CN110695532A - 一种小功率大光斑激光-mag电弧复合堆焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小功率大光斑激光‑MAG电弧复合堆焊方法，该方法包括如下步骤：(1)利用夹具将激光头与MAG焊枪固定；(2)调节激光束作用于被焊工件上的激光光斑尺寸至设定范围；(3)调节MAG焊枪位置，使得激光光斑入射点和焊丝轴线与被焊工件表面接触点的之间的距离在设定范围且激光光斑入射方向和焊丝轴线之间的夹角也在设定范围；(4)焊接过程中，调节激光功率和送丝速度，改变焊丝端头的熔化状态，使电弧形态由圆柱形向圆锥形变化；调节MAG电弧输出能量，减小熔池在母材厚度方向的熔化深度，增加熔池在母材表面的熔化面积。与现有技术相比，本发明实现小型空心辊类高效、高质量稳定堆焊，堆焊效率高。

Description

一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法
技术领域
本发明涉及一种复合堆焊方法，尤其是涉及一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法。
背景技术
目前连铸辊的表面堆焊主要采用传统的埋弧焊和明弧自保护焊为主。埋弧堆焊熔敷效率高，堆焊成本低，但堆焊小直径连铸辊时，因其热输入大，焊后轴向收缩较大，辊内机械定位尺寸需要重新加工，因此，埋弧堆焊常用于大直径(180mm以上)连铸辊的表面堆焊。明弧自保护堆焊因其设备、工艺简单，操作方便，熔敷效率高，稀释率低，热输入小，逐渐替代埋弧堆焊，近几年已被奥钢联指定为连铸辊堆焊的主要方法，尤其是中小直径(140-180mm)连铸辊的堆焊。
随着连铸设备、技术不断发展，小型空心连铸辊在冶金行业中的应用更加广泛。针对小型空心连铸辊(密排辊直径100-120mm)堆焊时，明弧自保护堆焊的热输入、稀释率、焊缝成形已不适合，堆焊时会对基材造成较大的热影响，导致焊缝组织疏松，枝晶粗大，易使小型空心连铸辊受热变形，难以满足小型空心连铸辊堆焊修复需求。激光堆焊可以精确控制热输入、稀释率低，但因其熔池冷却速度快，容易引起应力不平衡，焊后焊缝和热影响区韧性低易出现裂纹；同时连铸辊的堆焊不但包含表面改性，还包含机械尺寸的恢复，需激光多层堆焊，效率较低，不易进行连铸辊的批量堆焊。因此目前对于小型空心连铸辊的堆焊还没有合适的堆焊方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，该方法包括如下步骤：
(1)利用夹具将激光头与MAG焊枪固定；
(2)调节激光束作用于被焊工件上的激光光斑尺寸至设定范围；
(3)调节MAG焊枪位置，使得激光光斑入射点和焊丝轴线与被焊工件表面接触点的之间的距离在设定范围且激光光斑入射方向和焊丝轴线之间的夹角也在设定范围；
(4)焊接过程中，调节激光功率和送丝速度，改变焊丝端头的熔化状态，使电弧形态发生由MAG堆焊扁圆柱形向激光-MAG电弧复合堆焊圆锥形的变化；利用激光输出功率可精确控制的特性，调节MAG电弧输出能量，在保证熔化焊丝提供熔敷金属的前提下，减小熔池在母材厚度方向的熔化深度，增加熔池在母材表面的熔化面积。
所述的激光光斑尺寸设定范围为2-5mm。
所述的激光光斑入射点和焊丝轴线与被焊工件表面接触点的之间的距离的设定范围为0～6mm。
所述的激光光斑入射方向和焊丝轴线之间的夹角的设定范围为20～40°。
进行复合堆焊时采用熔化极明弧自保护药芯焊丝堆焊或熔化极气保护药芯焊丝堆焊。
所述的焊丝包括C-Cr型药芯焊丝或Ni-Cr型药芯焊丝，根据被焊工件表面堆焊层的焊接性能确定所用焊丝。
当要求被焊工件表面堆焊层硬度高时，采用C-Cr型药芯焊丝，当要求被焊工件表面堆焊层耐腐蚀性高时，采用Ni-Cr型药芯焊丝。
激光功率最优范围为0.5～2kW，送丝速度最优范围为3-7m·min-1。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆过程中，MAG电弧主要用于熔化焊丝提供熔敷金属以及熔化母材表面，小功率大光斑的运用是本发明的堆焊方法实现小型空心辊类高效、高质量稳定堆焊的关键。它的作用，一是作为焊接热源的小功率大光斑与MAG电弧复合，能够稳定MAG电弧，电流变异系数由MAG堆焊的19.98变为激光-MAG焊的15.5，电流变异系数降低了22％；二是改变MAG电弧空间，增大电弧作用面积，增加母材熔化表面积；三是弱化MAG电弧实际输出电流，降低母材厚度方向熔化深度；四是在保证相同堆焊电流堆焊时，激光的加入可以实现更大送丝速度的稳定堆焊，同时获得更小的余高-熔宽比和稀释率，即明显提升了堆焊效率，改善了焊缝成形，从而实现小型空心辊类高效、高质量稳定堆焊。
(2)本发明的小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊实现了小型空心辊类的高效、高质量稳定堆焊。与MAG电弧堆焊相比，其堆焊焊缝的余高-熔宽比降低了14％，稀释率降低了20％，热影响区宽度降低了28％，熔敷速度提高了40％以上。电流变异系数由MAG堆焊的19.98变为激光-MAG焊的15.5，电流变异系数降低了22％，明显增强了堆焊过程的稳定性。复合堆焊焊缝的板条马氏体特征更加明显，热影响区晶更加均匀细小，焊缝横截面硬度更高。
附图说明
图1为本发明小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法实现过程状态示意图。
图中，1为焊丝，2为MAG电弧，3为表面堆焊层，4为母材熔化层，5为母材，6为激光束，7为激光光斑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，该方法包括如下步骤：
(1)利用夹具将激光头与MAG焊枪固定。
(2)调节激光束6作用于被焊工件上的激光光斑7尺寸至设定范围，激光光斑7尺寸设定范围为2-5mm。
(3)调节MAG焊枪位置，使得激光光斑7入射点和焊丝1轴线与被焊工件表面接触点的之间的距离在设定范围且激光光斑7入射方向和焊丝1轴线之间的夹角也在设定范围，激光光斑7入射点和焊丝1轴线与被焊工件表面接触点的之间的距离单的设定范围为0～6mm。激光光斑7入射方向和焊丝1轴线之间的夹角的设定范围为20～40°。
(4)焊接过程中，调节激光功率和送丝速度，改变焊丝1端头的熔化状态，使电弧形态发生由MAG堆焊扁圆柱形向激光-MAG电弧2复合堆焊圆锥形的变化，降低MAG电弧2作用点漂移率，减小熔滴过渡直径，增大熔滴过渡频率，稳定熔滴落点，熔滴过渡轨迹形成沿轴过渡。同时，在焊接过程中，利用激光输出功率可精确控制的特性，调节MAG电弧2输出能量，在保证熔化焊丝1提供熔敷金属的前提下，减小熔池在母材5厚度方向的熔化深度，增加熔池在母材5表面的熔化面积。
进行复合堆焊时采用熔化极明弧自保护药芯焊丝1堆焊或熔化极气保护药芯焊丝1堆焊，选用熔化极明弧自保护药芯焊丝1进行复合堆焊时，不需要任何外加保护气。焊丝1包括C-Cr型药芯焊丝1或Ni-Cr型药芯焊丝1，根据被焊工件表面堆焊层3的焊接性能确定所用焊丝1。当要求被焊工件表面堆焊层3硬度高时，采用C-Cr型药芯焊丝1，当要求被焊工件表面堆焊层3耐腐蚀性高时，采用Ni-Cr型药芯焊丝1。对于要求堆焊工艺同时具有效率高、稀释率低、表面成形良好和焊后变形小特点的零件(小型空心辊类和大型轴承类的表面修复)，可利用本发明的小功率大光斑激光-MAG电弧2复合堆焊的技术实现高效、高质量稳定堆焊。
在本发明的小功率大光斑激光-MAG电弧2复合堆焊技术中，在进行表面堆焊过程中，MAG电弧2输出能量受控于激光输出功率，利用激光输出功率可精确控制的特性，调节MAG电弧2输出能量，在保证熔化焊丝1提供熔敷金属的前提下，减小熔池在母材5厚度方向的熔化深度；激光的大光斑对母材5具有预热和提高润湿性的作用，同时能够稳定MAG电弧2，改变MAG电弧2空间，增大MAG电弧2作用面积，进而获得表面成形良好、稀释率低、质量稳定的表面堆焊层3。
堆焊过程中焊接优化参数如表1所示：
表1堆焊过程中焊接优化参数
Figure BDA0002265334760000041
对于要求堆焊工艺同时具有效率高、稀释率低、表面成形良好和焊后变形小特点的零件(小型空心辊类和大型轴承类的表面修复)，可利用本发明的小功率大光斑激光-MAG电弧2复合堆焊的技术实现高效、高质量稳定堆焊。
在本发明的小功率大光斑激光-MAG电弧2复合堆焊技术中，在进行表面堆焊过程中，MAG电弧2输出能量受控于激光输出功率，利用激光输出功率可精确控制的特性，调节MAG电弧2输出能量，在保证熔化焊丝1提供熔敷金属的前提下，减小熔池在母材5厚度方向的熔化深度；激光的大光斑对母材5具有预热和提高润湿性的作用，同时能够稳定MAG电弧2，改变MAG电弧2空间，增大MAG电弧2作用面积，进而获得表面成形良好、稀释率低、质量稳定的表面堆焊层3。
本实施例中实验所用的激光器为额定功率为6kW的光纤激光器，输出波长为1.07μm的连续波激光，聚焦透镜焦距为300mm，焦点直径为0.6mm，通过正离焦(激光束交点在被焊工件上表面)获得大光斑；弧焊电源型号为NB-500IGBT，采用直流反接，等速送丝。实验所用焊丝1为英国WA的CHROMECORE 414N-O，焊丝1直径为1.6mm，试板选用Q235钢板，试板尺寸为300mm×150mm×20mm。
堆焊工艺参数如下：
激光功率P＝2kW，光斑直径d＝2.5mm，光-丝间距DLA＝+1mm，激光前置，电弧电压U＝26V，送丝速度Vs＝3.6m/min，堆焊速度ν＝0.6m/min，焊丝1伸出长度30mm，光-丝夹角为38°。
本实施例中焊丝1选择自保药芯焊丝1，调节焊丝1伸出长度(干伸长)为20～30mm；调节激光束焦点处于被焊工件表面的上方(正离焦)，激光光斑7在工件表面的投影椭圆短轴尺寸为2～5mm；调节激光光斑7投影到工件表面中心与焊丝1轴线与工件表面焦点的距离为0～6mm；调节激光入射方向与焊丝1轴线的夹角为20～40°。
在小功率大光斑激光-MAG电弧2复合堆焊过程中，激光对MAG电弧2具有明显的稳定作用，对MAG电弧2功率具有显著弱化作用。
在上述小功率大光斑激光-MAG电弧2复合堆焊过程中，MAG电弧2无法实现表面堆焊层3的高效、高质量填充与获得较薄的母材5熔化层4共存。要完成上述良好的表面堆焊层3，必须借助复合热源中的小功率大光斑激光。
通过激光功率的精确调节和调节实现的大光斑，以及光-丝间距D和光-丝夹角θ的调节，实现复合热源对母材5热输入的精确控制，且可实现熔化焊丝1和熔化母材5之间的能量配比调节。保证在进行表面堆焊层3高效填充的同时，母材5熔化层4较薄。
大多数焊接工作者主要在焊接连接领域研究激光-电弧复合技术。激光-电弧复合技术的应用研究主要是针对高速薄板焊接、中厚钢板焊接、高强钢、超高强度钢、钛合金、不锈钢和铜铝合金等高反射材料的焊接等。
激光-电弧复合技术在连接领域激光通常采用小光斑负离焦模式，其目的增大熔深与熔宽比值、提高焊接效率、减小焊接变形，改善焊缝成形，与其复合焊丝1都为实芯焊丝1。
本发明的把激光-电弧复合技术应用在堆焊领域，与连接领域恰恰相反，激光采用大光斑正离焦模式，其目的是减小熔深与熔宽比值，获得较小的熔合比；同时选用药芯焊丝1与激光复合，显著提升了焊接效率。本发明的堆焊方法是把激光-电弧复合技术从常规应用领域(焊接连接领域)扩展到堆焊领域，针对堆焊技术要求特点，选用药芯焊丝1，并通过对激光功率、激光光斑7、光-丝间距、光-丝夹角以及送丝速度的调节，实现小型空心辊类和大型轴承、齿轮类工件的表面堆焊与修复。因其具有操作简单、易于自动化焊接、熔敷速度高、焊缝的深宽比值小、表面成形好、焊接变形小、焊接过程稳定、重复再现性好的优点，为小型空心辊类和大型轴承、齿轮类工件的表面堆焊与修复提供了一个新的技术手段，对表面堆焊发展有重要意义。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (8)

1.一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)利用夹具将激光头与MAG焊枪固定；
(2)调节激光束作用于被焊工件上的激光光斑尺寸至设定范围；
(3)调节MAG焊枪位置，使得激光光斑入射点和焊丝轴线与被焊工件表面接触点的之间的距离在设定范围且激光光斑入射方向和焊丝轴线之间的夹角也在设定范围；
(4)焊接过程中，调节激光功率和送丝速度，改变焊丝端头的熔化状态，使电弧形态发生由MAG堆焊扁圆柱形向激光-MAG电弧复合堆焊圆锥形的变化；利用激光输出功率可精确控制的特性，调节MAG电弧输出能量，在保证熔化焊丝提供熔敷金属的前提下，减小熔池在母材厚度方向的熔化深度，增加熔池在母材表面的熔化面积。
2.根据权利要求1所述的一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，其特征在于，所述的激光光斑尺寸设定范围为2-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，其特征在于，所述的激光光斑入射点和焊丝轴线与被焊工件表面接触点的之间的距离的设定范围为0～6mm。
4.根据权利要求1所述的一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，其特征在于，所述的激光光斑入射方向和焊丝轴线之间的夹角的设定范围为20～40°。
5.根据权利要求1所述的一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，其特征在于，进行复合堆焊时采用熔化极明弧自保护药芯焊丝堆焊或熔化极气保护药芯焊丝堆焊。
6.根据权利要求1所述的一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，其特征在于，所述的焊丝包括C-Cr型药芯焊丝或Ni-Cr型药芯焊丝，根据被焊工件表面堆焊层的焊接性能确定所用焊丝。
7.根据权利要求6所述的一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，其特征在于，当要求被焊工件表面堆焊层硬度高时，采用C-Cr型药芯焊丝，当要求被焊工件表面堆焊层耐腐蚀性高时，采用Ni-Cr型药芯焊丝。
8.根据权利要求1所述的一种小功率大光斑激光-MAG电弧复合堆焊方法，其特征在于，激光功率最优范围为0.5～2kW，送丝速度最优范围为3-7m·min-1。
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