一种激光-电弧复合焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域,尤其涉及一种激光-电弧复合焊接焊缝合金元素分布均匀性的方法。
背景技术
激光焊接对工件的装配间隙要求很严格,因为在焊接时容易产生气孔、咬边等缺陷。为了消除或减少上述激光焊接的缺陷,在保持激光加工优点的基础上,提出了激光-电弧复合焊接技术。20世纪70年代末,英国学者W M Steen首先提出激光与TIG复合热源焊接的概念,其主要思想是有效利用电弧能量,在较小激光功率下获得较大的焊接熔深。这种方法综合了激光和电弧的优点,即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区结合,同时通过激光与电弧的相互作用改善激光能量的耦合特性和电弧的稳定性。其焊缝成形美观、焊接熔深增大、无气孔等缺陷,实现高反射材料的焊接,对装配间隙要求降低。
虽然激光-电弧复合焊接相对激光焊接技术来讲具有改善焊缝组织与性能的优势,但是焊接过程中,当填充材料进入熔池后,由于熔池的对流和搅拌,在窄而深的激光-电弧焊缝中合金元素的分布依然存在较大的不均匀性,造成焊缝不同部位的组织差异,进而影响焊接部位的机械性能,在使用中存在一定的质量隐患。
发明内容
本发明的目的在于解决现有激光-电弧复合焊接焊缝合金元素存在较大不均匀性,造成焊缝机械性能下降的问题。本发明在现有激光-电弧复合焊接技术的基础上,提出一种改进的激光-电弧复合焊接方法,以改善激光-电弧复合焊接焊缝合金元素分布不均匀的问题。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案:本发明的激光-电弧复合焊接方法,其特点是在激光-电弧复合焊接过程中,通过改变焊接方向以及改变保护气体成分实现焊缝合金元素分布的均匀性;该方法采用激光在前的焊接方向,采用脉冲熔化极气体保护焊;其中,激光保护气体为纯He(氦);电弧焊接保护气体为He-38%Ar(氩)-O2混合气体,保护气体中加入的O2为2%-10%。
本发明所述激光-电弧复合焊接使用CO2激光,功率为6-10kW,激光保护气体流量为45-55L/min,焊接速度0.7-1.2m/min。
本发明所述脉冲熔化极气体保护焊采用一个脉冲过渡一个熔滴的熔滴过渡形式;其中,脉冲频率为200Hz,脉冲电流峰值470-480A,电压41V,脉冲电流基值90-100A,电压36V,脉宽2.5ms。
本发明所述电弧焊接时焊枪与激光束角度呈33°-37°,焊枪喷嘴距工件间距18-22mm,激光与电弧中心间距5-10mm。
本发明所述激光-电弧复合焊接中保护气体含有O2以改变熔池的流动;所述熔池流动包括:熔池内向流动,即熔池表面的流动方向由熔池后部指向激光小孔,熔池内部的流动方向由激光小孔开口处指向小孔底部;熔池外向流动,即熔池表面的流动方向由激光小孔指向熔池后部,熔池内部的流动方向沿小孔后壁的流动方向由小孔底部指向小孔开口处。本发明所述激光-电弧复合焊接中保护气体中含有O2以促进熔池的流动;而本发明所述熔池内向流动有利于实现焊缝合金元素分布的均匀性。
本发明通过激光-电弧复合焊接工艺参数的优化和保护气氛的改变,很好地改善了焊缝合金元素分布均匀性的问题,使焊接质量得到进一步提高。
附图说明
图1是本发明的激光-电弧复合焊接方法的焊接示意图;其中序号表示为:激光1,电弧焊枪2,激光保护气体3,激光与电弧中心间距4,焊枪喷嘴距工件间距5,工件6。
图2是本发明激光在前,电弧保护气体氧含量≥2%焊接时熔池内向流动方向的示意图。
图3为对比方法,电弧焊在前,激光在后焊接时熔池外向流动方向示意图。
图4是本发明激光在前,电弧焊在后,保护气体中加入2%焊接时焊缝合金元素的分布图。
图5为对比方法,电弧焊在前,激光在后焊接时焊缝合金元素的分布图。
图6是本发明激光在前,电弧焊在后保护气体中O2=10%焊接时焊缝合金元素的分布图。
图7是对比方法,激光在前,电弧焊在后保护气体中O2含量为0焊接时焊缝合金元素的分布图。
图8是激光在前,电弧焊在后保护气体中O2含量为0焊接时熔池外向流动方向,以及产生氧化物膜的示意图。
图9是本发明激光在前,电弧焊在后保护气体中O2=2%焊接时焊缝合金元素的分布图。
图10是本发明激光在前,电弧焊在后保护气体中O2=5%焊接时焊缝合金元素的分布图。
图11是对比方法,电弧焊在前,激光在后焊接时焊缝合金元素的分布图。
图12是本发明激光在前,电弧焊在后保护气体中O2=5%双面焊接时焊缝合金元素的分布图。
具体实施方式
以下结合附图以及示例性实施例,进一步详细描述本发明的设计思想以及形成机理,使本发明的技术解决方案更加清楚。
焊接材料添加的合金元素在焊缝中是否均匀分布是焊接质量的技术关键。本发明在现有的激光-电弧复合焊接过程中,通过焊接工艺参数的优化,焊接方向的改变,以及通过焊接保护气氛的改变,达到改善焊缝合金元素分布的均匀性,从而达到改善焊缝的组织及性能,提高工件焊接质量的目的。
本发明所采用的激光在前的焊接方向比电弧在前的焊接方向有利于合金元素的均匀分布,尤其是在激光在前的焊接方向条件下,电弧焊接保护气体中加入2%-10%的O2更有利于合金元素的均匀分布。因为含有适量的O2能促进熔池的内向流动,而熔池内向流动有利于得到激光-电弧复合焊接焊缝合金元素的均匀化分布效果。
如图2所示,本发明采用的激光在前焊接方向为熔池内向流动,如图中箭头所示,即在熔池表面表现为流动方向由熔池后部指向激光小孔,在熔池内部表现为沿小孔后壁的流动方向由小孔开口处指向小孔底部;熔池内向流动可得到合金元素分布均匀如图4所示的焊缝。而对比方法电弧在前激光在后的焊接方法,如图3中箭头所示,焊缝熔池的流动方向是外向流动,其所得到的焊缝是不均匀的,如图5所示。
如图4和图6所示,本发明采用的激光在前的焊接方向,在保护气体中加入2%-10%的O2焊接时,更加有力地促进了熔池的内向流动,使焊缝中的合金元素分布更加均匀。而在保护气体中不加入O2焊接时,焊缝中的合金元素分布就不均匀,如图7所示。因此,激光在前,电弧在后以及在焊接保护气体中加入2%-10%的O2的的复合焊接方法保证了焊缝合金元素的均匀分布,提高了焊接质量,从而保证了焊接产品的使用性能。
如图1所示,本发明的方法采用激光在前的焊接方向,采用脉冲熔化极气体保护焊,激光保护气体采用纯He,电弧焊接保护气体采用He氦-38%Ar氩-O2氧混合气体,在激光在前的焊接过程中,电弧焊接保护气体中加入了2%-10%的O2。
本发明的激光-电弧复合焊接使用CO2激光,功率为6-10kW,气体流量为45-55L/min,焊接速度0.7-1.2m/min;其最佳功率为8kW,气体流量为50L/min,焊接速度1.0m/min。
本发明的脉冲熔化极气体保护焊采用一个脉冲过渡一个熔滴的熔滴过渡形式;其中,脉冲频率为200Hz,脉冲电流峰值470-480A,电压41V,脉冲电流基值90-100A,电压36V,脉宽2.5ms。
本发明在电弧焊接时焊枪与激光束角度呈33°-37°,焊枪喷嘴距工件间距18-22mm,激光与电弧中心间距5-10mm;其最佳角度为35°,焊枪喷嘴距工件间距20mm,激光与电弧中心间距为5mm。
实施例1
针对12mm厚780MPa级高强钢,即工件6,采用CO2激光-脉冲熔化极气体保护焊复合焊接方式,采用激光1和电弧焊枪2,其中激光1的激光功率为8kW,激光保护气体3采用纯He,气体流量为50L/min,焊接速度1.0m/min;所采用的脉冲熔化极气体保护焊熔滴过渡形式为一个脉冲过渡一个熔滴,脉冲频率为200Hz,脉冲电流峰值470A,电压41V,脉冲电流基值90A,电压36V,脉宽2.5ms,电弧焊接保护气体为He(其余)-38%Ar-2%O2,电弧焊枪与激光束角度呈35°,电弧焊接喷嘴距工件间距5为20mm,激光与电弧中心间距4为5mm。焊接方向为激光在前,熔池流动方向如图2箭头所示为内向流动,得到焊缝合金元素如图4所示的效果。证明激光在前并在保护气体中加入了适量的≥2%O2的焊接促进了熔池的内向流动,得到了合金元素分布较均匀的焊缝。而焊接条件与上述相同,焊接方向为电弧在前时熔池的流动如图3箭头所示为外向流动,得到的焊缝合金元素如图5所示是不均匀的焊缝合金元素分布。
实施例2
针对12mm厚780MPa级高强钢,即工件6,采用CO2激光-脉冲熔化极气体保护焊复合焊接方式,采用激光1和电弧焊枪2,其中激光1的功率为8kW,激光保护气体3为纯He,气体流量为45L/min,焊接速度1.0m/min,焊接方向为激光在前,脉冲熔化极气体保护焊熔滴过渡形式为一个脉冲过渡一个熔滴,脉冲频率为200Hz,脉冲电流峰值480A,电压41V,脉冲电流基值100A,电压36V,脉宽2.5ms,电弧焊枪与激光束角度呈35°,电弧焊接喷嘴距工件间距5为20mm,激光与电弧中心间距4为5mm;电弧焊接保护气体为He(其余)-38%Ar-10%O2时,熔池流动如图2所示,而焊缝合金元素如图6所示,当在电弧焊接保护气体中加入10%O2含量时,保护气体中O2含量的增加更好地促进了熔池的内向流动,获得了合金元素分布均匀的焊缝。而焊接条件与上述相同,电弧焊接保护气体O2含量为0时熔池的流动如图8箭头所示为外向流动,并且在O2含量为0时,还会在熔池表面局部产生氧化物膜,而且得到的焊缝合金元素如图7所示也是不均匀的焊缝合金元素分布。
实施例3
针对11mm厚490MPa级低碳钢,即工件6,采用CO2激光-脉冲熔化极气体保护焊复合焊接方式,采用激光1和电弧焊枪2,其中激光功率7kW,激光保护气体3为纯He,气体流量为55L/min,焊接速度0.7m/min,焊接方向为激光在前,脉冲熔化极气体保护焊熔滴过渡形式为一个脉冲过渡一个熔滴,脉冲频率为200Hz,脉冲电流峰值480A,电压41V,脉冲电流基值100A,电压36V,脉宽2.5ms,电弧焊枪与激光束角度呈37°,电弧焊接喷嘴距工件间距5为18mm,激光与电弧中心间距4为5mm。电弧焊接保护气体为He其余-38%Ar-2%O2时,熔池流动方向如图2所示为内向流动,得到焊缝合金元素如图9所示的均匀分布。
实施例4
针对12mm厚低碳钢,即工件6,采用CO2激光-脉冲熔化极气体保护焊复合焊接方式,采用激光1和电弧焊枪2,其中激光功率10kW,激光保护气体3采用纯He,气体流量为50L/min,焊接速度1.2m/min,焊接方向为激光在前,脉冲熔化极气体保护焊熔滴过渡形式为一个脉冲过渡一个熔滴,脉冲频率为200Hz,脉冲电流峰值480A,电压41V,脉冲电流基值100A,电压36V,脉宽2.5ms,电弧焊枪与激光束角度呈35°,电弧焊接喷嘴距工件间距5为20mm,激光与电弧中心间距4为10mm。电弧焊接保护气体为He(其余)-38%Ar-5%O2时,熔池流动方向如图2所示为内向流动,得到焊缝合金元素如图10所示的较均匀分布。证明激光在前并在保护气体中加入了适量的≥2%O2的焊接促进了熔池的内向流动,得到了合金元素分布均匀的焊缝。而焊接条件与上述相同,焊接方向为电弧在前时熔池的流动如图3所示为外向流动,得到的焊缝合金元素如图11所示是不均匀的焊缝合金元素分布。
实施例5
针对15mm厚780MPa级高强钢,即工件6,采用CO2激光-脉冲熔化极气体保护焊复合焊接方式进行双面焊接成形,采用激光1和电弧焊枪2,其中激光功率6kW,激光保护气体3为纯He,气体流量为45L/min,焊接速度1.0m/min,焊接方向为激光在前,脉冲熔化极气体保护焊熔滴过渡形式为一个脉冲过渡一个熔滴,脉冲频率为200Hz,脉冲电流峰值470A,电压41V,脉冲电流基值90A,电压36V,脉宽2.5ms,电弧焊枪与激光束角度呈35°,电弧焊接喷嘴距工件间距5为20mm,激光与电弧中心间距4为5mm。电弧焊接保护气体为He(其余)-38%Ar-5%O2时,熔池流动方向如图2所示为内向流动,得到焊缝合金元素如图12所示均匀分布。进一步证明激光在前并在保护气体中加入了适量的≥2%O2的焊接方式在厚板双面焊接过程中促进了焊缝熔池的内向流动,得到了合金元素分布均匀的焊缝。
本发明的激光-电弧复合焊接方法,通过采用激光在前,电弧在后的焊接方向,以及通过在电弧焊接保护气体中加入O2的改进,促进了焊缝熔池的内向流动,从而达到改善焊缝合金元素分布均匀性的目的。
尽管本发明已对其优选实施方案进行了详细说明,但本领域技术人员仍可采取改变保护气体成分及含量等技术参数实施本发明,在不脱离本发明设计思想的范围内,可以进行各种变形和修改,这些变化均属于本发明的保护范围。