CN111266739A - 一种激光-mig电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法 - Google Patents

一种激光-mig电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法 Download PDF

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Abstract

一种激光‑MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法。本发明属于焊接领域。本发明为解决目前针对低镍含氮奥氏体不锈钢的焊接方法，焊接接头中气孔概率较高以及稳定性较差的技术问题。方法：一、将待焊钢板设置成对接接头，并加工出V型坡口；二、设置复合焊接保护气体为氮气与氩气的混合气体；三、同步进行激光和MIG电弧的复合焊接。本发明采用激光‑MIG电弧复合焊工艺对低镍含氮奥氏体不锈钢进行焊接，焊接效率高，成型好，热影响区小，此外，保护气体采用98％Ar+2％N2的激光‑MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢比其他保护气体混合形式优势明显：焊接接头中气孔概率小、焊接熔深大、电弧稳定性好、硬度分布趋势平缓，无淬硬倾向。

Description

一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法
技术领域
本发明属于焊接领域，具体涉及一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法。
背景技术
相关学者研究发现在316L不锈钢TIG焊接过程中，在保护气体氩气中加入一定比例氮气对焊缝组织性能有一定帮助。在双相不锈钢焊接过程中，也通常在氩气中加入一定比例氮气以期提高焊接接头的抗腐蚀性能和双相比例。在奥氏体不锈钢焊接过程中，加入2％含量的氮气可以提高奥氏体相的比例，并由此增加焊接接头的电化学稳定性。
低镍含氮奥氏体不锈钢是一种性能优异、性价比高的新型环境友好型不锈钢材料，它固溶一定含量的氮可以提高强度、韧性及抗晶间腐蚀性能，具有广泛的应用领域与广阔的应用前景。Zhao等人采用氩氮混合气体保护TIG焊工艺对含氮钢焊接接头中氮行为、微观组织和性能进行了系统分析。Bonnefois等人分别采用TIG和A-TIG两种工艺进行高氮钢焊接试验，发现A-TIG焊接时氮易于由保护气体向熔池过渡。强伟等人针对高氮低镍奥氏体不锈钢开展双面同轴TIG自熔焊试验，研究发现随着保护气体中氮气比例的提高，电弧收缩显著，焊接飞溅增加，焊接稳定性也随之变差，为保证焊接接头的综合性能，保护气体中氮气比例应低于20％。
激光-MIG复合焊是一种激光和MIG电弧相互复合的焊接方法，相对于激光焊接或MIG焊，激光-MIG复合焊能够有效提高电弧能量利用率，减小激光功率的损耗，能够显著增加电弧的稳定性。但是，激光的加入以及焊接速度、保护气体等工艺条件的变化，都会使MIG焊的熔滴过渡形式、电弧形态发生明显的变化，简单的将激光及MIG电弧复合在一起而不进行优化控制会严重影响焊接的稳定性及焊接质量均一性，激光与电弧的过程稳定性及耦合机制国内外都有大量的研究，但是缺少统一的认识。由于激光与电弧耦合增加了过程参量的数量，焊接过程的复杂程度增加导致焊接过程机理分析更加困难.杨涛等人针对SUS304L不锈钢激光-MIG(惰性气体保护焊)复合焊接过程激光与MIG(惰性气体保护焊)电弧的过程参数匹配及优化控制问题，系统研究了过程参数对电弧特性及焊缝成形尺寸的影响，结果表明，激光的介入会使复合焊接过程稳定性加强，焊缝形貌的几何尺寸与过程参数的耦合效应有着直接的关系，过程参数的匹配优化能够有效控制焊缝成形尺寸，然而目前，尚未见到将激光-MIG(惰性气体保护焊)电弧复合焊工艺应用于低镍含氮奥氏体不锈钢焊接的报道。
发明内容
本发明为解决目前针对低镍含氮奥氏体不锈钢的焊接方法，焊接接头中气孔概率较高以及稳定性较差的技术问题，而提供了一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法。
本发明的一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法按以下步骤进行：
一、将待焊钢板设置成对接接头，并加工出V型坡口；
二、设置复合焊接保护气体为氮气与氩气的混合气体；
三、同步进行激光和MIG电弧的复合焊接。
进一步限定，步骤一中所述对接接头的间隙为1mm～2mm。
进一步限定，步骤一中所述对接接头的间隙为1.5mm。
进一步限定，步骤一中所述V型坡口角度为50°～70°。
进一步限定，步骤一中所述V型坡口角度为60°。
进一步限定，步骤二中所述混合气体中氮气的体积分数为2％～8％。
进一步限定，步骤三中所述激光焊接的工艺参数：激光功率为2500W～4000W，焊接速度为6.7mm/s～9.1mm/s，离焦量为+20mm，激光入射角为5°～7°。
进一步限定，激光入射角为6°。
进一步限定，步骤三中所述MIG电弧焊接的工艺参数：气流量为20L/min～25L/min，焊接电流为180A～250A，焊接电压为28V～30.4V，焊丝干伸长为15mm～20mm，焊枪角度为35°～45°。
进一步限定，所述焊丝干伸长为18mm，焊枪角度为40°。
本发明与现有技术相比具有的显著效果，具体如下：
1.本发明采用激光-MIG电弧复合焊工艺对低镍含氮奥氏体不锈钢进行焊接，具有焊接效率高，成型好，热影响区小等优点；
2.保护气体采用98％Ar+2％N2的激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢比其他保护气体混合形式优势明显：焊接接头中气孔概率小、焊接熔深大、电弧稳定性好、硬度分布趋势平缓，无淬硬倾向。
附图说明
图1为具体实施方式一中焊接系统示意图；其中1为库卡机器人，2为机器人控制系统，3为高速摄像机，4为采集及控制系统，5为变位系统，6为复合焊枪，7为MAG脉冲焊机，8为保护气体，9为固体激光器，10为激光器电源；
图2为具体实施方式一中焊接接头示意图；
图3为焊缝X射线探伤图，其中a为具体实施方式五，b为具体实施方式一，c为具体实施方式六，d为具体实施方式七；
图4为具体实施方式一的焊缝宏观金相照片；
图5为具体实施方式五的焊缝宏观金相照片；
图6为具体实施方式六的焊缝宏观金相照片；
图7为具体实施方式七的焊缝宏观金相照片；
图8为焊缝平均HV5硬度柱形图；
图9为具体实施方式一的焊接电弧形态照片；
图10为具体实施方式五的焊接电弧形态照片；
图11为具体实施方式六的焊接电弧形态照片；
图12为具体实施方式七的焊接电弧形态照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中的一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法按以下步骤进行：
一、将待焊钢板(300mm×150mm×12mm)设置成对接接头，接头间隙为1.5mm，并加工出V型坡口，坡口角度为60°，钝边厚度为2mm；
二、设置复合焊接保护气体为氮气与氩气的混合气体，所述混合气体中氮气的体积分数为2％；
三、同步进行激光和MIG电弧的复合焊接，所述激光焊接的工艺参数：激光功率为2500W，焊接速度为6.7mm/s，离焦量为+20mm，激光入射角为6°；所述MIG电弧焊接的工艺参数：气流量为20L/min，焊接电流为180A，焊接电压为28V，焊丝干伸长为18mm，焊枪角度为40°。
本实施方式中待焊钢板采用08Cr19MnNi3Cu2N低镍含氮奥氏体不锈钢板，填充焊丝为ER307Si焊丝，直径为1.2mm，待焊钢板及填充焊丝的化学成分如表1所示。
表1待焊钢板和填充焊丝化学成分(wt.％)
Figure BDA0002380590170000031
本实施方式焊接系统如图1所示，包括库卡机器人、奥地利福尼斯TPS4000脉冲焊机、变位系统、德国IPG公司生产的YLS-30000固体激光器、焦距为460mm，输出波长为1.06μm，最小光斑直径为0.66mm，最大输出功率为30kW，采用连续激光输出模式，光丝间距d＝6mm。采用高速摄像机获取电弧形态，采样频率为4000帧/s，采用激光前置的方式。
本实施方式中焊接接头示意图如图2所示。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述激光焊接的工艺参数：激光功率为3000W，焊接速度为8.2mm/s；所述MIG电弧焊接的工艺参数：焊接电流为200A，焊接电压为28.5V。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述激光焊接的工艺参数：激光功率为3500W，焊接速度为8.7mm/s；所述MIG电弧焊接的工艺参数：焊接电流为240A，焊接电压为29.3V。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述激光焊接的工艺参数：激光功率为4000W，焊接速度为9.1m/s；所述MIG电弧焊接的工艺参数：焊接电流为250A，焊接电压为30.4V。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：混合气体中氮气的体积分数为0％。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：混合气体中氮气的体积分数为8％。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：混合气体中氮气的体积分数为15％。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
(一)对具体实施方式一至四的焊接接头进行力学性能检测，结果如表2所示。
表2焊接接头力学性能试验结果
Figure BDA0002380590170000041
(二)对具体实施方式一、五至七的焊缝气孔进行X射线探伤检测，得到如图3所示的焊缝X射线探伤图，其中a为具体实施方式五，b为具体实施方式一，c为具体实施方式六，d为具体实施方式七。气孔是低镍含氮奥氏体不锈钢焊接过程中常见的缺陷之一，从图3可以看出，随着保护气体中氮气含量增加，焊缝气孔数量增多，气孔的体积也随之增大。而在100％Ar和98％Ar+2％N2保护气下，焊缝无气孔。当氮气含量达到8％时，焊缝中存在个别气孔，但仅存在于收弧位置，该位置在焊接过程中不稳定，氮元素在熔池中存在浓度起伏，当局部浓度高于平衡浓度时，过饱和的氮逸处形成气孔。当氮含量达到15％时，氮在焊缝熔池中的溶解度有限，常压下加氮容易引起熔池中固溶氮过饱和，从而致使溶解不了的氮原子结合为气体逸出，由于激光复合电弧焊热输入较大，熔池冷却速度较大，因此氮气来不及逸出而停留在熔池中形成气孔，随着保护气体中氮气含量的增加，来不及逸出的氮气也增加，从而导致气孔数量和体积也随之增加。
(三)对具体实施方式一、五至七的焊缝熔深与熔宽进行宏观金相检测，得到如图4～7所示的宏观金相照片，从图4～7可以看出，在100％Ar保护下，焊缝熔深为1.556mm，而在其他三组气体下保护下的焊接接头熔深均比其高，因此可见，氮气的加入可以显著增加的焊缝熔深，并且随着氮气比例的增加，焊缝的熔宽逐渐递减，可见，氩气可以减少焊缝熔宽。产生该现象原因是由于氮气为双原子分子，在激光-MIG电弧高温下分解为双原子，在激光-MIG电弧高温下分解为双原子，部分原子失去电子形成Nn+,上述过程均为吸热过程，对电弧有冷却作用。根据最小电压原理，电弧有保持最小能效消耗特性，因此当电弧收到冷却作用时将产生收缩，从而导致电流密度与强度增加，弧压升高，从而引起热输入增加，因此在只改变保护气体混合比例的前提下，氮气比例越高，电弧的熔透能力越强，能量密度越高，弧柱区越狭窄，从而导致焊缝熔深越大，熔宽越窄。
(四)对具体实施方式一、五至七的焊缝硬度进行检测，得到如图8所示的焊缝平均HV5硬度柱形图，从图8可以看出，当氮气比例从0％增加到15％时，焊缝平均硬度有所下降，这是因为随着氮气比例的增加，硬度较高的铁素体含量下降，从而导致焊缝整体硬度下降。
(五)采用高速摄像手段对具体实施方式一、五至七的焊接电弧形态进行检测，得到如图9～12所示的焊接电弧形态照片，从图9～12可以看出，焊接保护气体中加入氮气后，电弧收缩明显，图12显示电弧弧柱宽度随着氮气比例的增加而减小，焊接飞溅也随之增加且体积增大，电弧稳定性变差。而采用纯氩气做保护气体，焊接过程几乎无飞溅，电弧周期性有规律的收缩扩张，氮气加入后，飞溅产生且变随浓烈的烟尘，并且这种现象随着氮气比例的提升而愈发强烈。

Claims (8)

1.一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
一、将待焊钢板设置成对接接头，并加工出V型坡口；
二、设置复合焊接保护气体为氮气与氩气的混合气体；
三、同步进行激光和MIG电弧的复合焊接。
2.根据权利要求1所述的一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法，其特征在于，步骤一中所述对接接头的间隙为1mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法，其特征在于，步骤一中所述V型坡口角度为50°～70°。
4.根据权利要求1所述的一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法，其特征在于，步骤二中所述混合气体中氮气的体积分数为2％～8％。
5.根据权利要求1所述的一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法，其特征在于，步骤三中所述激光焊接的工艺参数：激光功率为2500W～4000W，焊接速度为6.7mm/s～9.1mm/s，离焦量为+20mm，激光入射角为5°～7°。
6.根据权利要求5所述的一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法，其特征在于，激光入射角为6°。
7.根据权利要求1所述的一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法，其特征在于，步骤三中所述MIG电弧焊接的工艺参数：气流量为20L/min～25L/min，焊接电流为180A～250A，焊接电压为28V～30.4V，焊丝干伸长为15mm～20mm，焊枪角度为35°～45°。
8.根据权利要求7所述的一种激光-MIG电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法，其特征在于，所述焊丝干伸长为18mm，焊枪角度为40°。
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