CN112743235B - 一种球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法，属于激光加工技术领域。本发明首先用激光对球墨铸铁待焊接表面进行激光表面热处理进行去石墨化，球墨铸铁待焊接表面的石墨在激光作用下大部分烧蚀成气体溢出，另一部分溶解在组织中，在激光热处理过程中，熔池温度梯度很大，形成极大的过冷度，达到了马氏体生成的条件，并伴随着碳化物的生成，从而使球墨铸铁待焊接表面的石墨减少，获得表面局部去石墨化球墨铸铁。将去石墨化表面与低碳钢待焊接表面对接，然后实施激光焊接，可以有效避免激光焊接过程中焊接接头气孔、裂纹缺陷的产生，显著提升焊接接头强度。

Description

一种球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法。
背景技术
球墨铸铁比钢轻约10％，无残留应力，加工时产生的缺陷少，而且球墨铸铁减振性、耐磨性、对缺口敏感性等优于钢，且在价格方面具有巨大优势，用来作为结合齿圈部分。钢作为齿轮部分可以更有利于进行渗碳、淬火处理提高齿轮的强度、硬度、耐磨性，从而提高齿轮的寿命。球墨铸铁作为结合齿圈部分，钢作为齿轮部分，这样的方式能有效降低成本，且符合未来轻量化的发展方向。由于球墨铸铁中大量石墨的存在，在球墨铸铁和钢焊接过程中大量碳溶解进入熔池中，在焊后的快速冷却过程中以莱氏体的形式析出，导致焊接裂纹和气孔的产生和力学性能的降低。
目前常用的铸铁和钢的焊接方法有很多，主要有摩擦焊、钎焊、扩散焊、电子束焊、激光-电弧复合焊、激光焊等，其中电子束焊、激光-电弧复合焊和激光焊等熔化焊的方法，由于球墨铸铁的碳当量较高，在焊接过程中大量的碳溶解到熔池中，熔合区受到母材碳扩散的影响形成碳的富集、极易形成脆硬的莱氏体层，导致断裂发生。摩擦焊、钎焊和扩散焊等非熔化焊方法中，摩擦焊和扩散焊存在着生产效率低，对焊接件有特殊要求、焊接质量不易控制、且扩散焊需要在真空条件下进行焊接。而钎焊焊接接头的强度一般较低，特别是没有通过特殊工艺处理的接头强度更低。
徐国建(徐国建,刘祥宇,杭争翔,等.球墨铸铁和铁素体不锈钢的激光-MIG复合焊接性能[J].沈阳工业大学学报,2012(5):496-503.)等进行了球墨铸铁与铁素体不锈钢激光-电弧复合焊接，通过填充3种不同镍质量分数的焊丝对焊接接头进行分析，虽然焊接接头无裂纹出现且焊缝成型良好，但是焊接接头存在着大量莱氏体，使得抗拉强度不高。JiyoungYu(Yu J,Jung T,Kim S,et al.Laser welding of cast iron and carburizedsteel for differential gear[J].Journal of Mechanical Science&Technology,2011,25(11):2887-2893.)等进行了差速器齿轮用铸铁和渗碳钢的激光焊接，采用填充镍基钎料的方法有效抑制了焊接裂纹的产生，但是由于球墨铸铁中含有大量的石墨，在焊接过程中熔合区极易受到碳扩散的影响形成莱氏体层，容易产生裂纹和气孔等缺陷，引起后续焊接接头的开裂从而影响使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法，解决了球墨铸铁与低碳钢在焊接过程中存在裂纹和气孔等问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法，包括以下步骤：
将球墨铸铁的待焊接表面进行激光表面热处理，所述待焊接表面的石墨大部分被烧蚀成气体溢出，另一部分溶解在组织中，形成去石墨化层，得到表面局部去石墨化球墨铸铁；
将所述表面局部去石墨化球墨铸铁进行退火，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁；
将所述退火表面局部去石墨化球墨铸铁与低碳钢进行激光焊接。
优选的，所述激光表面热处理的激光功率为500～700W，扫描速度为150～300mm/min，正离焦量为5～25mm。
优选的，进行所述激光表面热处理前，还包括在球墨铸铁待焊接表面涂覆吸光涂料。
优选的，所述吸光涂料由C粉和MoS2粉分散于无水乙醇中得到；所述C粉和MoS2粉的质量比为1:1。
优选的，所述退火处理的温度为250～300℃，保温时间为1.5～2.5h。
优选的，所述激光焊接的功率为3000～5000W，焊接速度为1～3m/min，负离焦量为1～5mm，保护气流量为20～30L/h。
优选的，以质量百分含量计，所述球墨铸铁包括：C:3.70～4.00％、Si:2.15～2.93％、Mn:0.46～0.66％、S:0.010～0.016％、P:0.027～0.035％、Mg:0.027～0.050％、Re:0.026～0.043％和余量的Fe；所述球墨铸铁的碳当量为4.3～4.6。
优选的，以质量百分含量计，所述低碳钢包括：C:0.17～0.23％、Si:0.17～0.37％、Mn:0.80～1.10％、Cr:1.00～1.30％、S:≤0.030％、P:≤0.030％、Ni:≤0.30％、Cu：≤0.30％、Ti:0.04～0.10％和余量的Fe。
优选的，进行激光表面热处理前，还包括用砂纸将所述球墨铸铁的待焊接表面打磨光滑，再用酒精溶液将打磨后的表面清洗干净，吹干。
优选的，进行激光焊接前，还包括对退火表面局部去石墨化球墨铸铁待焊接表面进行平整化处理。
本发明提供了一种球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法，包括以下步骤：将球墨铸铁的待焊接表面进行激光表面热处理，所述待焊接表面的石墨大部分被烧蚀成气体溢出，另一部分溶解在组织中，形成去石墨化层，得到表面局部去石墨化球墨铸铁；将所述表面局部去石墨化球墨铸铁进行退火，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁；将所述退火表面局部去石墨化球墨铸铁与低碳钢进行激光焊接。
本发明首先用激光对球墨铸铁待焊接表面进行激光表面热处理进行去石墨化，球墨铸铁待焊接表面的石墨在激光作用下大部分烧蚀成气体溢出，另一部分溶解在组织中，在激光热处理过程中，熔池温度梯度很大，形成极大的过冷度，达到了马氏体生成的条件，并伴随着碳化物的生成，从而使球墨铸铁待焊接表面的石墨减少，获得表面局部去石墨化球磨铸铁。将去石墨化表面与低碳钢待焊接表面对接，然后实施激光焊接，可以有效避免激光焊接过程中焊接接头气孔、裂纹缺陷的产生，显著提升焊接接头强度。
附图说明
图1为本发明激光焊接方法的工艺流程图；
图2为实施例1中激光表面热处理后所得表面局部去石墨化球墨铸铁金相图片；
图3为实施例1中球墨铸铁与低碳钢焊接件拉伸曲线图；
图4为实施例1中球墨铸铁与低碳钢焊缝金相图；
图5为实施例1中球墨铸铁与低碳钢拉伸断裂金相图；
图6为实施例1中母材与焊接件抗拉强度对比图；
图7为对比例1不进行表面激光热处理的球墨铸铁与低碳钢焊缝金相图。
具体实施方式
本发明提供了一种球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法，包括以下步骤：
将球墨铸铁的待焊接表面进行激光表面热处理，所述待焊接表面的石墨大部分被烧蚀成气体溢出，另一部分溶解在组织中，形成去石墨化层，得到表面局部去石墨化球墨铸铁；
将所述表面局部去石墨化球墨铸铁进行退火，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁；
将所述退火表面局部去石墨化球墨铸铁与低碳钢进行激光焊接。
本发明将球墨铸铁的待焊接表面进行激光表面热处理，所述待焊接表面的石墨大部分被烧蚀成气体溢出，另一部分溶解在组织中，形成去石墨化层，得到表面局部去石墨化球墨铸铁。
在本发明中，以质量百分含量计，所述球墨铸铁优选包括C:3.70～4.00％、Si:2.15～2.93％、Mn:0.46～0.66％、S:0.010～0.016％、P:0.027～0.035％、Mg:0.027～0.050％、Re:0.026～0.043％和余量的Fe；所述球墨铸铁的碳当量优选为4.3～4.6。
进行激光表面热处理前，本发明优选将球墨铸铁加工成所需规格，然后用砂纸将所述球墨铸铁的待焊接表面打磨光滑，再用酒精溶液将打磨后的表面清洗干净，吹干。
吹干之后，本发明优选在球墨铸铁的待焊接表面涂覆吸光涂料，并等待涂料干燥，然后再进行激光表面热处理。在本发明中，所述吸光涂料优选由C粉和MoS2粉分散于无水乙醇中得到；在本发明中，所述C粉和MoS2粉的质量比优选为1:1。本发明对所述C粉和MoS2粉的粒径没有特殊要求，采用本领域熟知的粒径即可。在本发明，所述C粉和MoS2粉的总质量与无水乙醇的用量比优选为2g:1mL。
在本发明中，所述吸光涂料的涂覆量优选使形成的涂层厚度达到0.1～0.2mm为宜。
由于球墨铸铁对激光的反射率较高，本发明在所述球墨铸铁的待焊接表面涂覆一层吸光涂料从而增强对激光的吸收效果。在激光表面热处理的过程中，吸光涂料会被气化，从而脱离球墨铸铁。
在本发明中，所述激光表面热处理的激光功率优选为500～700W，更优选为550～650W；扫描速度优选为150～300mm/min，更优选为180～250mm/min；正离焦量优选为5～25mm，更优选为10～20mm。本发明优选采用二氧化碳激光进行表面激光热处理。
球墨铸铁待焊接表面的石墨在激光作用下大部分烧蚀成气体溢出，另一部分溶解在组织中，在激光表面热处理过程中，熔池温度梯度很大，形成极大的过冷度，达到了马氏体生成的条件，并伴随着碳化物(主要包括渗碳体、铁素体、奥氏体)的生成，从而使得表层的C元素减少，形成去石墨化层，为之后的激光焊接减少气孔、裂纹缺陷起到了积极作用。
得到表面局部去石墨化球墨铸铁后，本发明将所述表面局部去石墨化球墨铸铁进行退火，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁。
在本发明中，所述退火的温度优选为250～300℃，更优选为290～300℃；保温时间优选为1.5～2.5h，更优选为2h。本发明所述退火优选在空气氛围下进行。在本发明中，所述退火优选在中高温箱式电阻炉中进行。本发明利用退火去除去石墨化层存在的残余应力，降低去石墨化层的硬度。退火后，本发明优选随炉冷却至室温，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁。
得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁后，本发明将所述退火表面局部去石墨化球墨铸铁与低碳钢进行激光焊接。
进行激光焊接前，本发明优选对退火表面局部去石墨化球墨铸铁的待焊接表面进行平整化处理。本发明对所述平整化处理的具体实施方式没有特殊要求，任意能够实现平整化的方式均可，具体的如机加工。
进行激光焊接前，本发明优选还包括将低碳钢加工成所需规格，并将低碳钢的待焊接表面打磨光滑，再用酒精溶液将打磨后的表面清洗干净，吹干。
在本发明中，以质量百分含量计，所述低碳钢优选包括：C:0.17～0.23％、Si:0.17～0.37％、Mn:0.80～1.10％、Cr:1.00～1.30％、S:≤0.030％、P:≤0.030％、Ni:≤0.30％、Cu：≤0.30％、Ti:0.04～0.10％和余量的Fe。
本发明优选将退火表面局部去石墨化球墨铸铁与低碳钢在焊接台上进行装夹，氩气作为保护气，然后采用高功率激光器进行激光焊接。
在本发明中，所述激光焊接的功率优选为3000～5000W，更优选为3500～4500W，进一步优选为3800～4200W；焊接速度优选为1～3m/min，更优选为1.5～2.5m/min；负离焦量优选为1～5mm，更优选为2～4mm，进一步优选为2.5～3.5mm；保护气流量优选为20～30L/h，更优选为22～28L/h。本发明优选采用碟片激光器进行所述激光焊接。
图1为本发明激光焊接方法的工艺流程图。如图1所示，本发明先用机加工方法将低碳钢和球墨铸铁进行机加工制成所需规格，然后用砂纸将球墨铸铁和低碳钢的待焊接表面打磨光滑，再用酒精溶液将打磨后的表面洗干净，并吹干待用；在球墨铸铁待焊接表面涂覆吸光涂料，然后进行激光表面热处理，形成去石墨化层，得到表面局部去石墨化球墨铸铁；将表面局部去石墨化球墨铸铁放入加热炉中保温进行退火，然后炉中冷却至室温，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁；对退火表面局部去石墨化球墨铸铁焊接表面进行平整处理；最后，将退火表面局部去石墨化球墨铸铁与低碳钢在焊接台上进行装夹，氩气作为保护气，采用碟片激光器进行激光焊接。
下面结合实施例对本发明提供的球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例所用球墨铸铁450的成分为：C:3.70～4.00％、Si:2.15～2.93％、Mn:0.46～0.66％、S:0.010～0.016％、P:0.027～0.035％、Mg:0.027～0.050％、Re:0.026～0.043％，碳当量:4.3～4.6；低碳钢采用20CrMnTi，具体组成为：C:0.17～0.23％、Si:0.17～0.37％、Mn:0.80～1.10％、Cr:1.00～1.30％、S:允许残余含量≤0.030％、P:允许残余含量≤0.030％、Ni:允许残余含量≤0.30％、Cu：允许残余含量≤0.30％、Ti:0.04～0.10％。
实施例1
步骤一、将球墨铸铁450与20CrMnTi加工成所需规格的试样，用砂纸将球墨铸铁450与20CrMnTi的待焊接表面打磨光滑，再用酒精溶液将试样表面洗干净，并吹干；
步骤二、在球墨铸铁450待焊接表面涂覆吸光涂料，等待吸光涂料干燥，形成的涂层厚度为0.1～0.2mm；其中，吸光涂料的制备为：将50％的C粉末和50％的MoS2粉末进行配比，并用无水乙醇(99.5％)进行稀释，制备成吸光涂料；将涂覆有吸光涂料的待焊接表面进行CO2激光表面热处理，激光功率600W，扫描速度200mm/min，正离焦量15mm，形成0.75mm厚的去石墨化层，得到表面局部去石墨化球墨铸铁450；去石墨化层无气孔和裂纹缺陷。
步骤三、将表面局部去石墨化球墨铸铁450放入加热炉中于300℃保温2h进行退火，然后炉中冷却至室温，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁450；
步骤四、对退火表面局部去石墨化球墨铸铁450焊接表面进行平整处理，便于后续激光焊接进行对接；
步骤五、将退火表面局部去石墨化球墨铸铁450与20CrMnTi在焊接台上进行装夹，氩气作为保护气，然后采用碟片激光器进行激光焊接；
激光焊接工艺参数：激光功率4000W，焊接速度2.4m/min，负离焦量2mm，保护气流量24L/h；最后得到的焊缝中含碳量得到明显的控制，去石墨化层具有良好的除碳效果，并使得焊缝的气孔、裂纹等缺陷得到有效的控制，焊接接头具有良好的力学性能。
实施例2
步骤一、将球墨铸铁450与20CrMnTi加工成所需规格的试样，用砂纸将球墨铸铁450与20CrMnTi的待焊接表面打磨光滑，再用酒精溶液将试样表面洗干净，并吹干；
步骤二、在球墨铸铁450待焊接表面涂覆吸光涂料，等待吸光涂料干燥，形成的涂层厚度为0.1～0.2mm；其中，吸光涂料的制备为：将50％的C粉末和50％的MoS2粉末进行配比，并用无水乙醇(99.5％)进行稀释，制备成吸光涂料；将涂覆有吸光涂料的待焊接表面进行CO2激光表面热处理，激光功率600W，扫描速度300mm/min，正离焦量25mm，形成0.3mm厚的去石墨化层，得到表面局部去石墨化球墨铸铁450；去石墨化层无气孔和裂纹缺陷。
步骤三、将表面局部去石墨化球墨铸铁450放入加热炉中于250℃保温1.5h进行退火，然后炉中冷却至室温，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁450；
步骤四、对退火表面局部去石墨化球墨铸铁450焊接表面进行平整处理，便于后续激光焊接进行对接；
步骤五、将退火表面局部去石墨化球墨铸铁450与20CrMnTi在焊接台上进行装夹，氩气作为保护气，然后采用碟片激光器进行激光焊接；
激光焊接工艺参数：激光功率3000W，焊接速度1m/min，负离焦量1mm，保护气流量20L/h；最后得到的焊缝中含碳量得到明显的控制，去石墨化层具有良好的除碳效果，并使得焊缝的气孔、裂纹等缺陷得到有效的控制，焊接接头具有良好的力学性能。
实施例3
步骤一、将球墨铸铁450与20CrMnTi加工成所需规格的试样，用砂纸将球墨铸铁450与20CrMnTi的待焊接表面打磨光滑，再用酒精溶液将试样表面洗干净，并吹干；
步骤二、在球墨铸铁450待焊接表面涂覆吸光涂料，等待吸光涂料干燥，形成的涂层厚度为0.1～0.2mm；其中，吸光涂料的制备为：将50％的C粉末和50％的MoS2粉末进行配比，并用无水乙醇(99.5％)进行稀释，制备成吸光涂料；将涂覆有吸光涂料的待焊接表面进行CO2激光表面热处理，激光功率700W，扫描速度150mm/min，正离焦量5mm，形成0.9mm厚的去石墨化层，得到表面局部去石墨化球墨铸铁450；去石墨化层无气孔和裂纹缺陷。
步骤三、将表面局部去石墨化球墨铸铁450放入加热炉中于275℃保温2.5h进行退火，然后炉中冷却至室温，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁450；
步骤四、对退火表面局部去石墨化球墨铸铁450焊接表面进行平整处理，便于后续激光焊接进行对接；
步骤五、将退火表面局部去石墨化球墨铸铁450与20CrMnTi在焊接台上进行装夹，氩气作为保护气，然后采用碟片激光器进行激光焊接；
激光焊接工艺参数：5000W，焊接速度3m/min，负离焦量5mm，保护气流量30L/h；最后得到的焊缝中含碳量得到明显的控制，去石墨化层具有良好的除碳效果，并使得焊缝的气孔、裂纹等缺陷得到有效的控制，焊接接头具有良好的力学性能。
对比例1
与实施例1的不同之处仅在于未进行激光表面热处理。
性能测试：
1、对实施例1的表面局部去石墨化球墨铸铁450进行显微镜观察，结果如图2所示。图2显示，激光热处理去石墨化层组织基本无气孔、裂纹等缺陷，得到去石墨化层厚度为0.75mm。
2、将实施例1的球墨铸铁和低碳钢焊接件加工成拉伸试样件，进行拉伸实验，结果如图3所示。由图3可知，试样拉断时所承受的最大力可以达到16000N以上。
3、将实施例1球墨铸铁和低碳钢焊接接头焊缝区制备成金相件进行观察，结果如图4所示。由图4可以看到球墨铸铁和低碳钢形成了良好的冶金结合，结合部位基本无气孔、裂纹等缺陷。
4、将球墨铸铁和低碳钢焊接接头拉伸断裂件制备成金相件进行观察，结果如图5所示。由图5可以看到球墨铸铁和低碳钢焊接接头断裂位于去石墨化层处，而不是断裂在焊接接头焊缝中心位置，可以证明球墨铸铁和低碳钢形成了良好的冶金结合。
5、将球墨铸铁、低碳钢和球墨铸铁与低碳钢焊接件分别进行拉伸实验，结果如图6所示。由图6可知，球墨铸铁母材抗拉强度为450MPa，低碳钢母材抗拉强度为760Mpa，焊接件抗拉强度可以达到500MPa，焊接件的抗拉强度高于球墨铸铁母材的抗拉强度，说明采用本发明的焊接方法得到的焊接件的抗拉强度优异。
6、对对比例1的球墨铸铁和低碳钢的焊缝区进行显微镜观察，结果如图7所示。由图7可知，球墨铸铁不进行激光表面热处理去石墨化，直接进行球墨铸铁和低碳钢的焊接，焊缝区存在气孔和裂纹缺陷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种球墨铸铁与低碳钢的激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
将球墨铸铁的待焊接表面进行激光表面热处理，所述待焊接表面的石墨大部分被烧蚀成气体溢出，另一部分溶解在组织中，形成去石墨化层，得到表面局部去石墨化球墨铸铁；所述激光表面热处理的激光功率为500～700W，扫描速度为150～300mm/min，正离焦量为5～25mm；以质量百分含量计，所述球墨铸铁包括：C:3.70～4.00％、Si:2.15～2.93％、Mn:0.46～0.66％、S:0.010～0.016％、P:0.027～0.035％、Mg:0.027～0.050％、Re:0.026～0.043％和余量的Fe；所述球墨铸铁的碳当量为4.3～4.6；
将所述表面局部去石墨化球墨铸铁进行退火，得到退火表面局部去石墨化球墨铸铁；所述退火处理的温度为250～300℃，保温时间为1.5～2.5h；
将所述退火表面局部去石墨化球墨铸铁与低碳钢进行激光焊接。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，进行所述激光表面热处理前，还包括在球墨铸铁待焊接表面涂覆吸光涂料。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述吸光涂料由C粉和MoS2粉分散于无水乙醇中得到；所述C粉和MoS2粉的质量比为1:1。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述激光焊接的功率为3000～5000W，焊接速度为1～3m/min，负离焦量为1～5mm，保护气流量为20～30L/h。
5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，以质量百分含量计，所述低碳钢包括：C:0.17～0.23％、Si:0.17～0.37％、Mn:0.80～1.10％、Cr:1.00～1.30％、S:≤0.030％、P:≤0.030％、Ni:≤0.30％、Cu：≤0.30％、Ti:0.04～0.10％和余量的Fe。
6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，进行激光表面热处理前，还包括用砂纸将所述球墨铸铁的待焊接表面打磨光滑，再用酒精溶液将打磨后的表面清洗干净，吹干。
7.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，进行激光焊接前，还包括对退火表面局部去石墨化球墨铸铁待焊接表面进行平整化处理。
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