[發明專利]解決高氮鋼焊接氣孔和提高接頭強度的焊接裝置及其焊接方法

有效

• 申請號: 201610363272.7
• 申請日: 2016-05-28
• 公開（公告）號: CN105772944B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 劉雙宇;劉鳳德;李彥清;劉佳;張宏;石巖;陳實現;黃根哲;徐春鷹
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: B23K26/348
• 分類號: B23K26/348;B23K26/60
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務所(普通合伙)11491
• 代理人: 郭偉紅

技術領域

本發明屬于焊接技術領域，涉及一種解決高氮鋼焊接氣孔和提高接頭強度的焊接裝置及其焊接方法，特別是利用磁控和溫控復合方法解決高氮鋼激光-電弧復合焊接氣孔和提高接頭強度的焊接裝置及其焊接方法。

背景技術

高氮奧氏體不銹鋼(高氮鋼)是近年來受到廣泛關注的一種工程材料，其N含量一般超過0.4％，主要利用N元素部分或完全替代合金元素Ni，以獲得奧氏體組織。高氮鋼具有較高的強度和韌性，同時具有良好的耐腐蝕性。高氮鋼由于具有優異的性能，使其成為工業和工程領域中重要的材料，近些年來工程結構件對高氮鋼的性能提出了更高要求，因此高氮鋼中氮質量分數逐步提高，甚至達到1.0％，因此其焊接性能也受到極大關注。

比較常見的高氮鋼焊接方法主要有：高壓氮氣氛中的熔化極氣體保護焊接、大氣壓力下的非熔化極氣體保護焊接、脈沖電流焊接、(CO₂，YAG)激光焊接以及激光-電弧復合焊接等。其中，大氣壓力下的非熔化極氣體保護焊接、(CO₂，YAG)激光焊接、激光-電弧復合焊接是比較實用化的焊接方法，原因是一些中、大型構件不可避免地要在大氣或常壓保護氣體中焊接。高氮鋼熔化焊時會出現如下問題：(1)焊縫區氮的損失即氮氣孔的形成和氮的逸出；(2)焊縫區和焊接熱影響區氮化物、碳化物以及碳氮化物的析出，力學性能和抗腐蝕性能都會隨之下降；(3)焊縫凝固裂紋及熱影響區液化裂紋的形成。由于高氮鋼含有較高的氮才具有良好的性能，但是在熔焊過程中，由于高氮鋼中的氮過飽和，低壓氮氣氛中對其進行焊接時極易出現氮的釋放現象，造成焊接部分出現氣孔、裂紋以及氮化物析出等缺陷。焊接氣孔不僅破壞焊縫金屬的致密性、削弱焊縫的有效截面積，而且會減少焊件的承載面積、降低焊縫力學性能與耐腐蝕性能。焊接氣孔缺陷在構件受到載荷作用時會演變成為裂紋源，將嚴重影響構件的疲勞性能。高氮鋼焊接過程中產生氣孔的問題在很大程度上制約了其在工業中的廣泛應用。

關于高氮鋼焊接氣孔的問題，北京鋼鐵研究總院的研究人員在平板堆焊的條件下給出焊接熱輸入較小時焊縫易產生氣孔，較大的熱輸入將抑制焊縫中氣孔的產生。但是，焊接熱輸入的增加會影響焊接接頭熱影響區的性能，國內外研究者對熱影響區的韌性進行研究，結果給出高溫區域晶粒粗化和δ鐵素體總量的增多是熱影響區脆化原因；而800℃區域的脆化與析出物的析出有關。因此采用較高的熱輸入會導致熱影響區寬度、溫度和高溫區域寬度增加，使熱影響區內的晶粒粗化和δ鐵素體總量的增多，導致熱影響區韌性變差。

電磁攪拌技術(EMS)，是近年來發展和逐漸完善起來的一種新型焊接技術，1971年Tseng和Savage深入研究了TIG焊時電磁攪拌對微觀組織和性能的影響，隨后，國內外開始對外加磁場作用下的焊接技術開展了廣泛研究。關于外加高頻磁場的激光-電弧復合焊接技術方面的專利，如中國專利號為ZL201310039006.5，發明專利名稱為“外加高頻磁場的激光TIG電弧同軸復合焊接方法及裝置”公開日：2013年6月5日，公開了一種將激磁線圈加在激光-TIG同軸復合頭上，有效提高了電弧氣動壓力，電弧電流密度，使電弧熱量分布更加集中，壓縮了電弧半徑，進而提高了電弧能量密度和電弧的挺度，這些都使得在激光電弧復合焊接過程中焊接電弧的穩定程度提高，進而十分有利于激光-TIG電弧復合同軸焊接時激光與電弧的同軸復合程度。該種方案更適合窄間隙焊接。中國專利號為ZL201320198864.X，專利名稱為“外加高頻磁場的激光-TIG電弧旁軸復合焊接方法及裝置”，公開日：2013年9月11，該專利是將激磁線圈加在TIG焊槍上，該方法利于激光-TIG電弧旁軸復合焊接時電弧的穩定燃燒能力和沖擊熔深能力的增加，能夠使等離子體中的帶電離子在洛倫茲力的作用下發生運動，使等離子體的形狀和位置均重新分布，從而降低光致等離子體對激光的屏蔽效應，提高激光能量利用率；除此之外，高頻磁場的引入還會增加熔池金屬的流動能力，細化焊縫晶粒組織，從而改善焊接接頭性能。

目前，長春理工大學針對高氮鋼焊接氣孔的問題有些報道，但是還沒有給出明確的解決辦法；而針對焊接接頭熱影響區脆化的問題也只是從控制焊接熱輸入這一單一方面進行研究。

發明內容

為了達到上述目的，本發明提供一種解決高氮鋼焊接氣孔和提高接頭強度的焊接裝置，解決了現有技術中高氮鋼在焊接過程中易產生氣體、焊縫區和焊接熱影響區氮化物、碳化物以及碳氮化物易析出、焊縫晶粒粗大的問題，從而提高了高氮鋼焊接接頭的力學性能，改善了焊接熱影響區的韌性。