CN114273662A - 一种基于激光沉积的厚板高氮钢的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于激光沉积的厚板高氮钢的连接方法，该方法利用高能束激光作为热源，采用高氮钢粉末代替传统焊丝作为填充材料，通过逐层堆积的方式连接厚板高氮钢。利用激光沉积，采用高氮粉末代替焊丝，避免了连接过程熔滴的形成，从而避免了熔滴爆炸引起的飞溅和氮损失，可以有效地提高焊缝成型质量和焊缝力学性能，并且通过调节粉末成分限制氮和碳化物的形成来提高耐腐蚀性。氮是析出型气孔，激光沉积过程熔池冷却速度快，加以水冷系统加快冷却，调节控制高氮钢凝固模式，减少氮的逸出。此外，与电弧送丝焊接方法相比，激光沉积熔池体积较小，有利于氮气孔的逸出，明显降低焊缝氮气孔缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于激光沉积的厚板高氮钢的连接方法，属于材料加工领域。
背景技术
激光沉积制造(LDM)技术是增材制造技术的一种，按照预先设定的的路径通过激光热源同步送入金属粉形成熔池并逐层沉积，实现金属零件的直接制造。广泛地应用在航空航天，医疗，机械制造等多个领域里。
高氮不锈钢中氮元素的固溶强化作用使得具有着高强度高韧性的特点。通常它的氮含量超过0.4％。根据基体的组织可分为高氮铁素体不锈钢，高氮马氏体不锈钢，高氮奥氏体不锈钢及高氮双相不锈钢。广泛的使用在制造行业。
高氮奥氏体不锈钢高氮奥氏体不诱钢机理就是就是利用N元素来替代元素Ni来形成奥氏体的作用。高氮奥氏体不锈钢主要优点：氮具有更加优异的固溶强化效果，可以促进晶粒细化；氮有着更加强烈促进奥氏体形成的作用，可更有效的减少钢中铁素体和形变马氏体的含量；对材料抗点蚀和缝隙腐蚀的性能有着非常明显的改善；具有耐腐蚀性。
通常对于高氮钢的焊接采用埋弧焊，电弧焊，TIG焊，激光焊以及复合焊。一直以来的难点在于焊缝中氮气的析出导致的氮元素含量的降低和氮气孔的形成，以及氮化物在焊缝区和热影响区的形成，凝固裂纹和热影响区液化裂纹，大大降低接头组织的力学性能和抗腐蚀性能。如何解决此类难题已成为一项重要的课题。
发明内容
为了避免高氮钢送丝熔化焊接熔滴过度过程，熔滴爆炸引起的飞溅和氮损失，有效地提高焊缝成型质量和焊缝力学性能，本发明提供一种基于激光沉积的高氮钢连接方法。
实现本发明目的提供技术方案如下：
一种基于激光沉积的高氮钢连接方法，该方法为：
一.清理厚板高氮钢表面，除去表面杂物以及氧化物，在待连接处部位进行坡口加工并设置钝边。
二.在采用同轴送粉的基于激光沉积的连接方法，需调节激光头与竖直方向的角度，并固定在待连接区域上。
三.调节增材工艺参数，设置激光功率,离焦量，激光光斑直径，粉末直径，送粉速率，保护气体气流量，保护气体为氮气。
四.通过计算机运行步骤三调节的工艺参数，预送气，由计算机控制激光头按预设的轨迹共同运动。
五.采用水冷装置按预设轨迹对连接处进行喷水冷却，同时温度检测装置检测连接处温度低于1188℃时停止冷却。
六.在高度方向上抬高一个层高，按照步骤四进行下一层的沉积，然后按照步骤五冷却，逐层沉积实现高氮钢的连接。
七：重复步骤六直至完成连接过程，激光头停止出光，保护气停止送气，关闭激光器。即完成厚板高氮钢连接。
步骤一中，坡口加工，连接处坡口加工成V型坡口，V型坡口角度为30°左右，相较于电弧焊接过程小很多。钝边留3-5mm，随着激光功率的增大，钝边更大。
本发明一较佳实施方式中，激光头与待连接位置竖直面的夹角为0°-15°，采用同轴送粉，需安装同轴激光沉积喷头，送粉喷嘴距离激光焦平面距离为5-20mm。
本发明一较佳实施方式中，采用三通管使得气体更加均匀。同轴保护气喷嘴，所用保护气体99.99％氮气保护气，送粉气体采用99.99％的氩气保护气体。
本发明一较佳实施方式中，送粉材料采用高氮钢粉末代替焊丝进行连接。粉末成分易调，实现连接处出现不同性能，可加一些Ti，Nb等元素，有限和N和C形成化合物，避免形成CrN，Cr2N和M23C6等化合物，保证高氮钢的耐腐蚀性以及力学性能。
本发明一较佳实施方式中，通过调节激光功率、离焦量实现最佳熔池存在时间；激光功率调节范围为0W-10000W，离焦量调节范围为-10mm-+10mm,激光直径1mm-6mm，送粉速率2g/min-20g/min，保护气流量15L/min-30L/min。
本发明一较佳实施方式中，加入水冷系统，在层间进行冷却。氮是析出型气孔，激光沉积过程熔池冷却速度快，加以水冷系统快速冷却，调节控制高氮钢的凝固模式，减少氮的逸出。
本发明是一种基于激光沉积的厚板高氮钢的连接方法，利用高能束激光作为热源，采用高氮钢粉末代替传统焊丝作为填充材料，通过逐层堆积的方式连接厚板高氮钢。
本发明所具有的优点
1.本发明的激光沉积连接方法，厚板开坡口角度较小，一般为30°左右。而在电弧焊接过程，需要考虑焊接可达性问题，因此厚板坡口角度较大，严重降低了焊接效率；
2.本发明的激光沉积连接方法，在激光沉积连接过程，钝边设置在3-5mm之间，随着激光功率的增大，钝边可以更大；而对于电弧焊，由于热源没有激光热源集中，钝边一般在3mm以下；
3.本发明的激光沉积连接方法，粉末成分易调，实现连接处出现不同性能，可加一些Ti，Nb等元素，有限和N和C形成化合物，避免形成CrN，Cr2N和M23C6等化合物，保证耐腐蚀性以及力学性能。同时大大提高材料的利用率，降低成本，实现近净成形；
4.本发明的激光沉积连接方法，电弧送丝焊接方法相比，送粉的精度高，每一层层高较小，激光沉积熔池体积较小，有利于氮气孔的逸出，明显降低焊缝氮气孔缺陷；
5.本发明的激光沉积连接方法，加入水冷系统，在层间进行冷却。氮是析出型气孔，激光沉积过程熔池冷却速度快，加以水冷系统快速冷却，调节控制高氮钢的凝固模式，减少氮的逸出。
附图说明
图1为基于激光沉积连接的示意图。
图2为激光沉积连接高氮钢的金相与激光电弧复合焊接高氮钢的金相图比对图。
图3为激光沉积连接高氮钢的金相图。
1.激光器、2.保护气瓶、3.焊接机器人、4.激光沉积喷粉头、5.激光头、6.滑轨一、7.滑轨二、8.支架、9.洒水瓶、10.红外测温枪、11.高氮钢板材。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明
一种基于激光沉积的高氮钢连接方法，按照以下步骤进行的
一.将清理厚板高氮钢表面，除去表面杂物以及氧化物，在待连接处部位进行坡口加工，角度为30°并设置钝边为5mm。
二.在采用同轴送粉的基于激光沉积的连接方法，激光头与待连接位置竖直面的夹角为0°-15°，送粉喷嘴距离激光焦平面距离为5-20mm，并固定在待连接区域上。
三.调节工艺参数，激光功率调节范围为0W-10000W，离焦量调节范围为-10mm-+10mm，激光直径1mm-6mm，送粉速率2g/min-20g/min，保护气流量15L/min-30L/min。保护气体成分为氮气保护气体。
四.通过计算机系统运行步骤三调节的增材工艺参数，预送气，由计算机控制激光头和送粉头的按预设的轨迹共同运动。
五.采用水冷装置按预设轨迹对连接处进行喷水冷却，同时温度检测装置检测连接处温度低于1188℃时停止冷却。
六.在高度方向上抬高一个层高，按照步骤四进行下一层的沉积，然后按照步骤五冷却，逐层沉积实现高氮钢的连接。
七.重复步骤六直至完成连接过程，激光头停止出光，保护气停止送气，关闭激光器。即完成激光沉积的厚板高氮钢连接。
本实施例对厚板高氮钢连接区域及母材采用HVS－1000Z自动转塔数显显微硬度计进行硬度测试，结果显示连接区域平均硬度在310HV，母材平均硬度在302HV。说明采用实施例一的方法可以获得连接处良好的力学性能。
激光沉积连接高氮钢的连接处与激光电弧复合焊接高氮钢焊缝对比金相图如图2所示。
从图2激光沉积连接高氮钢的金相图中不难看出，连接区是通过粉末逐层沉积而成，连接区的横截面没有发现气孔，氮化物以及裂纹的产生。而激光电弧复合焊接高氮钢的金相图，可以看到明显的气孔存在，对比说明采用实施例一的方法可以显著的提升连接区域的性能和质量。
从图3激光沉积连接高氮钢的金相图中可以观察到连接处的微观组织，是由奥氏体等轴晶以及枝晶间铁素体所组成，且排列紧密，空间距离小。说明采用实施例一的方法可以得到优良的微观组织。
Claims (7)
1.一种基于激光沉积的厚板高氮钢的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：清理厚板高氮钢表面，除去表面杂物以及氧化物，在待连接处部位进行坡口加工并设置钝边；
步骤二：在采用旁轴送粉的基于激光沉积的连接方法，需调节激光头和送粉工作头与竖直方向的角度，并固定在待连接区域上；
步骤三：调节增材工艺参数，设置激光功率,离焦量，激光光斑直径，粉末直径，送粉速率，保护气体气流量；
步骤四：通过计算机系统运行步骤三调节的工艺参数，预送气，由计算机控制激光头和送粉头的按预设的轨迹共同运动；
步骤五：采用水冷装置按预设轨迹对连接处进行喷水冷却，同时温度检测装置检测连接处温度低于1188℃时停止冷却；
步骤六：在高度方向上抬高一个层高，按照步骤四进行下一层的沉积，然后按照步骤五冷却，逐层沉积实现高氮钢的连接；
步骤七：重复步骤六直至完成连接过程，激光头停止出光，保护气停止送气，关闭激光器，即完成激光沉积的厚板高氮钢连接方法。
2.根据权利要求1所述的基于激光沉积的厚板高氮钢连接方法，其特征在于，步骤一，坡口加工，连接处坡口加工成V型坡口，V型坡口角度为30°，相较于电弧焊接过程小很多；钝边留3-5mm。
3.根据权利要求1所述的基于激光沉积的厚板高氮钢连接方法，其特征在于，激光头与待连接位置竖直面的夹角为0°-15°，采用同轴送粉，安装同轴激光沉积喷头，送粉喷嘴距离激光焦平面距离为5-20mm。
4.根据权利要求1所述的基于激光沉积的厚板高氮钢连接方法，其特征在于，保护气体为99.99％氮气保护气，送粉气体采用99.99％的氩气保护气体。
5.根据权利要求1所述的基于激光沉积的厚板高氮钢连接方法，其特征在于，送粉材料采用高氮钢粉末。
6.根据权利要求1所述的基于激光沉积的厚板高氮钢连接方法，其特征在于，通过调节激光功率、离焦量实现最佳熔池存在时间；激光功率调节范围为0W-10000W，离焦量调节范围为-10mm-+10mm,激光直径1mm-6mm，送粉速率2g/min-20g/min，保护气流量15L/min-30L/min。
7.根据权利要求1所述的基于激光沉积的厚板高氮钢连接方法，其特征在于，利用水冷系统，在层间进行冷却，调节控制高氮钢的凝固模式。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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