CN103801845A - 基于光束扫描的铁或镍基材料激光mig复合堆焊方法 - Google Patents
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Abstract
基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法。目前MIG焊不能用于碳钢、不锈钢、镍基合金等金属材料的焊接，因此，在核电等高端设备的不锈钢、镍基合金焊接制造中，仍然大量采用焊接效率低的TIG填丝焊接方法。本发明方法包括：将沿一定轨迹扫描的激光束与惰性气体保护的MIG电弧复合进行铁基、镍基金属材料的焊接，合理匹配激光功率、扫描频率、激光摆幅可使被焊工件的激光扫描区域接近或达到熔化状态，由此实现对焊道轨迹的提前预热作用，激光束在垂直于焊接方向上可以沿圆形、椭圆形、矩形或锯齿形路径进行扫描，沿一定的轨迹摆动，进而实现焊接。本发明用于基于光束扫描的铁基或镍基材料激光-MIG复合堆焊。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法。
背景技术：
气体保护电弧焊（Shielded Arc Welding）仍然是目前在工业领域中应用范围最广、最普遍的一类焊接工艺方法，其中钨极惰性气体保护焊（TIG）和熔化极气体保护焊（GMAW）是最常用的两种气体保护电弧焊方法。与TIG焊工艺相比，GMAW焊接工艺具有焊接速度快、填充效率高等典型技术优势，是一种更为高效的弧焊工艺。根据保护气体的类型不同，又可以将GMAW电弧焊分为CO
2
气体保护焊、惰性气体熔化极电弧焊（MIG）和混合气体熔化极电弧焊（MAG）。与TIG焊相比，尽管GMAW电弧焊具有更高的焊接效率，但GMAW电弧焊一直无法用于对焊缝洁净程度要求较高（如核电制造领域）的不锈钢、镍基合金等高纯材料的焊接，主要原因有两个方面：其一，无论是CO
2
气体保护焊还是MAG焊（MAG焊通常在惰性气体中加入少量的CO
2
或O
2
），在焊接不锈钢、镍基合金等高性能金属材料时，保护气体中加入的氧化性气体CO
2
或O
2
会导致了焊缝金属中C、O等杂质的增加，严重影响了焊缝金属的冶金性能，因此CO
2
气体保护焊和MAG焊不能在核电设备、航空航天等对冶金性能要求极高的高端产品的制造中应用；其二，采用惰性气体（Ar、He）保护的MIG焊焊接碳钢、不锈钢、镍基合金时，由于保护气中无氧化性气体，且熔池中缺少氧化物的存在，电弧的阴极斑点（采用直流反接）难以固定，随焊接过程的进行而不停漂移，表现为电弧飘动、挺度不足，焊接过程极其不稳定，因此MIG焊不能用于碳钢、不锈钢、镍基合金等金属材料的焊接，正因为如此，在核电等高端设备的不锈钢、镍基合金焊接制造中，仍然大量采用焊接效率低的TIG填丝焊接方法，TIG填丝焊由于采用纯Ar保护，焊缝金属洁净程度高，冶金质量好，但其最大的焊接技术问题是焊接生产效率低，特别是在涉及上述高纯金属材料的大面积堆焊及厚板的多层多道填充焊时，TIG填丝焊焊接效率低的技术缺点会严重影响工件的制造周期。
传统的采用了具有电弧稳定性好、焊接热输入低的先进“冷金属过渡电弧”（简称CMT，是一种具有精确波形控制的GMAW电弧），利用激光与电弧的相互作用，解决了在惰性气体保护氛围下CMT电弧无法稳定焊接不锈钢、镍基合金的技术难题。但是，该发明仅仅适用于先进的CMT电弧，特别是在单层单道焊缝的焊接中效果最好，而在堆焊及厚板多层多道焊中容易在焊缝的搭接位置出现熔合不良的缺陷。此外，如果将CMT电弧更换为普通的MIG电弧，也就是说采用激光-MIG电弧复合焊进行不锈钢、镍基合金的焊接，虽然其电弧的稳定性较单独MIG电弧的稳定性有了很大的提高，但是焊缝的成形仍不够好，主要体现在焊缝焊趾位置的铺展性不好。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于光束扫描的铁或镍基材料激光-MIG复合堆焊方法，该方法包括：将沿一定轨迹扫描的激光束与惰性气体保护的MIG电弧复合进行铁基、镍基金属材料的焊接，合理匹配激光功率、扫描频率、激光摆幅可使被焊工件的激光扫描区域接近或达到熔化状态，由此实现对焊道轨迹的提前预热作用，激光束在垂直于焊接方向上可以沿圆形、椭圆形、矩形或锯齿形路径进行扫描，激光扫描功能靠集成在激光焊枪内部由电机驱动的一组或两组反射镜实现，反射镜可以在一定的频率范围内按照上述轨迹和一定的摆幅实现摆动，从而实现激光束在工件表面的扫描，进而实现焊接。
所述的一种基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，所述的复合方式采用旁轴复合，激光在前，电弧在后，光丝间距为1～10mm，所述的激光束可以沿圆形、椭圆形、矩形或锯齿形路径进行扫描，所述的激光功率≥500 W，所述的激光扫描频率在2～500 HZ，所述的激光束摆幅A在1/3B～B范围内，B为焊缝熔宽。
所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，所述的基于光束扫描的铁基或镍基材料激光-MIG复合堆焊过程中焊接电流30～300A，焊接速度0.2～2.0 m/min，所述的输入激光功率需要与焊接速度匹配，所述的激光功率≥500W，与焊接速度匹配后确保堆焊工件表面激光扫描区域接近或达到熔化状态，以达到对堆焊焊道轨迹的预热目的，从而实现熔池金属在预热区域的良好铺展。
所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，所述的惰性气体为工业氩气或工业氦气，所述的MIG电弧为短路过渡、颗粒过渡、脉冲过渡方式的普通MIG电弧或特殊波形控制的MIG电弧，所用激光器可为：YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器。
所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法,在304不锈钢表面进行镍基焊丝堆焊试验，304不锈钢母材厚度12 mm，试板规格350×200 mm，采用的镍基焊丝为直径1.2 mm的Inconel 690，焊接过程采用CMT电弧，焊接电流140A，焊接速度0.5 m/min，所用激光器为碟形激光器，激光功率800 W，扫描轨迹为圆形，圆形轨迹的半径为5 mm，扫描频率50 HZ，保护气体为工业纯氩，保护气体流量20 L/min；试验进行了单层堆焊，堆焊道次20道，堆焊层的尺寸约为300×200 mm，整个堆焊层的焊缝成形良好，着色探伤表明堆焊层表面无缺陷，X射线探伤未发现未熔合、气孔等缺陷；对堆焊层取样进行微观组织分析及稀释率分析，其堆焊层稀释率约为8%。
所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法,进行304不锈钢厚板的多层多道焊接，304不锈钢母材厚度20 mm，开设U形坡口，坡口根部预留1 mm钝边，坡口角度约为40°，试板规格350×300 mm，采用的焊丝为直径1.2 mm的308L不锈钢焊丝，焊接过程采用脉冲MIG电弧；打底焊主要焊接参数：焊接速度0.5 m/min，焊接电流150 A，激光功率1500W，激光束不扫描；填充焊主要焊接参数：接速度焊接速度0.8 m/min，焊接电流180 A，激光功率2000W，激光沿锯齿形轨迹扫描，摆幅为6.5 mm，扫描频率120 HZ，保护气体为工业纯氩，保护气体流量20 L/min；试验总焊接道次26道，X射线探伤未发现未熔合、气孔等缺陷；对接头力学性能进行了分析测试，并与TIG填丝焊进行了对比，如下表1对于304不锈钢焊接接头力学性能测试结果对比，力学性能测试结果对比表明，二者的综合力学性能相当，焊接效率为TIG填丝焊方法的5倍；
表1 304不锈钢焊接接头力学性能测试结果对比
所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法,进行6005铝合金试板的平板堆焊，并与传统激光-MIG复合焊缝成形进行了对比；试验6005铝合金母材厚度12 mm，试板规格300×120 mm，采用的焊丝为直径1.2 mm的ER5356铝合金焊丝，焊接过程采用脉冲MIG电弧，焊接参数：接速度焊接速度1.5 m/min，焊接电流200 A，激光功率3000W，激光沿圆形轨迹扫描，摆幅为8 mm，扫描频率20 HZ，保护气体为工业纯氩，保护气体流量20 L/min；焊后对比两种方法的焊缝成形发现：铝合金焊缝成形非常美观，焊缝铺展性好，焊缝宽度为13 mm。
有益效果：
1. 本发明利用激光扫描技术对工件焊道轨迹的预热作用，提高了惰性气体保护熔化极电弧在焊接铁基、镍基金属材料时熔池金属铺展的热力学及动力学条件，改善焊缝成形，同时利用激光对MIG电弧的有效地吸引和压缩作用，提高电弧稳定性，弥补MIG电弧焊接铁基、镍基金属材料时电弧挺度不足的缺点，提高了堆焊及厚板多层多道焊焊缝成形的可靠性与稳定性。
本发明突破了原有仅仅适应于先进的CMT电弧的局限性，将惰性气体保护熔化极电弧的范围由先进的CMT电弧扩展至普通的MIG电弧，解决了一直以来MIG电弧无法用于不锈钢、镍基合金等高性能金属材料焊接的技术难题。
本发明在上述高纯材料的堆焊及厚板的多层多道焊方面具有与TIG填丝焊焊接质量相当的效果，但是其焊接效率是TIG填丝焊的3-5倍，是一种高效、优质的焊接方法。
本发明不仅仅适合于不锈钢、镍基合金的焊接，同样也适用于碳钢、高强钢、镁合金、铝合金、钛合金等金属材料的焊接列。
附图说明：
附图1是本发明的示意图。
图1中1为待焊接工件，2为激光束，3为激光束扫描轨迹，4为MIG焊枪，5为MIG电弧，6为焊缝。
具体实施方式：
实施例1：
一种基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，该方法包括：将沿一定轨迹扫描的激光束与惰性气体保护的MIG电弧复合进行铁基、镍基金属材料的焊接，合理匹配激光功率、扫描频率、激光摆幅可使被焊工件的激光扫描区域接近或达到熔化状态，由此实现对焊道轨迹的提前预热作用，激光束在垂直于焊接方向上可以沿圆形、椭圆形、矩形或锯齿形路径进行扫描，激光扫描功能靠集成在激光焊枪内部由电机驱动的一组或两组反射镜实现，反射镜可以在一定的频率范围内按照上述轨迹和一定的摆幅实现摆动，从而实现激光束在工件表面的扫描，进而实现焊接。
实施例2：
根据实施例1所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，所述的复合方式采用旁轴复合，激光在前，电弧在后，光丝间距为1～10mm，所述的激光束可以沿圆形、椭圆形、矩形或锯齿形路径进行扫描，所述的激光功率≥500 W，所述的激光扫描频率在2～500 HZ，所述的激光束摆幅A在1/3B～B范围内，B为焊缝熔宽。
实施例3：
根据实施例1或2所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，所述的基于光束扫描的铁基或镍基材料激光-MIG复合堆焊过程中焊接电流30～300A，焊接速度0.2～2.0 m/min，所述的输入激光功率需要与焊接速度匹配，所述的激光功率≥500W，与焊接速度匹配后确保堆焊工件表面激光扫描区域接近或达到熔化状态，以达到对堆焊焊道轨迹的预热目的，从而实现熔池金属在预热区域的良好铺展。
实施例4:
根据实施例1或2或3所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，所述的惰性气体为工业氩气或工业氦气，所述的MIG电弧为短路过渡、颗粒过渡、脉冲过渡方式的普通MIG电弧或特殊波形控制的MIG电弧，所用激光器可为：YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO
2
激光器。
实施例5：
根据实施例1或2或3或4所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法,用上述方法在304不锈钢表面进行镍基焊丝堆焊试验，304不锈钢母材厚度12 mm，试板规格350×200 mm，采用的镍基焊丝为直径1.2 mm的Inconel 690，焊接过程采用CMT电弧，焊接电流140A，焊接速度0.5 m/min，所用激光器为碟形激光器，激光功率800 W，扫描轨迹为圆形，圆形轨迹的半径为5 mm，扫描频率50 HZ，保护气体为工业纯氩，保护气体流量20 L/min。试验进行了单层堆焊，堆焊道次20道，堆焊层的尺寸约为300×200 mm，整个堆焊层的焊缝成形良好，着色探伤表明堆焊层表面无缺陷，X射线探伤未发现未熔合、气孔等缺陷。对堆焊层取样进行微观组织分析及稀释率分析，其堆焊层稀释率约为8%。
实施例6：
根据实施例1或2或3所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法,利用上述方法进行304不锈钢厚板的多层多道焊接，304不锈钢母材厚度20 mm，开设U形坡口，坡口根部预留1 mm钝边，坡口角度约为40°，试板规格350×300 mm，采用的焊丝为直径1.2 mm的308L不锈钢焊丝，焊接过程采用脉冲MIG电弧。打底焊主要焊接参数：焊接速度0.5 m/min，焊接电流150 A，激光功率1500W，激光束不扫描；填充焊主要焊接参数：接速度焊接速度0.8 m/min，焊接电流180 A，激光功率2000W，激光沿锯齿形轨迹扫描，摆幅为6.5 mm，扫描频率120 HZ，保护气体为工业纯氩，保护气体流量20 L/min。试验总焊接道次26道，X射线探伤未发现未熔合、气孔等缺陷。对接头力学性能进行了分析测试，并与TIG填丝焊进行了对比，如下表1对于304不锈钢焊接接头力学性能测试结果对比，力学性能测试结果对比表明，二者的综合力学性能相当，但是本发明专利方法的焊接效率为TIG填丝焊方法的5倍左右。
表1 304不锈钢焊接接头力学性能测试结果对比
实施例7：
根据实施例1或2或3所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法,利用上述方法进行6005铝合金试板的平板堆焊，并与传统激光-MIG复合焊缝成形进行了对比。试验6005铝合金母材厚度12 mm，试板规格300×120 mm，采用的焊丝为直径1.2 mm的ER5356铝合金焊丝，焊接过程采用脉冲MIG电弧，分别利用本发明方法和传统的激光-MIG复合焊进行平板上的单道堆焊试验。传统激光-MIG复合焊参数：焊接速度1.5 m/min，焊接电流200 A，激光功率3000 W，激光束不扫描；本发明方法的焊接参数：接速度焊接速度1.5 m/min，焊接电流200 A，激光功率3000W，激光沿圆形轨迹扫描，摆幅为8 mm，扫描频率20 HZ，保护气体为工业纯氩，保护气体流量20 L/min。焊后对比两种方法的焊缝成形发现：利用本发明方法焊接的铝合金焊缝成形非常美观，焊缝铺展性好，焊缝宽度为13 mm；而传统激光-MIG复合焊缝的铺展性略差，其焊缝熔宽约为11 mm。由此可见，本发明专利对于改善铝合金焊缝的铺展性同样有效。
Claims (7)
1.一种基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，其特征是：该方法包括：将沿一定轨迹扫描的激光束与惰性气体保护的MIG电弧复合进行铁基、镍基金属材料的焊接，合理匹配激光功率、扫描频率、激光摆幅可使被焊工件的激光扫描区域接近或达到熔化状态，由此实现对焊道轨迹的提前预热作用，激光束在垂直于焊接方向上可以沿圆形、椭圆形、矩形或锯齿形路径进行扫描，激光扫描功能靠集成在激光焊枪内部由电机驱动的一组或两组反射镜实现，反射镜可以在一定的频率范围内按照上述轨迹和一定的摆幅实现摆动，从而实现激光束在工件表面的扫描，进而实现焊接。
2.根据权利要求1所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，其特征是：所述的复合方式采用旁轴复合，激光在前，电弧在后，光丝间距为1～10mm，所述的激光束可以沿圆形、椭圆形、矩形或锯齿形路径进行扫描，所述的激光功率≥500 W，所述的激光扫描频率在2～500 HZ，所述的激光束摆幅A在1/3B～B范围内，B为焊缝熔宽。
3.根据权利要求1或2所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，其特征是：所述的基于光束扫描的铁基或镍基材料激光MIG复合堆焊过程中焊接电流30～300A，焊接速度0.2～2.0 m/min，所述的输入激光功率需要与焊接速度匹配，所述的激光功率≥500W，与焊接速度匹配后确保堆焊工件表面激光扫描区域接近或达到熔化状态，以达到对堆焊焊道轨迹的预热目的，从而实现熔池金属在预热区域的良好铺展。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法，其特征是：所述的惰性气体为工业氩气或工业氦气，所述的MIG电弧为短路过渡、颗粒过渡、脉冲过渡方式的普通MIG电弧或特殊波形控制的MIG电弧，所述的激光器可为：YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO2激光器。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法, 其特征是：在304不锈钢表面进行镍基焊丝堆焊试验，304不锈钢母材厚度12 mm，试板规格350×200 mm，采用的镍基焊丝为直径1.2 mm的Inconel 690，焊接过程采用CMT电弧，焊接电流140A，焊接速度0.5 m/min，所用激光器为碟形激光器，激光功率800 W，扫描轨迹为圆形，圆形轨迹的半径为5 mm，扫描频率50 HZ，保护气体为工业纯氩，保护气体流量20 L/min；试验进行了单层堆焊，堆焊道次20道，堆焊层的尺寸约为300×200 mm，整个堆焊层的焊缝成形良好，着色探伤表明堆焊层表面无缺陷，X射线探伤未发现未熔合、气孔等缺陷；对堆焊层取样进行微观组织分析及稀释率分析，其堆焊层稀释率约为8%。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法, 其特征是：进行304不锈钢厚板的多层多道焊接，304不锈钢母材厚度20 mm，开设U形坡口，坡口根部预留1 mm钝边，坡口角度约为40°，试板规格350×300 mm，采用的焊丝为直径1.2 mm的308L不锈钢焊丝，焊接过程采用脉冲MIG电弧；打底焊主要焊接参数：焊接速度0.5 m/min，焊接电流150 A，激光功率1500W，激光束不扫描；填充焊主要焊接参数：接速度焊接速度0.8 m/min，焊接电流180 A，激光功率2000W，激光沿锯齿形轨迹扫描，摆幅为6.5 mm，扫描频率120 HZ，保护气体为工业纯氩，保护气体流量20 L/min；试验总焊接道次26道，X射线探伤未发现未熔合、气孔等缺陷；对接头力学性能进行了分析测试，并与TIG填丝焊进行了对比，如下表1对于304不锈钢焊接接头力学性能测试结果对比，力学性能测试结果对比表明，二者的综合力学性能相当，焊接效率为TIG填丝焊方法的5倍；
表1 304不锈钢焊接接头力学性能测试结果对比
7.根据权利要求1或2或3或4所述的基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法, 其特征是：进行6005铝合金试板的平板堆焊，并与传统激光-MIG复合焊缝成形进行了对比；试验6005铝合金母材厚度12 mm，试板规格300×120 mm，采用的焊丝为直径1.2 mm的ER5356铝合金焊丝，焊接过程采用脉冲MIG电弧，焊接参数：接速度焊接速度1.5 m/min，焊接电流200 A，激光功率3000W，激光沿圆形轨迹扫描，摆幅为8 mm，扫描频率20 HZ，保护气体为工业纯氩，保护气体流量20 L/min；焊后对比两种方法的焊缝成形发现：铝合金焊缝成形非常美观，焊缝铺展性好，焊缝宽度为13 mm。
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