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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Laserbogen-Hybridschweißtechnologie für niedrig legierten Stahl auf den technischen Gebieten der Metallurgie, Maschinerie, Schiffen, Kraftfahrzeugen, Rohrleitungen, Petrochemie, Schiffsausrüstung, Druckgefäßen, Militärindustrie, etc., die in das technische Gebiet des Materialschweißens (Verbindung) fallen.
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HINTERGRUND
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Der niedrig legierte Stahl besitzt die Eigenschaften einer hohen Festigkeit, hoher Zähigkeit und guter allgemeiner Eigenschaften und wird in den industriellen Bereichen weitverbreitet eingesetzt. Wie allgemein bekannt ist, hängt die weit verbreitete Anwendung eines beliebigen Materials mit Metallstruktur nicht nur von seinen eigenen Leistungseigenschaften ab, sondern auch vom Fortschritt der Schweiß- bzw. Verbindungstechnologie.
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Bei dem Laserbogen-Hybridschweißen handelt es sich um eine neue Schweißtechnologie mit hoher Qualität und hoher Effizienz; sie nutzt die Eigenschaften eines Lasers und eines Bogens, um eine hybride Schweißwärmequelle zu bilden, und besitzt die Vorteile einer hohen Energiedichte, geringen Wärmeeintrags, großer Schmelztiefe, hoher Schweißgeschwindigkeit, kleiner Deformation und hoher Montagespaltanwendbarkeit, um die Verbesserung der Schweißqualität, Produktionseffizienz und Produktqualität zu erleichtern; und ist besonders ausgezeichnet beim Schmelzen von Platten mit mittlerer und hoher Dicke. Deshalb besitzt basierend auf den Laserbogen-Verbindungseigenschaften und der Einflussregel der Laserbogen-Hybridschweißparameter das Entwickeln eines Laserbogen-Hybridschweißverfahrens für niedrig legierten Stahl einen wichtigen praktischen Wert und eine breite Anwendungsperspektive in den Bereichen der Metallurgie, Maschinerie, Schiffen, Kraftfahrzeugen, Rohrleitungen, Petrochemie, Schiffsausrüstung, Druckgefäßen, Militärindustrie, etc.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Laserbogen-Hybridschweißverfahrens für niedrig legierten Stahl, welches die bei dem Schweißen von niedrig legiertem Stahl durch herkömmliche Schweißverfahren bestehenden Probleme versucht zu lösen, und führt eine systematische Untersuchung für die Einflussregel durch die Laserbogen-Hybridschweißparameter auf den Schweißwärmeeintrag, Schmelztiefe und Schmelzbreite, Schweißdefekte, Schweißpunktbildung, Gefüge und mechanischen Eigenschaften der Naht, etc. basierend auf den Eigenschaften des Laserbogen-Verbindungseffekts durch, und optimiert auf dieser Grundlage der Eigenschaften Schweißparameter und die Schweißrillengröße der Schweißnaht von jeder Schicht (Lage) einer Mehrlagenschweißung durch eine orthogonales Bauartprüfung: Das Optimierungsziel einer Schweißnaht der ersten Lage liegt in der Erhöhung der Schmelztiefe, der Vermeidung von Schweißdefekten wie unzweckmäßiger Durchdringung, Luftporen und dergleichen, und der Verbesserung der Struktur, Eigenschaft und Rückseitenbildung der Schweißnaht; das Optimierungsziel der nachfolgenden Schweißnähte der Mehrlagenschweißung liegt in der Erhöhung der Schweißausbringungsmenge, der Vermeidung von Schweißdefekten wie einer unvollständigen Aufschmelzung, Hinterschneidungen, etc., und der Verbesserung der Struktur, Eigenschaft und Oberflächenbildung der Schweißnaht; und das Optimierungsziel der Schweißrillengröße liegt in der Verbesserung der Schweißqualität und der Schweißproduktionseffizienz durch Optimierung einer abgestumpften Kantenhöhe und eines Rillenwinkels und der Verringerung der Anzahl von Schichten (Lagen), der Schweißausbringungsmenge und des Wärmeeintrags.
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Die obigen Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende technische Lösung erzielt:
- Ein Laserbogen-Hybridschweißverfahren für einen niedriger legierten Stahl, ist dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- Rillenbearbeitung: Bilden einer Verbindung eines niedrig legierten Stahls in der Form einer Stumpfnaht mit Y-förmiger Rille, mit einem Rillenwinkel von θ = 28 - 32°, und einer abgestumpften Kantenhöhe von h = 5 - 8 mm; wobei die Schweißqualität und die Schweißproduktionseffizienz durch Erhöhen der abgestumpften Kantenhöhe und Verringern des Rillenwinkels, und Verringern der Anzahl von Schichten (Lagen), Schweißausbringungsmenge und Wärmeeintrag verbessert werden kann;
- Schweißverfahren: Anwenden eines Laserbogen-Hybrid-Mehrlagen-Schweißverfahrens mit einem abgestumpften Kantenspalt von a ≤ 1,0 mm, einer Laserleistung von 0 - 6 kW, einer Unschärfemenge von (-1) - (-3 mm), einem Laserbogenabstand von 1 - 3 mm, einem Schweißstrom von 230 - 290 A, und einer Schweißgeschwindigkeit von 0,4 - 1,2 m/min; und
- Anwenden von Argon-Gas Ar oder von einem Aktivgas (85 - 80 % Ar + 15 - 20 % CO2), um einen Schweißbereich während des Laserbogen-Hybridschweißens zu schützen, um die nachteiligen Wirkungen von H, O, N und dergleichen auf die Struktur und die Eigenschaft der Schweißnaht zu verhindern, und die Bildung der Schweißnaht und die Schweißqualität zu verbessern.
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Die vorliegende Erfindung weist hauptsächlich die folgenden Vorteile auf:
- (1) Verglichen mit den herkömmlichen Schweißverfahren (Tauchbogenschweißen, gasabgeschirmtes Bogenschweißen, etc.) besitzt die Laserbogen-Hybridschweißtechnologie für niedriglegierten Stahl der vorliegenden Erfindung die Vorteile des geringen Wärmeeintrags, großer Schmelztiefe, kleiner Deformation, hoher Schweißgeschwindigkeit, etc.; und sie verringert die Schweißnahtfläche, die Breite der von Hitze bzw. Wärme beeinträchtigten Zone und die Emission von schädlichen Gasen und Rauchstaub, um die Schweißqualität zu verbessern, die Schweißeffizienz zu verbessern, die Produktionskosten zu verringern, die Produktqualität zu verbessern, und die Umweltverschmutzung zu lindern.
- (2) das Schweißen einer Platte aus niedrig legiertem Stahl mit einer Dicke von 16 mm wird als Beispiel verwendet: vier Schichten (Lagen) von Schweißnähten werden normalerweise für ein herkömmliches, Gas-abgeschirmtes Bogenschweißverfahren benötigt, während nur drei Schichten (Lagen) von Schweißnähten für die Laserbogen-Hybridschweißtechnologie benötigt werden. Verglichen mit dem herkömmlichen Gas-abgeschirmten Bogenschweißen wird der Wärmeeintrag des Laserbogen-Hybridschweißens um 30 % verringert, was für die Verringerung von Eigenspannung, Schweißdeformationen und der Neigung zur Bildung von Rissen vorteilhaft ist, um dadurch die Schweißqualität zu verbessern; die Schweißnahtfläche wird um 60 % verringert, und die Anzahl der Schweißnahtschichten (Lagen) wird auf drei Schichten (Lagen) verringert, so dass die Schweißausbringungsmenge, Polierarbeitsaufwand, und die Emission von schädlichen Gasen und Rauchstaub deutlich verringert werden, um die Schweißkosten zu verringern und die Umweltverschmutzung zu mildern; die Schweißnahtfläche und die von Wärme beeinträchtigte Zonenbreite werden um 60 % bzw. 50 % verringert, was für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Naht vorteilhaft ist; und die Schweißgeschwindigkeit wird um 80 % verringert und die Anzahl der Schweißschichten (Lagen) wird verringert, um die Schweißproduktionseffizienz deutlich zu verbessern.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden der spezifische Inhalt und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich anhand von Beispielen beschrieben.
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Beispiel 1
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde eingesetzt, um ein Laserbogen-Hybridschweißen für eine niedrig legierte Stahlplatte durchzuführen, und die Stahlplatte hatte eine Dicke von 10 mm. Die Naht war in der Form einer Stumpfverbindung mit Y-förmiger Rille, mit einem Rillenwinkel von θ = 32°, und einer abgestumpften Kantenhöhe von h = 5 mm; ein H10MnSiCuNi II Schweißdraht (Φ 1,2 mm) und ein Zweischicht-Zweilagen-Schweißprozess wurde für das Laserbogen-Hybridschweißen angewendet; eine Schweißnaht der ersten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: eine Laserleistung von 5 kW, ein Schweißstrom von 230 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 1,2 m/min; eine Schweißnaht der zweiten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: eine Laserleistung von 2 kW, ein Schweißstrom von 230 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 0,7 m/min; und ein Schutzgas aus 80 % Ar + 20 % CO2 mit einer Gasströmung von 20 L/min wurde während des Schweißens angewendet. Die Schweißnaht wurde durch das Laserbogen-Hybridschweißen gut gebildet und war frei von Schweißdefekten wie Rissen, Luftporen, Hinterschneidungen, ungeeignetem Durchdringen, unvollständiger Fusion und dergleichen; die Naht hatte eine durchschnittliche Zugfestigkeit, Fließgrenze, Dehnung und Kerbschlagarbeit von 558,6 MPa, 409,16 MPa, 22,8 % bzw. 70 J (- 20 °C); und die Naht hatte keine Risse an der Oberfläche, nachdem sie um 180° gebogen wurde, und der Zugbruch der Naht trat in der Grundmetallzone auf. Die mechanische Eigenschaft der Laserbogen-Hybridschweißnaht war höher als der untere Grenzwert der mechanischen Eigenschaft eines Stahlgrundmaterials, um die Anforderungen für die Wartungstauglichkeit zu erfüllen.
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Beispiel 2
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde eingesetzt, um ein Laserbogen-Hybridschweißen für eine niedrig legierte Stahlplatte durchzuführen, und die Stahlplatte hatte eine Dicke von 12 mm. Die Naht war in der Form einer Stumpfverbindung mit Y-förmiger Rille, mit einem Rillenwinkel von θ = 30°, und einer abgestumpften Kantenhöhe von h = 6 mm; ein NICU1-IG-Schweißdraht (Φ 1,2 mm) und ein Zweischicht-Zweilagen-Schweißprozess wurde für das Laserbogen-Hybridschweißen angewendet; eine Schweißnaht der ersten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: Laserleistung von 6 kW, ein Schweißstrom von 230 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 1,2 m/min; eine Schweißnaht der zweiten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: eine Laserleistung von 2 kW, ein Schweißstrom von 240 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 0,6 m/min; und ein Schutzgas aus Argon-Gas mit einer Gasströmung von 16 L/min wurde während des Schweißens angewendet. Die Schweißnaht wurde durch das Laserbogen-Hybridschweißen gut gebildet und war frei von Schweißdefekten wie Rissen, Luftporen, Hinterschneidungen, ungeeignetem Durchdringen, unvollständiger Fusion und dergleichen; die Naht hatte eine durchschnittliche Zugfestigkeit, Fließgrenze, Dehnung und Kerbschlagarbeit von 540,0 MPa, 389,1 MPa, 23,5 % bzw. 78 J (- 20 °C); und die Naht hatte keine Risse an der Oberfläche, nachdem sie um 180° gebogen wurde, und der Zugbruch der Naht trat in der Grundmetallzone auf. Die mechanische Festigkeit der Laserbogen-Hybridschweißnaht war höher als der untere Grenzwert der mechanischen Eigenschaft eines Stahlgrundmaterials, um die Anforderungen für die Gebrauchstauglichkeit zu erfüllen.
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Beispiel 3
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde eingesetzt, um ein Laserbogen-Hybridschweißen für eine niedrig legierte Stahlplatte durchzuführen, und die Stahlplatte hatte eine Dicke von 16 mm. Die Naht war in der Form einer Stumpfverbindung mit Y-förmiger Rille, mit einem Rillenwinkel von θ = 30°, und einer abgestumpften Kantenhöhe von h = 7 mm; ein H10MnSiCuNiII-Schweißdraht (Φ 1,2 mm) und ein Dreischicht-Dreilagen-Mehrlagenschweißprozess wurde für das Laserbogen-Hybridschweißen angewendet; eine Schweißnaht der ersten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: Laserleistung von 6 kW, ein Schweißstrom von 240 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 1,2 m/min; eine Schweißnaht der zweiten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: eine Laserleistung von 2 kW, ein Schweißstrom von 270 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 0,4 m/min; eine Schweißnaht der dritten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: eine Laserleistung von 2 kW, ein Schweißstrom von 290 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 0,4 m/min; und ein Schutzgas aus 85 % Ar + 15 % CO2 mit einer Gasströmung von 18 L/min wurde während des Schweißens angewendet. Die Schweißnaht wurde durch das Laserbogen-Hybridschweißen gut gebildet und war frei von Schweißdefekten wie Rissen, Luftporen, Hinterschneidungen, ungeeignetes Durchdringen, unvollständiger Fusion und dergleichen; die Naht hatte eine durchschnittliche Zugfestigkeit, Fließgrenze, Dehnung und Kerbschlagarbeit von 515,6 MPa, 382,9 MPa, 21,4 % bzw. 56,3 J (- 20 °C); und die Naht hatte keine Risse an der Oberfläche, nachdem sie um 180° gebogen wurde, und der Zugbruch der Naht trat in der Grundmetallzone auf. Die mechanische Eigenschaft der Laserbogen-Hybridschweißnaht war höher als der untere Grenzwert der mechanischen Eigenschaft eines Stahlgrundmaterials, um die Anforderungen für die Gebrauchstauglichkeit zu erfüllen.
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Beispiel 4
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde eingesetzt, um ein Laserbogen-Hybridschweißen für eine niedrig legierte Stahlplatte durchzuführen, und die Stahlplatte hatte eine Dicke von 20 mm. Die Naht war in der Form einer Stumpfverbindung mit Y-förmiger Rille, mit einem Rillenwinkel von θ = 28°, und einer abgestumpften Kantenhöhe von h = 8 mm; ein 1-IG-Schweißdraht (Φ 1,2 mm) und ein Vierschicht-Vierlagen-Mehrlagenschweißprozess wurde für das Laserbogen-Hybridschweißen angewendet; eine Schweißnaht der ersten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: Laserleistung von 6 kW, ein Schweißstrom von 240 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 1,0 m/min; eine Schweißnaht der zweiten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: eine Laserleistung von 2 kW, ein Schweißstrom von 270 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 0,6 m/min; eine Schweißnaht der dritten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: eine Laserleistung von 2 kW, ein Schweißstrom von 290 A, und eine Schweißgeschwindigkeit von 0,4 m/min; eine Schweißnaht der vierten Lage wurde unter den folgenden Schweißparametern gebildet: ein Schweißstrom von 270 A und eine Schweißgeschwindigkeit von 0,4 m/min; und ein Schutzgas aus Argon-Gas (Ar) mit einer Gasströmung von 20 L/min wurde während des Schweißens angewendet. Die Schweißnaht wurde durch das Laserbogen-Hybridschweißen gut gebildet und war frei von Schweißdefekten wie Rissen, Luftporen, Hinterschneidungen, ungeeignetes Durchdringen, unvollständiger Fusion und dergleichen; die Naht hatte eine durchschnittliche Zugfestigkeit, Fließgrenze, Dehnung und Kerbschlagarbeit von 498,8 MPa, 379,9 MPa, 20,4 % bzw. 65,2 J (- 20 °C); und die Naht hatte keine Risse an der Oberfläche, nachdem sie um 180° gebogen wurde, und der Zugbruch der Naht trat in der Grundmetallzone auf. Die mechanische Eigenschaft der Laserbogen-Hybridschweißnaht war höher als der untere Grenzwert der mechanischen Eigenschaft eines Stahlgrundmaterials, um die Anforderungen für die Gebrauchstauglichkeit zu erfüllen.