CN103817439B - 可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法。传统激光焊缝的冷却速度较快，易生成淬硬组织，接头残余应力大，焊缝容易开裂，致使激光焊接技术无法直接应用。本发明方法包括：在材料的焊接区域开设窄间隙坡口，坡口可以为矩形、“U形”和“I形”坡口，如果焊缝为非全熔透焊缝,即焊缝熔深小于板厚，则在上述坡口的根部区域加工减应力槽，将特制的可有效调控焊缝金属组织及化学成分的焊片预置到坡口内，用激光点焊的方式将预置的焊片固定，而后用激光焊进行施焊，焊接过程中控制输出的激光能量，确保预置的焊片完全熔化且完全将减应力槽的上边缘熔透。本发明用于可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接。

Description

可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法。
背景技术：
激光焊接技术具有焊接速度高、焊接变形小、焊缝深宽比大等优点在精密零部件的焊接中得到了较为广泛的应用。在激光焊接过程中，激光热源集中，焊接速度快，焊缝金属的冷却速度快，可以有效地减小焊接变形，是激光焊接的主要优点之一。但是，在特殊材料的焊接中，激光焊缝冷却速度快的特点并非是激光焊的优点，反而成为了制约激光焊接技术应用的缺点。特别是在采用激光焊接可焊性差、淬硬性大、结构刚性拘束大、裂纹倾向高的金属材料（包括异种金属材料）时，由于激光焊缝的冷却速度较快，易生成淬硬组织，接头残余应力大，焊缝容易开裂，致使激光焊接技术无法直接用于此类零部件的焊接。为了防止焊后裂纹的产生，通常采取预热和后热处理。但是，预热和后热处理会使焊接工艺变得复杂，同时会降低激光焊接效率，而对于某些淬硬倾向较大的材料，在不填加填充金属的条件下，即使采取预热和后热处理也无法避免裂纹的产生，一般而言，对于这种淬硬倾向较大材料的焊接通常采用激光填丝焊来代替激光焊。通过选择合适的填加金属，激光填丝焊可以较好地改善焊缝金属的组织，防止焊接裂纹的产生，但是激光填丝焊也有一些缺点。由于焊接过程中很大一部分的激光能量用来熔化填充金属，因此激光填丝焊会严重影响激光的穿透能力及焊接速度，特别是在对焊缝熔深要求较大的情况下，为了满足焊缝熔深要求并保障焊缝的熔合性，需开设较大的坡口，这样会进一步降低焊接效率同时还会带来更大的焊接变形。
此外，很多零部件的焊接接头采用“非全熔透焊缝”设计，所谓的“非全熔透焊缝”是指焊缝熔深小于工件厚度（沿熔深方向）的焊缝。对于那些刚性拘束大、材料淬硬性高，且接头服役过程中承受冲击、震动等疲劳载荷的工件，这种“非全熔透焊缝”存在很大的服役安全隐患。以对接接头为例，由于焊缝未能全部熔透，致使焊接接头的结构不够完整，留在焊缝根部的对接间隙在服役疲劳载荷的作用下极有可能成为潜在的疲劳裂纹源，导致工件的失效。再者，如果采用激光焊接，对于这种“非全熔透焊缝”而言，当焊缝熔深较大时，由于在未穿透的焊接模式下，激光匙孔的波动比较剧烈，容易在焊缝中产生气孔缺陷。
发明内容：
本发明的目的是提供一种可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，针对因可焊性差、结构刚性拘束大、裂纹倾向性高原因而不能直接采用激光焊接的特殊金属材料，在材料的焊接区域开设窄间隙坡口，坡口采用矩形、“U形”或“I形”坡口，焊缝为“非全熔透焊缝”，则在上述坡口的根部区域加工减应力槽，减应力槽采用圆形、椭圆形、矩形或方形，将特制的可有效调控焊缝金属组织及化学成分的焊片预置到坡口内，用激光点焊的方式将预置的焊片固定，而后用激光焊进行施焊，焊接过程中控制输出的激光能量，确保预置的焊片完全熔化且完全将减应力槽的上边缘熔透；开设的窄间隙坡口宽度为0.2mm-1.2mm；填充的焊片为矩形，为防止焊后焊缝表面凹陷，焊片的高度在H～H+2.0 mm范围内H为坡口深度；减应力槽沿坡口宽度方向的最大尺寸控制在1.0mm～3.0mm范围内，减应力槽上边缘与坡口根部的距离在0.1mm～2mm范围内；为防止焊片焊接过程中受热翘曲，焊接前采用激光点焊方式将预置焊片固定，相邻定位焊点的间隔距离为10mm～30mm；焊接过程中，控制输出激光功率，确保焊漏槽上边缘熔透，且漏入焊漏槽的金属量占整个焊漏槽横截面积的1/4～2/3，通过在坡口根部设计减应力槽，将“非全熔透焊缝”变为全熔透焊缝，提高接头的结构完整性，改善焊缝根部的受力情况，降低焊缝根部开裂的风险，将“非全熔透焊缝”变为全熔透焊缝，可以改善激光焊接过程中匙孔的稳定性，降低焊缝气孔率。
一种可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，使用的激光器可为Nd：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。
所述的可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，进行上述异种金属筒体类零部件焊接时所用的焊材为自行研制开发的特殊不锈钢焊片，焊片横截面尺寸：厚度×高度为0.5mm×4.2mm，工件开设矩型窄间隙坡口，坡口尺寸：宽度×深度为0.6mm×3.3mm，焊漏槽为圆形，直径为Φ1.2mm，焊漏槽上边缘与坡口根部的间距为0.5mm ；将焊片预置到工件坡口内，采用激光点焊的方式将焊片固定，而后完成整条环焊缝的焊接；激光点焊的激光功率为1200W，焊接所用功率为3200W ；所用的激光器为Trudisk6002 碟形激光器，最大额定功率6kW，输出激光波长为1.03μm ；焊后对焊缝进行X 射线探伤检验，并对焊缝的成型及接头的强度进行检测分析，X 射线探伤结果表明，各焊缝均未发现裂纹、未熔合缺陷，对这两种金属材料直接用激光焊进行焊接，焊后出现了贯穿整个焊缝的冷裂纹；焊缝成型分析表明，焊缝已将焊漏槽熔透，焊缝的形状与激光焊缝的形态相似；组织分析表明，获得的焊缝金属组织为“奥氏体+ 少量的铁素体组织”，焊缝具有较好的韧性和抗裂性；拉伸试验结果表明，接头的抗拉强度均大于760Mpa，试样的破坏位置发生在38CrMoAlA 母料一侧，表明接头具有较高的强度。
有益效果：
1. 本发明通过预置焊材可以有效地对焊缝金属成分及组织进行调控，可实现可焊性差、淬硬性大、结构刚性拘束大、裂纹倾向高的金属材料及异种金属材料的激光焊接，与背景中提到的激光填丝焊相比，焊接热输入更低、焊接变形更小、焊接过程可靠稳定性更好，更适合于精密部件的焊接。
本发明通过在坡口根部设计减应力槽，可将“非全熔透焊缝”变为全熔透焊缝，提高接头的结构完整性，改善焊缝根部的受力情况，降低焊缝根部开裂的风险。将“非全熔透焊缝”变为全熔透焊缝，可以改善激光焊接过程中匙孔的稳定性，降低焊缝气孔率。
附图说明：
附图1是本发明焊接方法示意图。
附图 2 是本发明焊后焊缝横截面示意图。
附图中 1 焊接工件， 2 焊接减应力槽， 3 窄间隙坡口， 4 预置的焊片， 5焊片，6 激光束， 7 焊缝。
具体实施方式：
实施例 1 ：
一种可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，其该方法包括：在材料的焊接区域开设窄间隙坡口，坡口可以为矩形、“U 形”和“I 形”坡口，如果焊缝为“非全熔透焊缝”即焊缝熔深小于板厚，则在上述坡口的根部区域加工减应力槽，减应力槽可以为圆形、椭圆形、矩形和方形，将特制的可有效调控焊缝金属组织及化学成分的焊片预置到坡口内，用激光点焊的方式将预置的焊片固定，而后用激光焊进行施焊，焊接过程中控制输出的激光能量，确保预置的焊片完全熔化且完全将减应力槽的上边缘熔透。
实施例 2 ：
根据实施例 1 所述的可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，所述的开设的窄间隙坡口宽度为0.2mm-1.2mm，所述的填充的焊片为矩形，为防止焊后焊缝表面凹陷，所述的焊片的高度在 H ～ H+2.0mm 范围内（H 为坡口深度），所述的减应力槽不宜过大，所述的减应力槽沿坡口宽度方向的最大尺寸控制在1.0mm～3.0mm范围内，所述的减应力槽上边缘与坡口根部的距离在 a0.1mm ～ 2mm 范围内。
实施例 3 ：
根据实施例 1 或 2 所述的可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，为防止焊片焊接过程中受热翘曲，焊接前采用激光点焊方式将预置焊片固定，相邻定位焊点的间隔距离为10mm～30mm，焊接过程中，控制输出激光功率，确保焊漏槽上边缘熔透，且漏入焊漏槽的金属量约占整个焊漏槽横截面积的 1/4 ～ 1/2，最大不宜超过 2/3。
实施例 4 ：
根据实施例 1 或 2 所述的可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，所述的激光器可为 Nd ： 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。
实施例 5 ：
根据实施例 1 或 2 所述的可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，利用上述预置焊材激光焊接方法进行了 38CrMoAlA 与 1Cr17Ni2 异种金属筒体类部件的焊接，焊接区域为筒体两端的两条环焊缝。38CrMoAlA和1Cr17Ni2均属于淬硬倾向较高的金属材料，材料本身具有较高的焊接冷裂倾向，激光自熔焊缝的组织为硬而脆的高碳马氏体组织，得到的高碳马氏组织具有极高的冷裂倾向，加之工件结构的刚性拘束大，且异种金属材料焊接接头在材料化学成分、组织及残余应力分布等方面具有较大的不均匀性，因此直接采用激光自熔焊获得的焊缝在焊后出现了严重的焊接冷裂纹，及时通过焊前预热、焊后保温的方式也无法有效抑制。
实施例 6 ：
根据实施例 1 或 2 所述的可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，利用本发明进行上述异种金属筒体类零部件焊接时所用的焊材为自行研制开发的特殊不锈钢焊片，焊片横截面尺寸（厚度×高度）为 0.5mm×4.2mm，工件开设矩型窄间隙坡口，坡口尺寸（宽度×深度）为0.6mm×3.3mm，焊漏槽为圆形，直径为Φ1.2mm，焊漏槽上边缘与坡
口根部的间距为0.5mm。将焊片预置到工件坡口内，采用激光点焊的方式将焊片固定，而后完成整条环焊缝的焊接。激光点焊的激光功率为1200W，焊接所用功率为3200W。所用的激光器为 Trudisk6002 碟形激光器，最大额定功率 6kW，输出激光波长为 1.03μm。
焊后对焊缝进行 X 射线探伤检验，并对焊缝的成型及接头的强度进行检测分析，X射线探伤结果表明，各焊缝均未发现裂纹、未熔合缺陷（对这两种金属材料直接用激光焊进行焊接，焊后出现了贯穿整个焊缝的冷裂纹）；焊缝成型分析表明，焊缝已将焊漏槽熔透，焊缝的形状与激光焊缝的形态相似；组织分析表明，获得的焊缝金属组织为“奥氏体 + 少量的铁素体组织”，焊缝具有较好的韧性和抗裂性；拉伸试验结果表明，接头的抗拉强度均大于760Mpa，试样的破坏位置发生在 38CrMoAlA 母料一侧，表明接头具有较高的强度。

Claims (2)

1.一种可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，其特征是：针对因可焊性差、结构刚性拘束大、裂纹倾向性高原因而不能直接采用激光焊接的特殊金属材料，在材料的焊接区域开设窄间隙坡口，坡口采用矩形、“U形”或“I形”坡口，焊缝为“非全熔透焊缝”，则在上述坡口的根部区域加工减应力槽，减应力槽采用圆形、椭圆形、矩形或方形，将特制的可有效调控焊缝金属组织及化学成分的焊片预置到坡口内，用激光点焊的方式将预置的焊片固定，而后用激光焊进行施焊，焊接过程中控制输出的激光能量，确保预置的焊片完全熔化且完全将减应力槽的上边缘熔透；开设的窄间隙坡口宽度为0.2mm-1.2mm；填充的焊片为矩形，为防止焊后焊缝表面凹陷，焊片的高度在H～H+2.0 mm范围内，H为坡口深度；减应力槽沿坡口宽度方向的最大尺寸控制在1.0mm～3.0mm范围内，减应力槽上边缘与坡口根部的距离在0.1mm～2mm范围内；为防止焊片焊接过程中受热翘曲，焊接前采用激光点焊方式将预置焊片固定，相邻定位焊点的间隔距离为10mm～30mm；焊接过程中，控制输出激光功率，确保焊漏槽上边缘熔透，且漏入焊漏槽的金属量占整个焊漏槽横截面积的1/4～2/3，通过在坡口根部设计减应力槽，将“非全熔透焊缝”变为全熔透焊缝，提高接头的结构完整性，改善焊缝根部的受力情况，降低焊缝根部开裂的风险，将“非全熔透焊缝”变为全熔透焊缝，可以改善激光焊接过程中匙孔的稳定性，降低焊缝气孔率。
2.根据权利要求1所述的一种可显著改善接头组织及应力状态的预制焊材激光焊接方法，其特征是：使用的激光器可为Nd：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。
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