焊缝金属易产生冷裂纹，为防止焊接冷裂纹的产生，焊前需要对待焊工件进行预热，预热温度的高低主要取决于高强钢的化学成分、强度等级、母材厚度以及焊接结构等。一般而言，母材的碳当量及强度等级越高、母材厚度越大，焊前的预热温度就越高。尽管焊前预热处理能改善焊接接头的冷裂纹敏感性，但是却带来一系列问题。一方面，焊前预热使得焊接工艺变得复杂，降低了焊接效率；另一方面，经高温预热后的工件恶化了工人的操作环境；再者，对于某些形状复杂或尺寸较大的工件无法进行有效的预热处理，这样对焊接工作带来较大的困难。
发明内容：
为了克服背景技术中高强或超高强钢焊接中存在的困难，本发明提出一种不需要预热或者采用低预热处理的高强或超高强钢激光—电弧复合热源焊接方法。
该焊接方法的技术方案是：
1、一种高强或超高强钢激光—电弧复合热源焊接方法，其特征在于，
1)当激光功率超过800W后，激光束2的熔池产生“激光匙孔”，熔池金属的流动性增加；
2)沿焊接方向采用激光束2在前电弧3在后的复合方式，适当加大激光与电弧之间的距离，将光丝间距h控制在3-7mm，这样复合热源形成的熔池被拉长，熔池金属的凝固变缓；
3)采用电弧焊枪4与水平面夹角θ为45°～60°；
在以上各因素共同作用下，复合热源的熔池尺寸增加，熔池产生“浪涌现象”，造成熔池金属剧烈振荡，结果使得熔池金属的冷却速度减缓、焊缝金属组织细化，从而降低了高强或超高强钢焊接过程中焊缝金属的开裂倾向。
2、根据上述的焊接方法，复合热源所用的激光器可以是CO2激光器、Nd：YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器或半导体激光器。
3、根据上述焊接方法，复合热源中电弧可以是TIG电弧、单丝GMAW电弧，双丝GMAW电弧、MAG电弧以及具有波形控制的气体保护焊电弧。
4、根据上述的焊接方法，本焊接方法中的高强或超高强钢可以是低合金、中合金以及采用TMCP技术和调质处理后的高强或超高强钢。
本发明的焊接方法与常规电弧焊方法相比具有如下优点：
在保证焊接接头综合性能高于常规弧焊方法得到的焊接接头的条件下，可以实现高强或超高强的无预热或低预热焊接，一般而言，对于厚度≤15mm的高强或超高强钢可以进行无预热焊接，对于厚度>15mm的高强或超高强钢可以实现低预热焊接，与常规弧焊相比，预热温度可以降低50％左右。
附图说明
图1是本发明的激光—电弧复合热源焊接方法的示意图，
图1中1高强或超高强钢工件，2激光束，3电弧，4电弧焊枪，5焊丝，6焊缝；箭头表示焊接方向，h为光丝距离，表示激光斑点与电弧焊丝之间的距离，θ表示焊丝4与水平面之间的夹角。
在激光-电弧复合热源焊接过程中，当激光功率超过800W后熔池内会产生激光匙孔，激光匙孔是一个温度极高体热源，匙孔内的温度高达数千度，如此高温的体热源存在于熔池中，使得熔池金属的表面张力降低，熔池金属的流动性增加，同时由于匙孔内金属蒸汽的强烈挥发，在匙孔内产生较强的金属蒸发反作用力及饱和蒸气压力，从而使得激光-电弧复合热源焊接熔池金属的流动要比常规弧焊熔池金属的流动更加剧烈。在此复合热源工艺特点的基础上，采用激光在前电弧在后的复合方式，适当增加光丝间距h，使h在3-7mm范围内，这样复合热源焊接的熔池将会拉长，同时适当减小电弧焊枪4与水平面间的夹角θ，θ为45°～60°最佳，使得电弧力在水平方向的分力增大，由于激光-电弧复合热源焊接熔池金属的表面张力降低，熔池金属的流动性增强，因此在电弧力水平分力的作用下，熔池金属出现剧烈振荡，甚至出现“浪涌”现象。此外，由于光丝间距的增大，致使熔池变长，增加了熔池金属的振荡距离，使得熔池的“浪涌”现象更为剧烈。熔池的剧烈流动会不断地对焊接熔池凝固区域进行冲刷，在一定程度上可以打碎结晶凝固前沿的枝晶组织，防止粗大枝晶组织的产生，从而能够细化晶粒，改善焊缝金属组织。这种由于熔池金属剧烈流动而改善焊缝结晶组织的原理与铸造工业中半固态成型技术的原理是类似的。利用激光-电弧复合热源焊接的工艺冶金特点，通过增大光丝间距、减小焊枪倾角，可以细化激光-电弧复合热源焊缝金属组织，将该焊接方法应用于高强或超高强钢的焊接中，在很大程度上可以改善焊缝金属的冷裂纹敏感性。
此外，在激光-电弧复合热源焊接过程中，增大光丝间距，可以增大激光-电弧复合热源焊接熔池的大小，使得熔池金属的凝固时间变长，并且由于激光热源的加入使得在其他焊接条件相同的情况下，一次焊接热循环中t8/5时间增加，熔池金属的冷却速度变得缓慢，这样可以降低焊缝金属的残余应力。同时，t8/5时间增加，也可增加氢的逸出，减少焊缝金属的扩散氢含量。
通过上述措施，利用激光-电弧复合热源焊接可以改善到接头的组织及残余应力分布，同时由于复合热源焊缝的熔深相对较大，与常规弧焊焊缝相比，焊后作用于复合热源焊缝横截面上的平均拘束应力降低，因此在其他焊接条件及拘束条件相同的情况下，可以改善焊缝金属的冷裂纹敏感性。在采用该方法焊接高强或超高强钢时，可以采用不预热或者低预热而达到甚至高于常规弧焊高温预热的焊接效果。
具体实施方式：
试验所用的激光器为德国HAAS公司生产的HL2006D型Nd：YAG固体激光器，最大输出功率2.6kW，输出波长为1.06μm的连续波激光，采用焦距为200mm的聚焦透镜；电弧焊机为奥地利Fonius公司生产的TPS5000型数字化GMA焊接电源及送丝机；选用哈尔滨焊接研究所自行开发研制的直径为1.2的HS-80低合金高强钢焊丝(强度等级80kg级)；试验所用高强钢母材分别为12mm厚的JFE980S低合金高强钢(抗拉强度为980MPa)、25mm厚的HG980低合金高强钢(抗拉强度为980MPa)和25mm厚的35CrMnSiA超高强钢(抗拉强度1700MPa)。
试验分为斜Y型坡口焊接裂纹试验和对接接头性能试验。斜Y型坡口焊接裂纹试验依据GB4675.1-84进行，该试验通过焊后对表面裂纹率和断面裂纹率的测定，研究不同预热温度下，激光-电弧复合热源焊接和常规MAG焊两种焊接方法的裂纹敏感性。对接接头性能试验主要研究在不预热或者低预热条件下，复合热源焊接接头的综合机械性能，并与常规弧焊接头的机械性能做比较。12mm对接接头性能试板尺寸为300×350mm，开设60°“V”型坡口，25mm对接接头性能试板尺寸为300×350mm，开设60°“X”型坡口。试验前对试板进行烘干、打磨、去油污处理，而后进行焊接。焊后的斜Y型坡口焊接裂纹试验板放置24小时后再进行机械加工取样分析；焊后的对接接头性能试板直接放入热处理炉加热到250℃并保温两小时进行消氢处理，而后随炉冷却，待冷却到室温后再进行机械加工取样，进行机械性能测试分析。
斜Y型坡口焊接裂纹试验主要焊接规范参数如下：
常规MAG焊：焊接速度0.5m/min，送丝速度8.0m/min，焊接平均电流226A，电弧平均电压26.8V，干伸长为16mm，焊接过程用80％Ar+20％CO2混合气保护，气体流量为18L/min，弧焊焊枪与水平方向的夹角为45°。
复合焊：激光功率2000W，离焦量+2mm，光丝间距为5mm，电弧及其它参数同上。
复合焊对接接头性能试验主要焊接规范参数：焊接速度0.8m/min，送丝速度10.0m/min，焊接平均电流279A，电弧平均电压28.4V，激光功率2000W，离焦量+2mm，光丝间距为5mm，干伸长为16mm，弧焊焊枪与水平方向的夹角为45°，焊接过程用80％Ar+20％CO2混合气保护，气体流量为18L/min，层间温度控制在120±10℃。
常规MAG焊对接接头性能试验主要焊接规范参数：焊接速度0.33m/min，送丝速度10.0m/min，焊接平均电流270A，电弧平均电压30V，干伸长为16mm，弧焊焊枪与水平方向的夹角为45°，焊接过程用80％Ar+20％CO2混合气保护，气体流量为18L/min，层间温度控制在120±10℃。
对于12mm厚的JFE980S高强钢，斜Y型坡口焊接裂纹试验结果显示：在无预热焊接条件下，复合热源焊接试样的表面裂纹率和断面裂纹率均为0(无裂纹)，而常规MAG焊接试样的表面裂纹率和断面裂纹率均为100％(完全开裂)，焊前预热60℃的常规MAG焊接试样的表面裂纹率和断面裂纹率均为0(无裂纹)。对接接头性能试验结果显示：在无预热焊接条件下，复合热源焊接试样的抗拉强度为942MPa，-20℃下焊缝的平均冲击功为96.7J，而常规MAG焊接试样的抗拉强度为799MPa，-20℃下焊缝的平均冲击功仅为37J，焊前预热60℃的常规MAG焊接试样的抗拉强度为753Mpa，-20℃下焊缝的平均冲击功仅为67J。综合分析结果表明，对于12mm厚的JFE980S高强钢，采用适合于高强或超高强钢焊接的激光-电弧复合热源焊接新方法可以在焊前不预热的条件下直接进行焊接而不产生开裂，并且得到的复合热源焊接接头的综合性能要优于常规MAG焊接在必要预热温度(60℃)下得到接头的综合机械性能。
对于25mm厚的HG980高强钢，斜Y型坡口焊接裂纹试验结果显示：焊前无预热得到的复合热源焊接试样的平均裂纹率均为80％，而焊前无预热得到的常规MAG焊接试验的平均裂纹率为100％；但焊前预热到60℃后复合热源焊接试样的裂纹率已降为0，但此温度下常规MAG焊接试样的表面裂纹率约为60％，断面裂纹率约为80％，只有当预热温度升高到100℃时，常规MAG焊接试样的表面裂纹率和断面裂纹率均降为0。也就是说，对于25mm厚的HG980高强钢，激光-电弧复合热源焊接的必要预热温度为60℃，而常规MAG焊接的必要预热温度为100℃。对接接头性能试验结果显示：在60℃预热温度下，复合热源焊接头的综合机械性能同样优于100℃预热温度下常规MAG焊接接头的综合机械性能。
对于25mm厚的35CrMnSiA超高强钢，斜Y型坡口焊接裂纹试验结果显示：激光-电弧复合热源焊接的必要预热温度为120℃，而常规MAG焊的必要预热温度为200℃。对接接头性能试验结果显示：在120℃预热温度下，复合热源焊接接头的综合机械性能也同样优于200℃预热温度下常规MAG焊接接头的综合机械性能。
Claims (4)
1.一种高强或超高强钢激光-电弧复合热源焊接方法，其特征在于，
1)当激光功率超过800W时，激光束(2)的熔池形成“激光匙孔”，熔池金属的流动性增加；
2)沿焊接方向采用激光束(2)在前电弧(3)在后的复合方式，并且采用较大的光丝间距，光丝间距h为3-7mm，这样复合热源形成的熔池被拉长，熔池金属的凝固变缓；
3)采用电弧焊枪(4)与水平面夹角θ为45°～60°；
在以上各因素共同作用下复合热源熔池尺寸增加，熔池产生“浪涌”现象，造成熔池金属的剧烈振荡。
2.根据权利要求1所述的一种高强或超高强钢激光-电弧复合热源焊接方法，其特征在于，复合热源所用的激光器是CO2激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器或半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种高强或超高强钢激光-电弧复合热源焊接方法，其特征在于，复合热源中电弧是TIG电弧或MAG电弧。
4.根据权利要求1所述的一种高强或超高强钢激光-电弧复合热源焊接方法，其特征在于，本焊接方法中的高强或超高强钢是低合金、中合金高强或超高强钢。
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Granted publication date: 20110427 Termination date: 20151010 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |