CN106077951A - 控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区裂纹形成的方法 - Google Patents

控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区裂纹形成的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种控制镍基合金激光多层填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，主要适用于3～12mm厚镍基合金激光填丝焊及镍基合金填丝补焊的焊接过程。本发明主要原理是改变接头应力分布，减少重合处热影响区的高温停留时间，从而降低裂纹形成率。本发明的焊接方法主要包括以下步骤：(1)确定合适激光焊接离焦量，使得焊缝横截面熔合线呈圆弧形或椭圆弧形；(2)第一道焊缝完成后，第二道焊接时，使得第一道焊接产生的热影响区处于第二道焊接时的焊缝区，后面焊缝以此类推。在相同条件下采用本发明的焊接方法比普通激光填丝补焊或激光填丝厚板焊获得裂纹率较低。

Description

控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区裂纹形成的方法
技术领域
本发明属于镍基合金多层激光填丝焊技术领域，主要涉及小于12mm厚镍基合金板材对接焊的连接方法，特别涉及对于镍基合金铸造缺陷所采用的激光填丝补焊方法。
背景技术
高温镍基合金因其在高温环境中具有较好的机械性能、良好的高温抗氧化、耐腐蚀、热稳定性能好等特点，广泛应用于汽轮机、发动机、涡轮盘、叶片等重要大型构件。这些大型构件在铸造过程中或高温服役环境中会产生一定程度的缺陷及损伤，因此要及时对其进行修复甚至更换，但当损坏区域较小时，更换整个零部件不仅会增加成本，同时也会增加耗时降低生产效率。近年来采用补焊方法被广泛应用在重要零部件的制造以及修复中，极大降低了重新再制造的成本问题。
对于由较大裂纹或空洞引起的大尺寸修复，常采用手工氩弧焊技术，低热输入多层填丝焊方法进行逐步修复，生产效率较低。激光因其柔性可控，快速高效等在激光补焊及焊接镍基合金中获得应用。但采用直接激光填丝焊容易在热影响区出现裂纹等缺陷。
发明内容
本发明提供一种控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区裂纹形成的方法，采用多层激光填丝焊方法合理控制焊缝成形及热输入，适用于镍基合金零部件的连接以及修复。
本发明是为了解决镍基合金激光填丝补焊或对接焊中热影响区易出现裂纹的问题，通过控制焊缝热输入，以避免热影响区二次受热，减少热影响区的高温停留时间，同时通过控制激光离焦量控制焊缝成形为圆弧形或椭圆形，避免容易导致应力集中的“钉字型”焊缝成形，改变了接头应力分布，从而降低热影响区液化裂纹形成率，提供一种控制镍基合金激光填丝补焊及对接焊热影响区液化裂纹形成的有效方法。
本发明的技术方案如下：
一种控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，适用于3～12mm厚镍基合金激光填丝焊及镍基合金填丝补焊的焊接过程，焊接前把对接焊或补焊区域坡口加工成V型或Y型，采用激光离焦量在+10mm到+20mm范围内，控制焊缝横截面熔合线呈圆弧形或椭圆弧形，并在3J/mm到5J/mm范围内的热输入情况下，使得前一道焊道的热影响区处于后一道焊缝的焊缝区域内，以此类推，完成激光多层填丝焊。
优选地，上述的控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，主要通过以下步骤实现：
(1)把待焊接部位加工成V形或Y型坡口，加工V型或Y型，坡口的角度小于67°，V型或Y型坡口的深度小于12mm；
(2)进行激光填丝焊，所述激光填丝焊包括多层焊接，其中：
(a)第一层焊接时，调整离焦量为+10mm到+20mm范围内，激光热输入为3J/mm到5J/mm范围内，使得熔深控制在4mm以内，优选为3～4mm，熔宽大于5mm，焊缝横截面宽度大于坡口宽度，焊缝横截面熔合线呈椭圆弧状；
(b)第二层焊接时，采用单层双道焊方法进行填丝焊；其中，第一道焊缝焊接时保证所述第一层焊缝一侧的热影响区处于该第一道焊缝内部，并使第一层焊缝一侧的热影响区位于距离所述第一道焊缝的熔合线1～2mm处；第二道焊缝焊接时也保证第一层焊缝的另一侧的热影响区位于距离该第二道焊缝的熔合线为1～2mm处；
(c)第三层焊接时，采用单层三道焊方法进行焊接，保证所述第二层焊缝焊接时的热影响区均处于第三层焊缝的三道焊缝的焊缝区域内，并使第二层焊缝焊接时的热影响区尽可能少处在第三层焊缝的热影响区内，完成第三层的焊接；
(d)待上述三层焊接完成后，如果存在坡口未填满，则进行第四层焊接，方法按照上面的(b)、(c)步骤类推，否则完成施焊。
以上优选，单道焊缝的上表面宽度在3～6mm之间。
优选地，本发明的方法依靠激光引导光斑，调整激光光斑位置，进行焊缝对中，以合理控制前一道焊缝的热影响区处于后一道焊缝的内部位置。
优选地，在最后一层焊完时，采用小功率单激光焊，在最后一层焊缝的热影响区两侧进行表面修饰，以改善表面成形，同时可以消除最后一道焊缝热影响区的液化裂纹。
所述方法适用于缺陷最大宽度小于3mm，缺陷最大深度小于10mm的多层激光填丝补焊。
此外，所述方法也适用于板厚小于12mm厚的多层激光填丝对接焊。
本发明的技术原理是：依靠焊缝区域金属在冷却过程中溶质元素在焊缝中心区域偏析较大，而在距焊缝熔合线较近区域溶质元素偏析较少，使得前一道焊缝的热影响区处于后一道焊缝内部，且前一道焊缝的热影响区位于距离后一道焊缝的熔合线1～2mm的区域内，从而使得前一道焊缝的热影响区受后一道焊接的热量热影响后，Laves共晶体及少量液化裂纹重新在焊缝中溶解，裂纹消失，此时Laves相中富集的Nb及Mo等元素向焊缝凝固中心偏析；同时，每道焊缝横截面形貌通过调整离焦量使其呈椭圆形而非钉字型，通过调整热输入改变热影响区应力分布，避免了应力集中。
本发明还主要有以下优点：
第一，整个填丝焊缝横截面呈V型，在焊缝承受拉伸或压缩时，熔合线与受力方向夹角小于90°，垂直熔合线方向分力减小，增大接头抗拉载荷；
第二，本发明除了适用多层激光填丝焊，还可适用单层激光填丝焊，用于薄壁件铸造带来的疏松、缩孔等小缺陷的修复。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明实施例中带有V型缺口的工件采用三层激光填丝焊的方法工艺示意图，图中黑点表示对应焊道焊接时激光光斑位置；
图2为本发明实施例焊后试样焊缝的横截面形貌照片。
具体实施方式
本发明公开了一种控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，主要适用于焊接板厚度在3～12mm之间的激光填丝对接焊或激光填丝补焊。
本发明主要原理是：通过控制焊缝热输入，避免热影响区二次受热，进而减少热影响区高温停留时间，及控制焊缝成形为圆弧形或椭圆形以改变接头应力分布状态，从而控制热影响区液化裂纹。
本发明的焊接方法主要步骤为：将对接焊或补焊区域加工为V型坡口，V型坡口最大角度小于67°，调节激光焦点为+10mm到+20mm范围内，以控制激光焊缝横截面熔合线形貌为椭圆形，随后采用多层多道填丝焊方法，使得前一道焊缝的热影响区处于后一道焊缝的焊缝区域，保证每一层焊缝的热影响区不出现重复受热现象。
下方结合具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例
一种控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，焊接示意图请参见图1所示，焊后试样横截面形貌照片如图2所示。
本实施案例为对接焊，其中待焊板材为718镍基合金，施焊板厚度为10mm。采用CO2激光填丝焊方法，填充材料与718合金成分一致，保护气体为纯He，气流量为30L/min，激光输出功率为6kW，焊接速度为1.5m/min，送丝速度为3m/min，离焦量为+20mm，热输入为4J/mm。
焊接过程包括以下步骤：
第一步，根据对接距离及对接板的尺寸，加工成图1所示的坡口试样，加工V形坡口的角度小于67°，V型坡口的深度为6mm；；将加工好的试样用砂纸进行打磨，除去表面油污，然后烘干24h后，待焊；
第二步，将焊板用夹具固定后，选用激光离焦量为+20mm，热输入为4J/mm，焊接速度为1.5m/min，送丝速度为3m/min，激光功率为6kW完成第一层焊接，使得熔深控制在4mm以内，熔宽大于5mm，单道焊缝的上表面宽度在3～6mm之间，焊缝横截面熔合线呈椭圆弧状；
第三步，第二层焊接时，采用单层双道焊方法进行填丝焊；将激光光斑中心分别对准焊缝表面宽度两侧的1/4处，分别进行焊接，如图2中第二层焊缝中的黑点所示的即为第二层的两道焊缝激光光斑中心位置，焊接时工艺参数与第二步相同，使第一层焊缝一侧的热影响区位于距离所述第二层焊接的第一道焊缝的熔合线1～2mm处；第二层的第二道焊缝焊接时也保证第一层焊缝的另一侧的热影响区位于距离该第二道焊缝的熔合线为1～2mm处，完成第二层焊接；
第三步，第三层焊接时，采用单层三道焊方法进行焊接；根据第二层的最后一道焊缝的宽度，在其距熔合线1/4焊缝宽度距离处进行第三层的第一道焊接；随后在第二层两道焊缝的中心位置进行第三层的第二道焊接；第三层的第三道焊接时激光光斑中心与第三层的第一道焊接时光斑中心偏离另一侧熔合线距离一致，具体激光光斑焊接位置如图1中第三层三个黑点所示；
第四步，对整个焊缝横截面进行金相观察，并进行拍照，没有发现有明显裂纹存在。
上述实施例关于搭接板的厚度、材质、尺寸及缺口加工尺寸、焊接位置确定、焊接方法的选择、焊接具体工艺参数的选择仅为举例说明，上述实施例并不应理解为对本发明的限定，其他任何不违背本发明的精神实质与原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，适用于3～12mm厚镍基合金激光填丝焊及镍基合金填丝补焊的焊接过程，其特征在于，焊接前把对接焊或补焊区域坡口加工成V型或Y型，采用激光离焦量在+10mm到+20mm范围内，控制焊缝横截面熔合线呈圆弧形或椭圆弧形，并在3J/mm到5J/mm范围内的热输入情况下，使得前一道焊道的热影响区处于后一道焊缝的焊缝区域内，以此类推，完成激光多层填丝焊。
2.根据权利要求1所述的控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，其特征在于，所述V型或Y型坡口的角度小于67°，深度小于12mm。
3.根据权利要求1所述的控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
(1)第一层焊接时，采用单层单道焊方法，激光离焦量在+10mm到+20mm范围内，热输入为3J/mm到5J/mm进行焊接，保证第一道焊接深度在4mm以内，熔宽大于5mm，焊缝横截面宽度大于坡口宽度，焊缝熔合线呈圆形或椭圆形，完成第一层焊接；
(2)在第二层焊接时，采用单层双道焊方法，热输入及离焦量均与第一层相同，使第一层焊缝两侧的热影响区分别处于第二层的两道焊缝的焊缝区域内；
(3)在第三层焊接时，采用单层三道焊方法，使得第二层焊缝两侧的热影响区均处于第三层焊缝的三道焊缝的焊缝区域内，并避免第三层焊缝的热影响区与第二层焊缝的热影响区重合；
(4)待上述三层焊接完成后，如果存在坡口未填满，则进行第四层焊接，方法按照上面的(b)、(c)步骤类推，否则完成施焊。
4.根据权利要求3所述的控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，其特征在于，在第二层焊接时，使第一层焊缝一侧的热影响区位于距离所述第二层焊接的第一道焊缝的熔合线1～2mm处；第二层的第二道焊缝焊接时也保证第一层焊缝的另一侧的热影响区位于距离该第二道焊缝的熔合线为1～2mm处。
5.根据权利要求1所述的控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，其特征在于，单道焊缝的上表面宽度在3～6mm之间，任何两道焊缝的热影响区均不重合。
6.根据权利要求1所述的控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，其特征在于，所述方法依靠激光引导光斑，调整激光光斑位置，进行焊缝对中，以合理控制前一道焊缝的热影响区处于后一道焊缝的内部位置。
7.根据权利要求1所述的控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，其特征在于，在最后一层焊完时，采用小功率单激光焊，在最后一层焊缝的热影响区两侧进行表面修饰，以改善表面成形，同时可以消除最后一道焊缝热影响区的液化裂纹。
8.根据权利要求1所述的控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，其特征在于，所述方法适用于缺陷最大宽度小于3mm，缺陷最大深度小于10mm的多层激光填丝补焊。
9.根据权利要求1所述的控制镍基合金多层激光填丝焊热影响区液化裂纹形成的方法，其特征在于，所述方法适用于板厚小于12mm厚的多层激光填丝对接焊。
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