CN111360408B - 一种H04MnNi2Ti钢三明治结构激光GMAW复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种H04MnNi2Ti钢三明治结构的激光‑GMAW复合焊接方法，包括以下步骤：（1）在焊接工装上将芯板装夹定位，将一侧的盖板与芯板垂直定位并压紧，采用激光深熔点焊将其与芯板连接，松开夹具；（2）翻转工件，将另一侧的盖板与芯板垂直定位并压紧，再采用激光深熔点焊将其与芯板连接，松开夹具；（3）在两侧盖板与芯板对接的待焊位置进行激光‑GMAW复合焊接，遵循着从中间往两侧焊接、先焊上盖板面后焊下盖板面的原则进行焊接。本发明满足了激光焊接对叠焊间隙小且均匀的要求，保证了焊接质量，减少了定位和翻转时间，提高生产效率；经实际验证的焊接顺序能有效控制焊接变形。
Description
技术领域
本发明属于激光复合焊接领域，尤其是涉及一种H04MnNi2Ti钢三明治结构激光GMAW复合焊接方法。
背景技术
近年来，由于人们对环保越来越重视以及国家对低碳节能的要求的大大提高，高强钢在工业中的应用也越来越广泛。因此，高强钢焊接可靠性以及综合力学性能等也逐渐的成为在焊接领域的热点研究问题。H04MnNi2Ti合金钢作为一种常用的低合金高强钢，具有良好的强度、方向性和低温冲击韧性，特别适用于船体建造。
现有技术中H04MnNi2Ti合金钢通常采用手工电弧焊、埋弧焊和非熔化极气体保护焊等方法，但由于热输入大，这些方法易导致接头出现软化现象而导致接头强度低。激光焊接是一种高能量密度的激光束的热作用方法，瞬间将工件待焊部位加热熔化，激光束在匙孔壁上经过多重反射，实现焊接熔深更大，但易产生合金元素烧损和焊接变形等缺陷。
激光复合焊接作为一种高效的焊接技术，在弥补单一热源不足的同时又充分发挥了各自热源的优势，改善焊缝成形，降低焊件装配精度，电弧对焊接试板的预热作用提高激光的吸收率和能量利用率，减少或消除焊接气孔和裂纹缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种H04MnNi2Ti钢三明治结构的激光-GMAW（熔化极气体保护焊）复合焊接方法，以克服现有技术中存在的焊接变形和焊缝质量差等问题，实现H04MnNi2Ti钢的高质量、高效率焊接，优化焊接顺序，减小焊接变形。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种H04MnNi2Ti钢三明治结构的激光GMAW复合焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在焊接工装上将芯板装夹定位，将一侧的盖板与所述芯板垂直定位并压紧，采用激光深熔点焊将其与所述芯板连接，松开夹具；
（2）翻转工件，将另一侧的盖板与所述芯板垂直定位并压紧，再采用激光深熔点焊将其与所述芯板连接，松开夹具；
（3）在两侧所述盖板与所述芯板对接的待焊位置进行激光-GMAW复合焊接，遵循着从中间往两侧焊接、先焊上盖板面后焊下盖板面的原则进行焊接；
所述H04MnNi2Ti钢三明治结构是由两块相互平行的所述盖板，以及置于所述盖板之间且分别垂直于所述盖板的若干块所述芯板组成，所述盖板和所述芯板的材质均为所述H04MnNi2Ti钢；
所述盖板的厚度为1～3.5mm，所述芯板厚度为2～5mm；
在所述步骤（3）中，所述激光-GMAW复合焊接的参数为：激光参数：激光的输出功率0～5kW，离焦量-20～20mm；GMAW焊接参数：电弧电压10～30V，电流0～300A，焊枪与母材夹角为45°～60°，在焊接时，通过喷嘴向焊缝接入保护气体，焊接过程中的保护气为氩气，对焊缝进行保护，保护气流量为15～25L/min；激光-GMAW复合参数：光丝间距2～6mm，焊接速度为1～3m/min；
焊接填充材料为母材同牌号或更高规格的焊丝材料；所述焊丝材料的直径为0.8～1.2mm。
进一步地，一种H04MnNi2Ti钢三明治结构的激光GMAW复合焊接方法，在开始焊接前，应清理钢板待焊区域去除表面氧化层，并用有机溶剂（例如：丙酮）清理表面油污。
优选地，所述激光深熔点焊的焊点熔化宽度不大于盖板厚度的2倍，点焊位置为焊缝的两端以及若干中间点位；当焊缝较长时，可采用段焊代替中间点位的点焊，所述段焊的焊缝长度不超过50mm，相邻两个段焊的间隔为600～1000mm。
优选地，所述激光-GMAW复合焊接采用激光光斑中心在电弧斑点中心前的激光引导电弧的方式进行焊接。
本发明的优点及有益效果：
本发明结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点，同时还避免了两者的缺点，实现了H04MnNi2Ti钢的三明治结构激光-GMAW复合焊接方法，采用气动夹具夹紧并提供定位工装和翻转工具，极大程度上满足了激光焊接对叠焊间隙小且均匀的要求，保证了焊接质量，减少了定位和翻转时间，提高生产效率；经实际验证的焊接顺序能有效控制焊接变形。
附图说明
图1是本发明激光GMAW复合焊接示意图；图中：1-上盖板、2-下盖板、3-芯板、4-激光束、5-焊枪。
图2是本发明激光GMAW复合焊焊缝接头金相图。
图3是本发明焊缝接头硬度检测的测点标线及测点示意图。
图4是本发明焊缝接头硬度检测结果示意图。
图5是普通焊接顺序示意图。
图6是本发明激光GMAW复合焊顺序示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明，本技术领域的一般技术人员应当认识到本实施例并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实施范围内对实施例进行变换、变型都可在本发明权利要求的范围内。
实施例1
母材：H04MnNi2Ti钢，由两侧相互平行的上盖板1和下盖板2，以及置于上盖板1和下盖板2之间、且分别垂直于上盖板1和下盖板2的若干块芯板3组成的三明治结构，所述上盖板1、下盖板2和芯板3均为H04MnNi2Ti钢，上盖板1厚度3mm，下盖板2厚度3mm，芯板3厚度3mm。
焊丝：实芯焊丝JQMG50-6，焊丝直径1.2mm。
焊接设备：IPG YLS-5000型光纤激光器及冷却系统、KUKA机器人和KEMPPI电源三部分。
焊接准备：焊前对所述上盖板1、下盖板2和芯板3的板材进行双面去漆处理，再用锉刀将所述芯板的边角毛刺去掉，保证所述芯板边缘的平直度，减小焊接过程中芯板与面板连接处缝隙；接着使用砂磨机对焊接试板进行打磨清理，后用钢丝刷进一步刮擦，清理完毕后，用丙酮去除试板表面上的油污和铁锈。
焊前检查：焊接之前需确保气候条件符合焊接，保护气路能很好的保护焊缝，有安全防护和防火措施。
焊接工装：由装夹工装和吊运翻转工装两大部分组成，其中吊运翻转工装采用滚轮实现自由移动、采用光杆实现吊运高度可调，焊接工装采用气缸压紧工件，气缸螺栓连接在工装上，焊接工装压紧工字钢可以通过丝杆实现平行焊接方向的移动，可以根据实际装夹要求进行调整。
一种H04MnNi2Ti钢三明治结构的激光GMAW复合焊接方法，包括以下步骤：
（1）在焊接工装上将芯板3装夹定位，将上盖板1与芯板3垂直定位，使上盖板1的窄边与芯板3的窄边对齐，调节气缸压力到0.5MPa压紧，逐渐调整好上盖板1纵向和横向位置；在上盖板1的待焊位置上划线；沿着划线的待焊位置，采用激光深熔点焊将上盖板1与芯板3连接；点焊完成后松开夹具；
（2）翻转工件，按步骤（1）装夹方式将下盖板2与若干块芯板3垂直定位并压紧，再采用激光深熔点焊将下盖板2与芯板3连接，点焊完成后松开夹具；
（3）分别将上盖板1和下盖板2与若干块芯板3对接的待焊位置进行激光-GMAW复合焊接，按照图6的示意，遵循着从中间芯板3往两侧芯板3、先焊上盖板面后焊下盖板面的原则进行焊接；
激光参数为：激光功率4kW，离焦量-20 mm，激光入射方向与盖板倾角为90°，激光发散角小于300mrad，光束束腰直径0.27mm；电弧参数为：GMAW焊接参数设定为电压29.8V，电流290A，送丝速度8m/min，焊枪与盖板夹角为45°，保护气采用氩气，保护气流量为15L/min；此外，激光-GMAW复合焊接的光丝间距为2mm，焊接速度为1.6m/min。
每条焊缝焊接完成后，通风冷却并放置焊缝冷却至室温；进行下一道焊接前将待焊部位表面清理干净。
焊接完成后取接头截面，进行磨平、抛光和金相腐蚀测试，金相腐蚀测试液是浓度为4%的硝酸酒精溶液，金相图如图4所示。
对激光-GMAW复合焊接的试件取样进行焊接接头显微硬度分析，测点位置分别选取T型接头横截面上距面板表面下0.1mm、距芯板端面下0.1mm，相邻测点距离0.2mm，测点标线及测点示意图3。
焊缝接头硬度检测见图4，T型接头表面焊缝中心硬度较热影响区的低，而面板与芯板搭接处焊缝中心硬度较热影响区硬度高。
由于三明治结构的焊缝多，极易在焊接以后产生较大的残余变形。如果如图5所示，首先依编号顺次焊上盖板面焊缝（01-14），再焊下盖板面焊缝（15-28），在焊缝纵向顶端会出现变形最大值，其Z向最大变形为0.55mm（Z向为垂直于上盖板或下盖板的方向）。
为了减小焊接变形，在焊接过程中，焊接顺序如图6所示，采用从中间到两侧随散热原则，先上盖板面后下盖板面的顺序，首先依编号顺次焊上盖板面焊缝（01-07），再焊上盖板面焊缝（08-14），然后焊下盖板面焊缝（15-21），再焊下盖板面焊缝（22-28），以避免热量集中，装夹方式不变，其Z向最大变形为0.53mm。
Claims (6)
1.一种H04MnNi2Ti钢三明治结构的激光-GMAW复合焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在焊接工装上将芯板装夹定位，将一侧的盖板与所述芯板垂直定位并压紧，采用激光深熔点焊将其与所述芯板连接，松开夹具；
（2）翻转工件，将另一侧的盖板与所述芯板垂直定位并压紧，再采用激光深熔点焊将其与所述芯板连接，松开夹具；
（3）在两侧所述盖板与所述芯板对接的待焊位置进行激光-GMAW复合焊接，遵循着从中间往两侧焊接、先焊上盖板面后焊下盖板面的原则进行焊接；在所述步骤（3）中，所述激光-GMAW复合焊接的参数为：激光参数：激光的输出功率0～5kW，离焦量-20～20mm；GMAW焊接参数：电弧电压10～30V，电流0～300A，焊枪与母材夹角为45°～60°，在焊接时，通过喷嘴向焊缝接入保护气体，焊接过程中的保护气为氩气，对焊缝进行保护，保护气流量为15～25L/min；激光-GMAW复合参数：光丝间距2～6mm，焊接速度为1～3m/min；
所述H04MnNi2Ti钢三明治结构是由两块相互平行的所述盖板，以及置于所述盖板之间且分别垂直于所述盖板的若干块所述芯板组成，所述盖板和所述芯板的材质均为所述H04MnNi2Ti钢。
2.根据权利要求1所述的激光-GMAW复合焊接方法，其特征在于，所述盖板的厚度为1～3.5mm，所述芯板厚度为2～5mm。
3.根据权利要求1所述的激光-GMAW复合焊接方法，其特征在于，焊接填充材料为母材同牌号或更高规格的焊丝材料；所述焊丝材料的直径为0.8～1.2mm。
4.根据权利要求1所述的激光-GMAW复合焊接方法，其特征在于，在开始焊接前，应清理钢板待焊区域去除表面氧化层，并用有机溶剂清理表面油污。
5.根据权利要求1所述的激光-GMAW复合焊接方法，其特征在于，所述激光深熔点焊的焊点熔化宽度不大于盖板厚度的2倍，点焊位置为焊缝的两端以及若干中间点位；当焊缝较长时，可采用段焊代替中间点位的点焊，所述段焊的焊缝长度不超过50mm，相邻两个段焊的间隔为600～1000mm。
6.根据权利要求1所述的激光-GMAW复合焊接方法，其特征在于，所述激光-GMAW复合焊接采用激光光斑中心在电弧斑点中心前的激光引导电弧的方式进行焊接。
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