CN111975203A

CN111975203A - 一种高氮钢双光束激光+(n-mig)电弧复合焊接方法

Info

Publication number: CN111975203A
Application number: CN202010508827.9A
Authority: CN
Inventors: 江俊龙; 王克鸿
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2020-06-06
Filing date: 2020-06-06
Publication date: 2020-11-24

Abstract

本发明公开了一种高氮钢的双光束激光+(N‑MIG)电弧复合焊方法，它涉及材料加工领域，将一台固体激光器发出的激光束通过光纤传输到双光束激光焊接头，产生能量可以调节的两束激光，同时到达焊接部位，再旁轴复合上N‑MIG电弧热源，共同作用于待焊接部位，形成共熔池，得到优质焊缝。本发明将能量可调的双光束激光热源与N‑MIG电弧热源以串行排列的方式作用于高氮钢母材实现高效优质焊接，该方法能够控制焊接温度场的分布，提高焊接稳定性和对接头的适应性，能够有效减少氮的损失，改善焊缝微观组织。

Description

一种高氮钢双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊接方法

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种高氮钢的双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊接方法。

背景技术

高氮钢作为一种新兴的具有高强度、高塑性、高抗高速冲击、高耐腐蚀等显著特征的结构和功能用钢，有着十分广泛和重要的应用前景，但由于其独特的理化性能和较为特殊的冶炼制备工艺过程，使其具有较为特殊的焊接性能和焊接工艺瓶颈。氮在高氮钢中的溶解度极低，冶炼制备时，采用“高压氮法”或“氮成分协同法”制备高氮钢，工艺复杂、难度大；实际熔化焊接过程，高氮钢在电弧、激光、电子束热源作用下熔化，氮元素逸出、损失，造成凝固后的焊缝接头“氮含量”大量损失，失去“氮固溶奥氏体”组织特征，采用常规弧焊工艺或常规激光焊接工艺，高氮钢焊缝氮含量仅0.1～0.2%，强度、抗冲击性能、耐蚀性能等均大幅下降，不能再称之为“高氮钢”。

发明内容

针对高氮钢采用传统焊接方法时熔深小、氮损失严重、易产生焊瘤咬边等缺欠、焊接效率低等问题，本发明的目的在于提供一种高氮钢的双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊接方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

本发明的一种高氮钢的双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤一，焊接前，根据板厚将待焊工件的待焊接部位加工成所需坡口型式，并对加工后的坡口及表面进行清理；

步骤二，采用双光束激光焊接和N-MIG电弧焊接的复合焊接方式，调节焊接工艺参数如下：

激光功率为1kW~10kW，两束激光功率比列为1:1~1:4，两束激光光斑中心间距为1~5mm，离焦量为-5~+10mm；采用Ar+O₂+N₂三元活性气体保护，气流量为10L/min~50L/min，N-MIG电弧电流为80~220A，电压为15V~26V，焊接速度为0.2~10m/min；

步骤三，对待焊接部位进行焊接，在焊接实施过程中，采用工业机器人集成系统控制焊接工艺参数和轨迹姿态，首先N-MIG电弧起弧，激光器控制发出激光并通过焊接头形成双光束激光，将双光束激光和N-MIG电弧热源共同作用在待焊接部位，加热工件形成共熔池，最后形成优质焊缝。

较佳的，所述坡口为I型坡口、Y型坡口、X型坡口或不对称的坡口型式。

较佳的，Ar+O₂+N₂三元气体，是指体积百分比Ar为77%~94%，O₂为1%~3%，N₂为5%~20%的三元气体。

较佳的，复合焊接时，沿着焊接方向，采用双光束激光热源位置在前，N-MIG电弧热源位置在后的复合方式，双光束激光热源与N-MIG电弧热源的间距为1mm~4mm。

较佳的，双光束激光焊接头与焊接试板呈85°~95°夹角，MIG焊枪与待焊工件呈50°~70°夹角。

较佳的，双光束激光波形可以调节控制，可以连续也可以脉冲，从而有效控制焊接温度场分布。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

（1）通过双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊的复合方式、热源间距和保护气体成分及配比等焊接工艺参数的控制，可实现中厚度高氮钢的焊接，获得表面洁净、光滑、成型好、无凹陷的焊缝。

（2）通过双光束激光和N-MIG电弧两热源之间的相互作用，弥补了单热源焊接工艺的不足，能够减少接头氮元素损失，同时焊接熔深大、焊接速度快、工件变形小、装配要求低。

（3）双光束激光能量可以调节分配，可以是连续激光，也可以设定脉冲波形，形成脉冲激光束。可以通过控制两束激光的功率分配及离焦量大小及两热源间距，控制焊接温度场的分布，有效抑制焊接接头中的氮元素损失。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊接示意图。

图2是本发明的双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊接侧视图和焊缝。

图3为实施例获得的焊缝正面形貌照片。

图4为实施例获得的焊缝横截面形貌照片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术法案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的原理是：将一台固体激光器发出的激光束通过光纤传输到双光束激光焊接头，产生能量可以调节的两束激光，同时到达焊接部位，再旁轴复合上N-MIG电弧（N-MIG电弧是Ar+O₂+N₂三元气体作为保护气产生的活化氮弧）热源，共同作用于待焊接部位，形成共熔池，得到优质焊缝。

本发明所述的复合焊接方法采用Ar+O₂+N₂三元活化气体作为保护气，将双光束激光热源与N-MIG电弧热源进行复合，共同作用于待焊接部位，形成共熔池，能够有效抑制焊接接头中氮元素的损失。同时集成了双光束激光高能束流穿孔焊特性和电弧坡口适应特性等技术优势，与传统弧焊相比，减少了接头坡口尺寸，提高了焊接速度，从而大幅提升焊接生产效率。

如图1、图2所示，本发明所述的一种高氮钢的双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊接方法，包括下述步骤：

步骤一：焊接前，根据板厚将待焊工件4的待焊接部位加工成I型坡口、Y型坡口、X型坡口或不对称的坡口型式，并对加工后的坡口及表面进行清理，将清理后的待焊工件4装夹在工作台上；

步骤二：利用夹具将双光束激光焊接头与MIG焊枪、侧吹保护气管进行位置调节并刚性固定；

步骤三：激光器产生的激光束通过光纤传输到双光束激光焊接头1，形成两束激光束2，旁轴复合N-MIG电弧热源5，设置两束激光束的能量、波形参数和电弧热源参数，各工艺参数如下：

激光焊机参数：激光功率为1kW~10kW，两束激光功率比列为1:1~1:4，两束激光光斑中心间距为1~5mm，离焦量为-5~+5mm；

N-MIG电弧参数：采用Ar+O₂+N₂三元活性气体保护，气流量为10L/min~50L/min，N-MIG电弧电流为80~220A，电压为15V~26V，焊接速度为0.2~10m/min；

步骤四：在焊接实施过程中，采用工业机器人集成系统（德国KUKA KR30机器人系统）控制焊接工艺参数和轨迹姿态，首先N-MIG电弧起弧，激光器控制发出激光并通过焊接头形成双光束激光，将双光束激光+(N-MIG)电弧复合热源6共同作用在待焊工件4的待焊接部位，加热形成共熔池3，最后形成优质焊缝7。

实施例

本实施例以12mm厚高氮钢焊接为例，采用双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊接方法对其进行焊接，包括以下步骤：

S1：焊接前将待焊接部位加工成I型坡口型式，并对坡口及表面进行清理，将清理后的待焊工件装夹在工作台上；

S2：沿着焊接方向，采用双光束激光热源位置在前，N-MIG电弧热源位置在后的复合方式，双光束激光热源与N-MIG电弧热源的间距为2mm，双光束激光焊接头与焊接试板呈90°夹角，MIG焊枪与待焊工件呈60°夹角，用夹具将双光束焊接头与MIG焊枪、侧吹保护气管进行刚性固定。

S3：设置焊接工艺参数：

激光功率为8kW，两束激光功率比列为1:1，两束激光光斑中心间距为1mm，离焦量为0mm，采用Ar+O₂+N₂三元活性气体保护，体积百分比Ar为88%，O₂为2%，N₂为10%，气流量为25L/min，N-MIG电弧电流为200A，电压为22V，焊接速度为1m/min；

S4：在焊接实施过程中，采用工业机器人集成系统控制焊接工艺参数和轨迹姿态，首先N-MIG电弧起弧，激光器控制发出激光并通过焊接头形成双光束激光，将双光束激光和N-MIG电弧热源共同作用在待焊接部位，加热工件形成共熔池，最后形成优质焊缝。

图3为采用本实施例方法进行12mm厚高氮钢双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊获得的焊缝正面形貌，图4为实施例获得的焊缝横截面形貌照片，可以看出采用本方法进行12mm厚高氮钢时，焊接过程较为稳定，熔深大，焊缝表面成形较好，无焊穿、塌陷等成形缺陷。

本发明的双光束激光+(N-MIG)电弧复合焊接方法集成了高能束流穿孔焊特性和电弧坡口适应特性等技术优势，复合衍生了熔池搅拌、组织细化特性，形成了一种高聚能、大熔深、低热输入、小变形、效率高的新型复合焊接技术，且焊接过程稳定性较好，熔深大，氮损失少，能够有效解决高氮钢中厚板焊接接头氮损失问题，同时提高焊接效率。

Claims

1.一种高氮钢的双光束激光和N-MIG电弧复合焊接方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤二，采用双光束激光焊接和N-MIG电弧焊接的复合焊接方式，控制焊接工艺参数；

步骤三，对待焊接部位进行焊接，在焊接实施过程中，采用工业机器人集成系统控制焊接工艺参数和轨迹姿态，首先N-MIG电弧起弧，激光器控制发出激光并通过焊接头形成双光束激光，将双光束激光和N-MIG电弧热源共同作用在待焊接部位，加热工件形成共熔池，最后形成焊缝。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，坡口为I型坡口、Y型坡口、X型坡口或不对称的坡口型式。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，双光束激光焊接工艺参数如下：激光功率为1kW~10kW，两束激光功率比列为1:1~1:4，两束激光光斑中心间距为1~5mm，离焦量为-5~+10mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，N-MIG电弧焊接工艺参数如下：采用Ar+O₂+N₂三元活性气体保护，气流量为10L/min~50L/min，N-MIG电弧电流为80~220A，电压为15V~26V，焊接速度为0.2~10m/min。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，Ar+O₂+N₂三元气体，是指体积百分比Ar为77%~94%，O₂为1%~3%，N₂为5%~20%的三元气体。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，复合焊接时，沿着焊接方向，采用双光束激光热源位置在前，N-MIG电弧热源位置在后的复合方式，双光束激光热源与N-MIG电弧热源的间距为1mm~4mm。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，双光束激光焊接头与焊接试板呈85°~95°夹角，MIG焊枪与待焊工件呈50°~70°夹角。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，双光束激光波形为连续或脉冲。