[發明專利]低合金高強鋼激光復合焊縫硬度控制方法

無效

• 申請號: 200810042792.3
• 申請日: 2008-09-11
• 公開（公告）號: CN101362255A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 蔡艷;倪加明;倪慧峰;俞海良;張悅;黃海谷
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;江南造船(集團)有限責任公司
• 主分類號: B23K28/02
• 分類號: B23K28/02
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及一種焊接工程技術領域的方法，具體是一種低合金高強鋼激光復合焊縫硬度控制方法。

背景技術

激光焊是一種具備能量密度高、穿透能力強、熱輸入量小等特征的焊接方法，已廣泛用于金屬材料和非金屬材料的連接。但是由于材料本身及其材料表面狀態對激光的吸收能力差異，導致激光傳遞給焊接工件的能量轉換效率較低，特別對于CO₂氣體激光，其波長為10.6微米，照射金屬材料時的反射系數較高，通常只有小部分輸出激光功率能被材料吸收，作為熔化金屬的能量。另一方面，激光束斑直徑小，對連接坡口間隙敏感性大，通常要求連接間隙控制在0～0.2毫米，這給工業化生產帶來很大的材料預制困難。在焊接較大厚度工件時單純用激光束焊接，焊縫成形往往會產生不規則和咬邊，當接頭縫隙較大時甚至會造成根本無法形成焊縫。將激光與熔化極電弧復合作為熱源進行焊接的方法可以有效提高焊縫橋接能力(可達到1.0毫米)，同時熔化極電弧對工件的預熱增加了工件對激光的吸收能力，激光與熔化極電弧復合焊接方法的焊接速度通常是普通熔化極電弧焊方法的4～5倍，其良好的生產效率得到越來越多的關注。但是激光與熔化極電弧焊復合焊接方法的焊縫冷卻速度也隨焊接速度的提高而提高，焊縫區的加熱速度以及冷卻速度比普通弧焊要快很多，使得接頭組織的淬硬傾向增大，對于低合金高強鋼而言，焊縫熔合區的組織大多為馬氏體，晶粒結構主要是柱狀枝晶，其生長方向垂直于焊縫熔合線，即與沿熱量傳遞方向相反，兩邊柱狀枝晶在熔合區中心線連接在一起，組織為細小的馬氏體。接頭組織的顯微硬度基本上以焊縫中心線為軸兩邊對稱分布，進入熱影響區之后硬度逐漸上升，熱影響區中越接近焊縫處硬度就越高，焊縫熔合區的顯微硬度可達到母材的1.5～2倍，對接頭機械性能有顯著的不良影響。

經對現有技術文獻的檢索發現，目前的文獻只涉及激光與單一電弧進行復合的技術，高明等在《熱加工工藝》2006年第35卷第15期28～32頁在題為《激光-MIG復合焊接參數的優化與選擇》的論文中描述了一種激光與熔化極電弧旁軸復合焊接的方法，將熔化極電弧安置在激光束前方，焊絲末端位置與激光焦點均位于焊接軸線上，兩者的相對位置沿焊接方向可調，使熔化極焊絲對準激光束產生的小孔，激光束產生的小孔不斷由熔化極焊絲受熔化極電弧和其它熱量共同作用熔化而填充，并在工件上方形成蓋面焊道，而熔化極電弧同時將超過激光束照射區域的金屬熔化成液態金屬，從而使激光束能量傳遞給工件的效率大為提高，這種激光-MIG復合焊技術的缺點在于工件上方蓋面焊道的成形控制取決于熔化極電弧參數與相對激光束軸線角度，這種調節范圍較窄。當布置于激光束前方的熔化極電弧產生熔化金屬往往受激光束小孔收縮封閉力排開，造成焊接成形不規則。同時激光束小孔內生成氣體不受熔化極電弧熔化焊絲金屬的疊加重力，有可能造成氣體不易逸出而產生氣孔。

經檢索還發現，2004年華中科技大學倪宇在其碩士學位論文《激光電弧復合焊接及激光焊接超低碳鋼的焊縫磁性能研究》中描述了一種激光與非熔化極電弧復合焊，非熔化極電弧體置在沿焊接方向的激光束前方，由非熔化極電弧對工件進行預熱，激光束隨后照射在熔池上，提高了激光束能量傳遞效率，由于非熔化極電弧不能提供附加的填充金屬，在焊較大厚度金屬材料時往往工件上方焊縫成形缺陷很難避免，完全取決于激光束的焊接工藝參數，其作用只局限于提高激光能量轉換效率，缺乏改善焊縫成形的能力。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供了一種低合金高強鋼激光復合焊縫硬度控制方法，使其既能保證激光與熔化極電弧復合焊的生產效率和橋接能力，同時非熔化極電弧又可改善焊縫的冷卻速度，減少熔合區的馬氏體組織，降低接頭的顯微硬度。

本發明是通過如下技術方案實現的，本發明中，將熔化極電弧熱源、激光熱源、非熔化極電弧熱源按作用于工件的先后順序沿焊接方向排放在一條直線上，熔化極電弧沿焊接方向置于激光焦點之前，通過控制熔化極電弧與激光焦點的距離，使激光的光致等離子體與熔化極電弧等離子體保持交互作用，共同形成一個熔池，熔池在熔化極電弧籠罩區域淺，而在光致等離子體區域深；非熔化極電弧沿焊接方向置于激光焦點之后，控制非熔化極電弧與激光焦點的距離，使光致等離子體與非熔化極電弧等離子無顯著交互作用，同時非熔化極電弧在光致等離子體的協助下維持穩定燃燒。

所述非熔化極電弧熱源為鎢極電弧。

所述非熔化極電弧與激光焦點的距離略大于熔化極電弧與激光焦點的距離，同時非熔化極電弧與激光焦點的距離又不能過大。