CN116275520A - 一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，通过采用环形光斑激光增大激光热输入范围，以改善其能量过分集中所产生的缺陷，环形光斑激光的使用虽然减小了焊缝熔深，但改善了热源分布，使母材更多的熔入焊缝获得合适的深宽比，从而使焊缝组织成形均匀，起到控制根部突起、抑制焊缝根部驼峰现象，以提高焊缝质量。辅助磁场提高了激光利用率并细化了组织，本发明用于抗拉强度>1750MPa超高强钢板的焊接。对激光焊接工艺加以改善。通过引入横向磁场减弱了光致等离子体的喷发周期和强度，不仅提高了激光束的能量利用率，也明显降低了激光的波动，增加焊接过程稳定性，在保证焊缝强度的基础上减少了焊接飞溅、改善焊缝成型。

Description

一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体的说是一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法。

背景技术

现有的激光焊接高强钢存在的焊缝深宽比过大、母材熔合少和焊接飞溅过大从而造成的裂纹及咬边等缺陷等问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，通过在焊缝横向放置两可调磁感应线圈使得焊丝熔滴过渡变得可调，从而使焊缝组织成形均匀，起到控制根部突起、抑制焊缝根部驼峰现象，以提高焊缝质量。此外，辅助磁场提高了激光利用率并细化了组织。本发明用于抗拉强度>1750MPa超高强钢板的焊接。对激光焊接工艺加以改善。通过采用环形光斑激光增大激光热输入范围，以改善其能量过分集中所产生的缺陷。环形光斑激光的使用虽然减小了焊缝熔深，但改善了热源分布，使母材更多的熔入焊缝获得合适的深宽比。通过引入横向磁场减弱了光致等离子体的喷发周期和强度，不仅提高了激光束的能量利用率，也明显降低了激光的波动，增加焊接过程稳定性，在保证焊缝强度的基础上减少了焊接飞溅、改善焊缝成型。

本发明技术方案如下，一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，包括以下步骤：

S1将两块钢板开坡口，清洗、打磨和预热处理。

S2将S1钢板对齐，两端点焊固定；激光焊接头设置在垂直于钢板间隙上方，焊丝后置，焊丝与激光头相对位置固定，焊道两侧设有套接感应线圈的铁芯，铁芯跟随激光焊接头纵向移动。

S3激光焊接头功率为3.0～5.0kw，激光入射角垂直于焊缝，焊接速度为300～500mm/min，离焦量-2mm～+2mm，激光束功率输出稳定性<2％；焊丝送丝速度为100～200cm/min，焊丝端部位于环形光斑圆心处，焊丝直径为1.0～1.6mm，焊丝端部距钢板上表面距离1～1.5mm，保护气体流量为15～20L/min。

S4启动设备，完成焊接；待焊缝自然冷却，清理。

进一步的，步骤S2铁芯缠绕励磁线圈缠绕匝数为150～200圈，磁场励磁电流频率1000～5000Hz，大小为2～5A，两个铁芯相对面的距离为20～30mm。

进一步的，步骤S2中，钢板间隙为0.7～1.2mm，点焊方式为手工TIG焊。

进一步的，步骤S2中，感应线圈与钢板表面距离30～40mm，感应线圈与激光头处于同一水平面上。

进一步的，步骤S2中，感应线圈的感应磁场为横向磁场，方向垂直于激光轴线且平行于焊缝方向。

进一步的，步骤S2中，感应线圈由导磁杆连接，空间位置能够调整。

进一步的，步骤S3中，环形光斑外径3～4mm，内径0.5～1.5mm，光斑圆心对准钢板间隙。

进一步的，步骤S1中，一块钢板的抗拉强度为700-1000MPa另一块钢板的抗拉强度为1500-2000MPa；焊丝种类为奥氏体高强钢焊丝。

进一步的，步骤S1中，坡口为I型坡口，对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理使之露出金属外表，并清除待焊区50mm范围内铁锈、油污等，预热温度为20～80°。

进一步的，步骤S3中，保护气体为惰性气体或氮气。

进一步的，步骤S4中，清理包括清除板件表面飞溅和药皮。

本发明的有益效果为：

本发明相比于电弧焊，焊接速度快、功效高、焊缝熔深大，产生的残余应力和变形更小。另外激光焊为无接触式加工，不存在工具损耗和工具调换的问题，一定程度上控制了生产成本。其次，加热范围可控，焊接过程易于控制，焊接工件平整、光滑、美观，省去了焊后热处理阶段，节省了时间和成本。

本发明相比于激光及激光-复合焊接，同样具有热输入量化可控、效率高等优点。虽然本方法采用环形光斑激光产生了更大的焊缝熔宽，增大了热影响区范围，但得到了更合适深宽比的焊缝，母材与焊缝熔合良好。另外，感应线圈产生的横向磁场极大地降低了光致等离子体喷发周期和强度，改善了熔滴与熔池的运动状态，在焊接过程中起到的具体作用包括：改善激光波动并提高了能量利用效率；洛伦兹力改变熔滴受力状态，优化过渡形状；在熔池中产生感应电流，改善其流动稳定性，进而影响焊缝组织。

本发明为实现抗拉强度≥1750MPa超高强异种钢板的连接，相比于传统熔焊(mag焊)接头抗拉强度和硬度均有提高，在经历淬火、低温回火和保温热处理后焊缝抗拉强度最高可达到1400MPa～1500MPa，硬度最高可达到500～530HV。

附图说明

图1为本发明焊接示意图。

图2为本发明横向磁场偏转下熔池受力原理示意图。

图3为本发明焊缝区金相组织微观结构示意图。

图中：

1-NP550超高强钢；2-焊接及感应线圈移动方向；3-激光焊接头；4-铁芯；5-焊丝及送丝嘴；6-环形光斑；7-钢板工装间隙；8-6211装甲钢；9-感应线圈；F-洛仑兹力方向；B-感应磁场强度方向。

具体实施方式

需要说明的是，在本发明的描述中术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；连接可以是机械连接，也可以是电连接；相连可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种磁场辅助-环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，详细技术方案如下：

步骤一、将所焊钢板待焊区进行清洗、打磨和预热处理。

步骤二、将步骤一经处理后的超高强钢板采用焊接夹具夹紧，两端点焊固定；激光焊接头设置在垂直于板间隙上方，感应线圈放置在熔池两侧并跟随激光焊接头纵向移动，填充焊丝后置。

步骤三、设定环形激光束参数：控制激光功率为3.0～5.0kw，激光入射角垂直于焊缝，焊接速度300～500mm/min，离焦量-2mm～+2mm之间，激光束功率输出稳定性<2％；后置填充焊丝送丝速度100～200cm/min，填充焊丝直径1.0～1.6mm，焊丝高度1～1.5mm，且焊丝端部位于环形光斑圆心处，保护气体为氦气，控制气体流量为15～20L/min。

设定磁感应线圈参数：铁芯处缠绕励磁线圈缠绕匝数为150～200圈，磁场励磁电流频率1000～5000Hz，大小为2～5A，控制两相对磁极件距离20～30mm。

步骤四、启动设备，完成异种钢的焊接；将步骤三形成焊缝自然冷却，并进行后序清理。

焊接两种钢板型号为NP550和6211，板厚4～6mm；焊丝种类为奥氏体高强钢焊丝。

步骤一钢板为I型坡口，对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理使之露出金属外表，并清除待焊区50mm范围内铁锈、油污等；进一步地，预热温度为20～80°。

步骤二钢板工装间隙为0.7～1.2mm，点焊方式为手工TIG焊。

步骤二所述感应线圈与钢板表面距离30～40mm，两感应线圈与激光头处于同一水平面上。

步骤三环形激光外径3～4mm，内径0.5～1.5mm，光斑圆心对准工装间隙。

步骤三产生感应磁场为横向磁场，方向垂直于激光轴线且平行于焊缝方向。

步骤三两相对感应线圈由导磁杆连接，空间位置可调。

步骤四后需清理包括清除板件表面飞溅和药皮等。

图2为横向磁场偏转下熔池受力原理示意图，其中B为感应磁场强度方向，F为洛伦兹力方向。

图3为焊缝金相微观组织，得到了组织均匀成型良好的焊缝。

本方法采用外加磁场辅助和环形光斑激光焊接超高强异种钢，针对激光焊接中存在的光致等离子体导致的激光能量输入减少、和激光热源过于集中问题，通过辅助磁场削弱等离子体干扰和环形光斑优化热源以改善焊缝成型。另外，焊接熔池在感应磁场的作用下产生感应电流，使熔池的运动状态得以改善，通过对比激光焊焊缝区组织结构，发现在外加辅助横向磁场的作用下生成的焊缝组织更为细小、致密。其次，熔池中产生的感应电流也通过减缓熔池流动速度从而减少了激光热输入在表面的扩散，达到了减小熔宽，增大熔深的目的，同时增大熔合线附近过渡区宽度，提高了焊接接头的力学性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (10)

1.一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1将两块钢板开坡口，清洗、打磨和预热处理；

S2将S1钢板对齐，两端点焊固定；激光焊接头设置在垂直于钢板间隙上方，焊丝后置，焊丝与激光头相对位置固定，焊道两侧设有缠绕感应线圈的铁芯，铁芯跟随激光焊接头纵向移动；

S3激光焊接头功率为3.0～5.0kw，激光入射角垂直于焊缝，焊接速度为300～500mm/min，离焦量-2mm～+2mm，激光束功率输出稳定性<2％；焊丝送丝速度为100～200cm/min，焊丝端部位于环形光斑圆心处，焊丝直径为1.0～1.6mm，焊丝端部距钢板上表面距离1～1.5mm，保护气体流量为15～20L/min；

S4启动设备，完成焊接；待焊缝自然冷却，清理。

2.如权利要求1所述的一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，步骤S2中，所述铁芯外感应线圈缠绕匝数为150～200圈，磁场励磁电流频率1000～5000Hz，大小为2～5A，两个铁芯相对面的距离为20～30mm。

3.如权利要求2所述的一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，步骤S2中，所述感应线圈与钢板表面距离30～40mm，感应线圈与激光头处于同一水平面上。

4.如权利要求3所述的一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，步骤S2中，所述感应线圈的感应磁场为横向磁场，方向垂直于激光轴线且平行于焊缝方向。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，步骤S2中，所述感应线圈由导磁杆连接，空间位置能够调整。

6.如权利要求5所述的一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，步骤S3中，所述环形光斑外径3～4mm，内径0.5～1.5mm，光斑圆心对准钢板间隙。

7.如权利要求5所述的一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，步骤S1中，一块钢板的抗拉强度为700-1000MPa另一块钢板的抗拉强度为1500-2000MPa；焊丝种类为奥氏体高强钢焊丝。

8.如权利要求7所述的一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，步骤S1中，坡口为I型坡口，对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理使之露出金属外表，并清除待焊区50mm范围内铁锈、油污等，预热温度为20～80°。

9.如权利要求7所述的一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，步骤S2中，钢板间隙为0.7～1.2mm，点焊方式为手工TIG焊。

10.如权利要求8所述的一种磁场辅助环形光斑激光焊接超高强异种材料的方法，其特征在于，步骤S3中，保护气体为惰性气体或氮气。

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