CN102699575A

CN102699575A - 一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂及其使用方法

Info

Publication number: CN102699575A
Application number: CN2012102155347A
Authority: CN
Inventors: 王勇慧; 胡绳荪; 申俊琦; 张延龙; 宋枭
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂及其使用方法，按重量份分别称取3~7份的ZrO₂、0.9~1.5份的CaO、1~3份的MgO和1~3份的碳酸盐，混合，经充分研磨制成活性剂；将得到的活性剂按1：（0.3~0.8）的重量比加入溶剂调和成糊状物；待焊工件表面打磨，并用无水乙醇清洗去除表面油污；把糊状物涂覆在预处理后的待焊工件表面；待涂覆层充分干燥后，可以进行激光焊接。经试验验证，在同样的焊接参数下，采用本发明提供的活性剂可以在更小的功率下焊透铁素体不锈钢板；可使焊缝熔深显著增加；对焊缝组织有细化作用，焊缝区等轴晶数量增加。将活性剂用于激光焊接，操作简便，成本低廉，并可大大提高焊接效率。

Description

一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂及其使用方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体的说，是涉及一种用于焊接的活性剂及其使用方法。

背景技术

铁素体不锈钢（FSS）是铬含量11%-30%的不锈钢，因不含镍或含少量镍，在成本上相较于目前广泛使用的奥氏体不锈钢具有明显的经济优势，而且该类型钢导热系数大、热膨胀系数小，并具有优良的抗氧化和抗氯化物应力腐蚀性能。目前很多钢铁企业正致力于铁素体不锈钢的开发与推广，其在建筑装饰、家电用品、厨具餐具、车辆部件等领域有着广阔的应用前景。

不锈钢在使用过程中，很多时候需要进行焊接，焊接质量的好坏直接关系到不锈钢构件的使用性能。目前限制铁素体不锈钢大量使用的主要原因是其焊接性相对较差。铁素体不锈钢对焊接热输入非常敏感，使用传统的弧焊方法得到的焊缝组织主要为粗大的铁素体晶粒，从而导致焊接接头力学性能严重下降。这就对铁素体不锈钢的焊接工艺提出新的要求。

相比于焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等传统焊接工艺，激光焊具有能量密度大、熔池冷却速度快、热影响区窄、金相组织变化范围小等优点，使用激光焊进行铁素体不锈钢的焊接可以避免焊接过程中晶粒严重粗化，有助于保证焊接接头的性能。

现阶段激光器的功率还比较低，尤其是Nd:YAG固体激光器，目前最大功率仅为10kW左右；加之铁素体不锈钢材料对激光的吸收率较低，激光焊接时存在焊缝熔深浅、焊接效率低的问题，根本不适合中厚板的焊接，寻找出一种适合于低功率激光焊接铁素体不锈钢的方法具有明显的经济效益和实用前景。

乌克兰巴顿焊接研究所的研究人员在20世纪60年代提出了活性TIG焊的概念，并成功应用于钛合金的焊接中。在20世纪90年代，此种焊接技术引起了英国、美国和日本等国家的高度重视，并逐渐发展成为一类新的焊接方法——活性焊接方法，包括活性TIG焊、活性MIG焊、活性等离子弧焊、活性激光焊、活性电子束焊等。

活性焊接方法通过在待焊工件表面涂覆一层很薄的活性剂，用相同的参数焊接可取得比常规焊接大得多的焊缝熔深，其优势主要在于：（1）提高焊接效率；（2）减小热输入量；（3）控制晶粒长大；（4）减小焊接变形；（5）可以通过冶金反应过渡合金元素。

目前人们已研制出适用于铝合金、镁合金、奥氏体不锈钢等多种金属材料激光焊的活性剂，但是没有针对铁素体不锈钢的研究报道。

关于活性剂可以增加激光焊焊缝熔深的原因主要有以下几点：1.待焊工件表面涂覆的焊剂层使激光束被更好吸收；2.活性剂与高能量密度的激光发生反应放热，为焊接提供了额外能量；3.活性剂引入的活性元素引起熔池表面张力梯度显著改变，熔池中的金属流动方式发生变化；4.活性剂可以抑制焊接过程中等离子体的产生，使照射到工件表面的激光能量增加。

发明内容

本发明要解决的是铁素体不锈钢激光焊焊缝熔深浅、焊接效率低的技术问题，提供一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂及其使用方法，不仅可以显著增加焊缝熔深，还可改善焊缝组织形态。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂，该活性剂按重量份由以下组分组成：

其中，碳酸盐选自CaCO₃或MgCO₃中的一种。

优选地，该活性剂按重量份由以下组分组成：

其中，碳酸盐选自CaCO₃或MgCO₃中的一种。

优选地，所述碳酸盐为CaCO₃。

一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂的使用方法，该方法按照以下步骤进行：

a.按重量份分别称取3~7份的ZrO2、0.9~1.5份的CaO、0.4~2.8份的MgO和1.2~3份的碳酸盐，混合，经充分研磨制成活性剂；

b.将步骤（a）得到的活性剂按1：（0.3~0.8）的重量比加入溶剂调和成糊状物；

c．待焊工件表面打磨，并用无水乙醇清洗去除表面油污；

d．把步骤（b）得到的糊状物涂覆在步骤（c）预处理后的待焊工件表面；

e．待步骤（d）得到的涂覆层充分干燥后，准备进行激光焊接。

其中，步骤（b）中的溶剂选自丙酮、丁酮或无水乙醇其中的一种。

其中，步骤（c）中的打磨方式采用240#金相砂纸进行粗磨。

其中，步骤（d）中的涂覆厚度以刚好覆盖待焊工件表面金属光泽为准。

本发明的有益效果是：

本发明提供的活性剂由氧化物和少量碳酸盐组成，不含毒性较大的氟化物成分。混合成分的活性剂呈细微粉末状，涂覆效果非常理想。从试验结果分析认为，活性剂的加入能增加工件表面对激光的吸收率，并可显著改变熔池表面张力梯度，经试验验证，本发明提供的活性剂适用于铁素体不锈钢激光焊：

（一）在其他焊接参数保持不变的情况下，使用活性剂可以在更小的功率下焊透铁素体不锈钢板；

（二）在同样的焊接参数下，使用活性剂后可使焊缝熔深显著增加；

（三）在同样的焊接参数下，活性剂对焊缝组织有细化作用，焊缝区等轴晶数量增加。

此外，将本发明用于激光焊接，操作简便，成本低廉，并可大大提高焊接效率。使用活性剂后可以在低功率条件下取得理想的焊缝熔深，相对而言减小了焊接热输入，可以有效避免接头组织的晶粒粗化，在薄板焊接时还可以减小焊接变形，在实际生产中具有重要意义。

附图说明

图1-1是不使用活性剂的焊缝截面照片，所用体视显微镜放大倍数为20倍；

图1-2是实例例1中使用本发明所提供的活性剂的焊缝截面照片，所用体视显微镜放大倍数为20倍；

图2-1是不使用活性剂的焊缝中心区域在不同放大倍数下的显微组织照片，

其中图2-1a的放大倍数为200倍，图2-1b的放大倍数为500倍；

图2-2是实例例1中使用本发明所提供的活性剂的焊缝中心区域在不同放大倍数下的显微组织照片，

其中图2-2a的放大倍数为200倍，图2-2b的放大倍数为500倍。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行详细说明。实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和实施过程。下述的实施例仅用来说明本发明，但不用于限制本发明的保护范围。

下述实施例所涉及的焊接设备有英国GSI公司生产的JK2003SM型Nd:YAG固体激光器、额定输出功率为2kW；焊接工作台采用天津大学自主研制的基于DMC控制的TDJG-I型多轴数控激光加工机床以及按压式夹具等。

本实施例焊接时加侧面惰性气体保护，惰性气体选用Ar或者He或者两者的混合气；焊接材料选为铁素体不锈钢的代表钢种SUS430，钢板厚度为3mm；焊接方式均为表面堆焊。

实施例1

用电子天平按重量份分别称取5份的ZrO₂、1份的CaO、2.8份的MgO和1.2份的CaCO₃，混合，经充分研磨制成活性剂。取适量混合组分活性剂于干净烧杯中，加入相当于其重量0.5份的无水乙醇调和成糊状，然后用扁平毛刷均匀涂覆在待焊钢板表面，涂覆厚度以刚好覆盖金属表面光泽为宜。活性剂涂覆前待焊钢板需用240#金相砂纸进行表面打磨并用无水乙醇清洗以去除表面油污。待涂覆层干燥后用如下表1所示焊接规范进行激光焊。

表1活性激光焊规范

实施例2

用电子天平按重量份分别称取5.8份的ZrO₂、1.5份的CaO、1.2份的MgO和1.6份的CaCO₃，混合，经充分研磨制成活性剂。取适量混合组分活性剂于干净烧杯中，加入相当于其重量0.3份的无水乙醇调和成糊状，然后用扁平毛刷均匀涂覆在待焊钢板表面，涂覆厚度以刚好覆盖金属表面光泽为宜。活性剂涂覆前待焊钢板需用240#金相砂纸进行表面打磨并用无水乙醇清洗以去除表面油污。待涂覆层干燥后用如下表1所示焊接规范进行激光焊。

实施例3

用电子天平按重量份分别称取7份的ZrO₂、0.9份的CaO、0.4份的MgO和1.7份的CaCO₃，混合，经充分研磨制成活性剂。取适量混合组分活性剂于干净烧杯中，加入相当于其重量0.6份的丙酮调和成糊状，然后用扁平毛刷均匀涂覆在待焊钢板表面，涂覆厚度以刚好覆盖金属表面光泽为宜。活性剂涂覆前待焊钢板需用240#金相砂纸进行表面打磨并用无水乙醇清洗以去除表面油污。待涂覆层干燥后用如下表1所示焊接规范进行激光焊。

实施例4

用电子天平按重量份分别称取3份的ZrO₂、1.3份的CaO、2.7份的MgO和3份的MgCO₃，混合，经充分研磨制成活性剂。取适量混合组分活性剂于干净烧杯中，加入相当于其重量0.8份的丁酮调和成糊状，然后用扁平毛刷均匀涂覆在待焊钢板表面，涂覆厚度以刚好覆盖金属表面光泽为宜。活性剂涂覆前待焊钢板需用240#金相砂纸进行表面打磨并用无水乙醇清洗以去除表面油污。待涂覆层干燥后用如下表1所示焊接规范进行激光焊。

上述四个实施例的焊后结果如下：

1、焊缝宏观形貌

不使用活性剂的焊缝正面成形良好，背面未熔透；使用活性剂的焊缝正面成形良好，焊缝熔宽有所增大。

2、焊缝尺寸

不使用活性剂焊接铁素体钢板时，需要用1550W以上的激光功率才能一次熔透，在表1所示规范下焊接得到的熔深只有1.33mm，如图1-1所示；采用活性剂后，用1150W-1200W的激光功率就可将3mm不锈钢板一次焊透，用表1所示规范得到的焊缝熔深为2.59~2.97mm，是前者的1.95~2.23倍，如图1-2所示。

3、焊缝显微组织

不使用活性剂的焊缝组织如图2-1，使用活性剂的如图2-2。可见使用活性剂前后的焊缝组织均主要为铁素体，并有少量的马氏体；使用活性剂之后焊缝组织晶粒尺寸略有减小，焊缝中心区出现较多的等轴晶。

Claims

1.一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂，其特征在于，该活性剂按重量份由以下组分组成：

其中，碳酸盐选自CaCO₃或MgCO₃中的一种。

2.根据权利要求1所述的一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂，其特征在于，该活性剂按重量份由以下组分组成：

其中，碳酸盐选自CaCO₃或MgCO₃中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂，其特征在于，所述碳酸盐为CaCO₃。

4.一种权利要求1所述用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂的使用方法，其特征在于，该方法按照以下步骤进行：

a.按重量份分别称取3~7份的ZrO₂、0.9~1.5份的CaO、0.4~2.8份的MgO和1.2~3份的碳酸盐，混合，经充分研磨制成活性剂；

c．待焊工件表面打磨，并用无水乙醇清洗去除表面油污；

5.根据权利要求4所述的一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂的使用方法，其特征在于，步骤（b）中的溶剂选自丙酮、丁酮或无水乙醇其中的一种。

6.根据权利要求4所述的一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂的使用方法，其特征在于，步骤（c）中的打磨方式采用240#金相砂纸进行粗磨。

7.根据权利要求4所述的一种用于铁素体不锈钢激光焊的活性剂的使用方法，其特征在于，步骤（d）中的涂覆厚度以刚好覆盖待焊工件表面金属光泽为准。