CN115781012A - 一种原位净化减少激光焊缝气泡的方法 - Google Patents

Abstract

一种原位净化减少激光焊缝气泡的方法。利用原位净化对钼合金的焊缝处进行杂质元素的清除，再利用稀土氧化物La₂O₃的晶界除杂以及细化晶粒作用，达到焊缝气泡的消除以及综合力学性能提升的效果。在焊接环境的高温和高负压以及马兰戈尼对流的共同作用下，焊缝熔池中的挥发性杂质会逸出，从而实现焊缝处母材的净化。稀土氧化物La₂O₃对组织具有显著的细化晶粒效果，而且对晶界氧元素具有显著的净化作用，是增强熔铸组织的理想细晶剂。稀土氧化物对钨/钼及其合金晶界净化和强化的双重效果，优化熔池的组织和力学性能。从而减少了由于钼合金母材中的挥发性杂质产生的气泡缺陷。

Description

一种原位净化减少激光焊缝气泡的方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接方法，特别涉及一种原位净化减少激光焊缝气泡的方法。

背景技术

钼合金具有熔点高，高温强度好等特点。但是钼合金在粉冶或者熔炼的过程中会不可避免地引入氧、碳、氮等气体杂质元素以及钠、钾、铁、铬、镍等熔沸点较低的金属元素。焊接时这些杂质元素对于钼合金的焊接性能十分不利，有以下三个方面的原因：一、钼的氧化物在约1200℃下就会转化为气态，在焊接及冷却的过程中若未能及时排出则很容易形成气孔留在熔池中。二、钠、钾等低熔沸点金属元素在焊接的过程中也会变成气态挥发，从而形成气孔。三、铁、铬、镍等熔沸点略高的金属元素会在焊接的过程中熔化后凝固，并由于热胀冷缩，在熔池中形成孔洞。在焊缝受力时，这些气孔处很容易形成应力集中并成为裂纹源，对焊缝的力学性能十分不利。

为了减少杂质元素的影响，保证钼合金的焊接性能，目前的主要方法是在真空或氩气环境下进行焊接从而来避免空气中的氧、碳、氮等元素的影响，但是该方法无法解决待焊样品内部杂质元素对熔池的影响。因此，兼顾母材杂质元素的净化和焊接的真空环境，来减少钼合金熔池内的气孔缺陷，是一种效果更好的焊接方法。

近年来，针对钼合金的焊接方面的缺点，业界人士对焊接工艺得到了一些改进。主要有三种手段。一是热处理工艺方面。如专利号CN201710472561.5通过焊前及焊后真空热处理降低应力和减少杂质元素的含量，通过加快冷却速率来减小晶粒大小，从而提高焊接缝的综合力学性能。二是添加合金成分方面。比如添加钛、锆等；如西安交通大学张林杰等人添加钛箔；三是改变焊接气氛方面。比如西安交通大学张林杰教授采用氮气气氛焊接。

现有的提升钼合金焊接方法存在以下方面问题：

1.使用真空或者氩气保护焊接，主要是为了避免空气中气体的影响，对于焊缝性能的提升效果有限。

2.焊前及焊后真空热处理无法有效地除去母材内部的杂质元素。

3.添加钛箔或者锆箔，对添加材料的规格尺寸与公差要求高，装配困难，需要严格控制公差及形状。

4.所添加的合金化元素的量受其在钼金属中的固溶度限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够减少熔池气孔缺陷从而改善焊缝性能的原位净化减少激光焊缝气泡的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)除去焊接面以及待焊面表面的氧化层，保证焊接材料接触面平整和光洁；

2)将待焊件装配，在真空条件下进行第一道焊接。在此过程中，通过真空激光选区熔炼、马兰戈尼效应及杂质元素与钨钼基体元素密度显著差异，实现分离净化；

3)对第一道焊缝区进行适当打磨至裸露基体本色。然后将稀土氧化物La₂O₃配成胶体溶液，并将配置好的胶体溶液均匀地原位涂覆在第一道焊接的焊缝处；

4)真空条件下，在第一次焊接的焊缝处进行第二道焊接；

5)对焊后材料进行真空热处理。

所述步骤1)是将焊接面以及待焊面的表面用酒精和无尘布进行擦洗除去表面的油污，再用角磨机打磨焊接面以及待焊面去除其表面的氧化膜，然后用洁净的不锈钢丝刷再次处理焊接面以及待焊面表面，使其光滑平整，用吹风机吹干残余酒精。

所述步骤2)中将待焊母材在装配完成后，先进行500-700℃的预热，然后进行激光焊接，焊接功率为1900-2100W，焊接速度为10-15mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.8-1.0mm，真空度为1×10^-3-1×10^-4Pa。

所述步骤3)是取La₂O₃粉末分散于水中，利用电磁搅拌器搅拌24h以上，得到质量分数为0.8-1.5％的La₂O₃胶体溶液，然后将该胶体溶液均匀原位涂覆在已经打磨处理的第一次焊缝处。

所述的La₂O₃粉末的颗粒直径小50nm。

所述步骤4)在第一次焊接的焊缝处进行第二次焊接，先进行500-700℃的预热，再进行焊接，焊接功率为1800-2000W，焊接速度为10-15mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.6-0.8mm，真空度为1×10^-3-1×10^-4Pa。

所述步骤5)的真空热处理是将焊接后的母材置于真空退火炉中，在1×10^-3-1×10^-4Pa，1300-1400℃下退火1-2h后炉冷至室温得到焊接后的产品。

本发明利用原位净化对钼合金的焊缝处进行杂质元素的清除，再利用稀土氧化物La₂O₃的晶界除杂以及细化晶粒作用，达到焊缝气泡的消除以及综合力学性能提升的效果。在焊接环境的高温和高负压以及马兰戈尼对流的共同作用下，焊缝熔池中的挥发性杂质会被强化逸出，从而实现焊缝处母材的净化。稀土氧化物La₂O₃对组织具有显著的细化晶粒效果，而且对晶界氧元素具有显著的净化作用，是增强熔铸组织的理想细晶剂。稀土氧化物对钨/钼及其合金晶界净化和强化的双重效果，优化熔池的组织和力学性能。从而减少了由于钼合金母材中的挥发性杂质产生的气泡缺陷。

具体实施方式

实施例1：

步骤1)将焊接面以及待焊面的表面用酒精和无尘布进行擦洗除去表面的油污，再用角磨机打磨焊接面以及待焊面去除其表面的氧化膜，然后用洁净的不锈钢丝刷再次处理焊接面以及待焊面表面，使其光滑平整，用吹风机吹干残余酒精；这样可以除去焊接缝处的杂质，并且有利于后面步骤的装配。

步骤2)将待焊母材在装配完成后，先在500℃的预热，去除预处理过程中产生的应力，防止激光焊过程中焊缝裂纹的出现，然后进行激光焊接，焊接功率为1900W，焊接速度为10mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.8mm，真空度为1×10^-3Pa；该过程是在真空条件下进行的第一道焊接，目的是焊接环境的高温和高负压以及马兰戈尼对流的共同作用，使焊缝熔池中的挥发性杂质会逸出，来实现焊缝处母材的净化。

步骤3)取颗粒直径小50nm的La₂O₃粉末分散于水中，利用电磁搅拌器搅拌24h以上，得到质量分数为0.8％的La₂O₃胶体溶液，然后将该胶体溶液均匀原位涂覆在第一次焊接的焊缝处；颗粒直径小50nm的La₂O₃粉末有利于La₂O₃的弥散分布，提高强化效果，同时配制成胶体溶液有利于原位涂覆工作的进行；

步骤4)在第一次焊接的焊缝处进行第二次焊接，先在500℃的预热，再进行焊接，焊接功率为1800W，焊接速度为10mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.6mm，真空度为1×10^-3Pa；该过程是在真空条件下进行的第二道焊接，目的是利用稀土氧化物La₂O₃的细化晶粒和净化晶界的作用，使熔池的组织和力学性能得到优化。

步骤5)将焊接后的母材置于真空退火炉中，在1×10^-3Pa，1300℃下退火2h后炉冷至室温得到焊接后的产品。将焊接后的材料置于真空退火炉中，消除焊接过程中形成的应力和偏析等，在调整强度，调整组织的同时还能避免与其他气体的接触。

实施例2：

步骤1)将焊接面以及待焊面的表面用酒精和无尘布进行擦洗除去表面的油污，再用角磨机打磨焊接面以及待焊面去除其表面的氧化膜，然后用洁净的不锈钢丝刷再次处理焊接面以及待焊面表面，使其光滑平整，用吹风机吹干残余酒精；

步骤2)将待焊母材在装配完成后，先在600℃的预热，然后进行激光焊接，焊接功率为2000W，焊接速度为13mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为1.0mm，真空度为1×10^{- 4}Pa；

步骤3)取颗粒直径小50nm的La₂O₃粉末分散于水中，利用电磁搅拌器搅拌24h以上，得到质量分数为1.0％的La₂O₃胶体溶液，然后将该胶体溶液均匀原位涂覆在第一次焊接的焊缝处；

步骤4)在第一次焊接的焊缝处进行第二次焊接，先在600℃的预热，再进行焊接，焊接功率为1900W，焊接速度为13mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.7mm，真空度为1×10^-4Pa；

步骤5)将焊接后的母材置于真空退火炉中，在1×10^-4Pa，1350℃下退火1.5h后炉冷至室温得到焊接后的产品。

实施例3：

步骤1)将焊接面以及待焊面的表面用酒精和无尘布进行擦洗除去表面的油污，再用角磨机打磨焊接面以及待焊面去除其表面的氧化膜，然后用洁净的不锈钢丝刷再次处理焊接面以及待焊面表面，使其光滑平整，用吹风机吹干残余酒精；

步骤2)将待焊母材在装配完成后，先在700℃的预热，然后进行激光焊接，焊接功率为2100W，焊接速度为15mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.9mm，真空度为1×10^{- 3}Pa；

步骤3)取颗粒直径小50nm的La₂O₃粉末分散于水中，利用电磁搅拌器搅拌24h以上，得到质量分数为1.5％的La₂O₃胶体溶液，然后将该胶体溶液均匀原位涂覆在第一次焊接的焊缝处；

步骤4)在第一次焊接的焊缝处进行第二次焊接，先在700℃的预热，再进行焊接，焊接功率为2000W，焊接速度为15mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.8mm，真空度为1×10^-4Pa；

步骤5)将焊接后的母材置于真空退火炉中，在1×10^-4Pa，1400℃下退火1h后炉冷至室温得到焊接后的产品。

Claims (7)

1.一种原位净化减少激光焊缝气泡的方法，其特征在于：

1)除去焊接面以及待焊面表面的氧化层，保证焊接材料接触面平整和光洁；

2)将待焊件装配，在真空条件下进行第一道焊接；

3)将稀土氧化物La₂O₃配成胶体溶液，并将配置好的胶体溶液均匀地原位涂覆在第一道焊接的焊缝处；

4)真空条件下，在第一次焊接的焊缝处进行第二道焊接；

5)对焊后材料进行真空热处理。

2.根据权利要求1所述的原位净化减少激光焊缝气泡的方法，其特征在于：所述步骤1)是将焊接面以及待焊面的表面用酒精和无尘布进行擦洗除去表面的油污，再用角磨机打磨焊接面以及待焊面去除其表面的氧化膜，然后用洁净的不锈钢丝刷再次处理焊接面以及待焊面表面，使其光滑平整，用吹风机吹干残余酒精。

3.根据权利要求1所述的原位净化减少激光焊缝气泡的方法，其特征在于：所述步骤2)中将待焊母材在装配完成后，先进行500-700℃的预热，然后进行激光焊接，焊接功率为1900-2100W，焊接速度为10-15mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.8-1.0mm，真空度为1×10^-3-1×10^-4Pa。

4.根据权利要求1所述的原位净化减少激光焊缝气泡的方法，其特征在于：所述步骤3)取La₂O₃粉末分散于水中，利用电磁搅拌器搅拌24h以上，得到质量分数为0.8-1.5％的La₂O₃胶体溶液，然后将该胶体溶液均匀原位涂覆在第一次焊接的焊缝处。

5.根据权利要求4所述的原位净化减少激光焊缝气泡的方法，其特征在于：所述的La₂O₃粉末的颗粒直径小50nm。

6.根据权利要求1所述的原位净化减少激光焊缝气泡的方法，其特征在于：所述步骤4)在第一次焊接的焊缝处进行第二次焊接，先进行500-700℃的预热，再进行焊接，焊接功率为1800-2000W，焊接速度为10-15mm/s，激光束在待焊区域上的光斑直径为0.6-0.8mm，真空度为1×10^-3-1×10^-4Pa。

7.根据权利要求1所述的原位净化减少激光焊缝气泡的方法，其特征在于：所述步骤5)的真空热处理是将焊接后的母材置于真空退火炉中，在1×10^-3-1×10^-4Pa，1300-1400℃下退火1-2h后炉冷至室温得到焊接后的产品。