CN105328342A - 一种消除中厚d406a超高强钢激光焊接气孔的方法 - Google Patents

一种消除中厚d406a超高强钢激光焊接气孔的方法 Download PDF

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Abstract

一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，它涉及一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法。本发明要解决焊接中厚D406A超高强钢板存在的气孔问题。本发明方法为：首先对待焊件进行打磨清洗，装夹，然后设置打底焊与填充焊工艺参数，采用机器人集成***控制焊接工艺参数，首先TIG电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。本发明针对打底焊接与填充焊接分别采用了不同的气孔抑制措施。

Description

一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法
技术领域
本发明涉及一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，属于材料加工工程领域。
背景技术
随着航空工业的发展，普通结构钢已经不能满足重要构件的需要，超高强度钢应运而生，其抗拉强度高，韧性好，在航天航空及武器领域应用广泛。超高强度钢30Si2MnCrMoVE(简称D406A)，是我国自行研制的钢种，抗拉强度高于1620MPa，延伸率大于8％，主要用于固体火箭发动机壳体。目前焊接D406A钢的常用方法是TIG焊和电子束焊接。TIG焊成本较低，但TIG焊熔深较浅，需要的焊接层数较多，这不仅使得焊接效率下降，还会造成较大的焊接热输入，使接头产生较高的应力和较大的变形，对裂纹的控制不利；电子束焊接能取得很好的焊接效果，但其需要在真空环境下进行焊接，这极大地限制了该方法的应用。
激光-电弧复合焊接以其高效率、高适应性、大熔深、低热输入的特点受到广泛关注。因此，考虑利用激光-电弧复合热源进行超高强度钢的焊接，保证焊接质量，并成倍提高焊接效率。但根据相关文献，采用该方法进行高强钢焊接时，会出现气孔缺陷，尤其是当焊接中厚D406A超高强度钢时，若进行一次焊透成型，则可能出现激光匙孔不稳的情况，气孔缺陷显著，因此，针对中厚D406A超高强度钢，本发明提出了一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法。
发明内容
本发明旨在针对焊接中厚D406A超高强钢板存在的气孔问题，而提出一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法。
本发明的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，它是按照如下步骤进行的：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成双面坡口，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二:利用工装夹具将激光头与TIG焊枪、送丝机构刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
打底焊：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为3000～5000W，电弧电流为100～400A，激光电弧间距为5～6mm，焊接速度为50～500mm/min，送丝速度为1～2m/min；保护气采用Ar气，流量为30～40L/min；
填充焊：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为400～700W，电弧电流200～400A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为50～500mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成***控制焊接工艺参数，首先TIG电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。
本发明包含以下有益效果：
本发明旨在焊接中厚高强钢板，采用激光-TIG填丝焊接的方法，进行打底焊与填充焊两层焊接得到符合要求的焊缝，其示意图如图1所示，由于在打底焊接与填充焊接时，气孔的类型与产生机理不同，因此，本发明针对打底焊接与填充焊接分别采用了不同的气孔抑制措施。
在打底焊中，为了取得较大的熔深，采用激光-TIG双热源复合焊接，相比于一般激光-TIG填丝复合焊接主要有以下两个特点：一.激光与TIG电弧间距离dL-T应大于2-3mm的一般要求，增大至5-6mm，dL-T增大，一方面可以在一定程度上降低激光与电弧的耦合作用，提高焊接过程的稳定性，降低了卷入气孔形成的几率；另一方面，其扩大了熔池的面积，降低了熔池的冷却速度，增加了气孔的逸出时间，也可以降低打底层气孔曲线；二.TIG保护气流量大于35L/min，大保护气流量一方面可最大程度吹散激光等离子体，减少等离子体对于激光功率的损耗，在相等的激光功率下获得最大的焊接熔深，另一方面，这是因为保护气流量增大，对熔池的保护效果更好，可以消除有害气体来源；同时较大的保护气流量对熔池有搅拌作用，从而加快气泡逸出的速度。
在填充焊中，采用激光辅助TIG填丝焊接的方法，即保持复合焊接头不变，但减小激光电弧间距离，减小保护气流量，并降低激光功率至小于800W，此时，激光在焊接过程中并不形成匙孔，焊接过程由TIG起主导作用，激光的作用在于以下三个方面：一.对工件进行一定程度的预热，减小气孔缺陷产生的可能性，二.当激光功率减小时，焊接模式由深熔焊转变为热导焊，匙孔效应逐渐消失，因而由匙孔产生的气孔也逐渐消失。盖面层中出现的气孔主要是由于匙孔不稳定造成的工艺气孔；三.由于电弧弧柱被压缩，致使电弧能量更加集中。另外由于激光光致等离子体的热辐射作用，使得熔滴的表面张力系数减小，可以使表面张力减小，促进了熔滴的液桥过渡方式过渡。焊丝熔滴的进入，将冲击匙孔稳定性，并扰乱熔池流动，熔池的剧烈波动及紊流都对气孔的抑制造成不利。因此，保证焊丝熔滴以液桥过渡方式进入熔池，利于气孔缺陷的抑制。
附图说明
图1为激光-TIG填丝焊接示意图；
图2为实施例1的对10mm厚D406A超高强钢的打底焊缝正反面形貌图；
图3为实施例1的对10mm厚D406A超高强钢的打底焊缝横截面；
图4为实施例1的对10mm厚D406A超高强钢的打底焊缝纵剖图；
图5为实施例1的对10mm厚D406A超高强钢的打底焊缝X光检测结果图；
图6为实施例1的对10mm厚D406A超高强钢的盖面焊缝正反面形貌图；
图7为实施例1的对10mm厚D406A超高强钢的盖面焊缝横截面图；
图8为实施例1的对10mm厚D406A超高强钢的盖面焊缝纵剖图；
图9为实施例1的对10mm厚D406A超高强钢的盖面焊缝X光检测结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，它是按照如下步骤进行的：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成双面坡口，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二:利用工装夹具将激光头与TIG焊枪、送丝机构刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
打底焊：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为3000～5000W，电弧电流为100～400A，激光电弧间距为5～6mm，焊接速度为50～500mm/min，送丝速度为1～2m/min；保护气采用Ar气，流量为30～40L/min；
填充焊：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为400～700W，电弧电流200～400A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为50～500mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成***控制焊接工艺参数，首先TIG电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。
本实施方式旨在焊接中厚高强钢板，采用激光-TIG填丝焊接的方法，进行打底焊与填充焊两层焊接得到符合要求的焊缝，其示意图如图1所示，由于在打底焊接与填充焊接时，气孔的类型与产生机理不同，因此，本实施方式针对打底焊接与填充焊接分别采用了不同的气孔抑制措施。
在打底焊中，为了取得较大的熔深，采用激光-TIG双热源复合焊接，相比于一般激光-TIG填丝复合焊接主要有以下两个特点：一.激光与TIG电弧间距离dL-T应大于2-3mm的一般要求，增大至5-6mm，dL-T增大，一方面可以在一定程度上降低激光与电弧的耦合作用，提高焊接过程的稳定性，降低了卷入气孔形成的几率；另一方面，其扩大了熔池的面积，降低了熔池的冷却速度，增加了气孔的逸出时间，也可以降低打底层气孔曲线；二.TIG保护气流量大于35L/min，大保护气流量一方面可最大程度吹散激光等离子体，减少等离子体对于激光功率的损耗，在相等的激光功率下获得最大的焊接熔深，另一方面，这是因为保护气流量增大，对熔池的保护效果更好，可以消除有害气体来源；同时较大的保护气流量对熔池有搅拌作用，从而加快气泡逸出的速度。
在填充焊中，采用激光辅助TIG填丝焊接的方法，即保持复合焊接头不变，但减小激光电弧间距离，减小保护气流量，并降低激光功率至小于800W，此时，激光在焊接过程中并不形成匙孔，焊接过程由TIG起主导作用，激光的作用在于以下三个方面：一.对工件进行一定程度的预热，减小气孔缺陷产生的可能性，二.当激光功率减小时，焊接模式由深熔焊转变为热导焊，匙孔效应逐渐消失，因而由匙孔产生的气孔也逐渐消失。盖面层中出现的气孔主要是由于匙孔不稳定造成的工艺气孔；三.由于电弧弧柱被压缩，致使电弧能量更加集中。另外由于激光光致等离子体的热辐射作用，使得熔滴的表面张力系数减小，可以使表面张力减小，促进了熔滴的液桥过渡方式过渡。焊丝熔滴的进入，将冲击匙孔稳定性，并扰乱熔池流动，熔池的剧烈波动及紊流都对气孔的抑制造成不利。因此，保证焊丝熔滴以液桥过渡方式进入熔池，利于气孔缺陷的抑制。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的双面坡口为双v型坡口、双u型坡口、双Y型坡口或带钝边双U型坡口。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：激光器采用CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：打底焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为3000～5000W，电弧电流为200～400A，激光电弧间距为5～6mm，焊接速度为100～500mm/min，送丝速度为1～2m/min；保护气采用Ar气，流量为30～40L/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：打底焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为4000～5000W，电弧电流为300～400A，激光电弧间距为5～6mm，焊接速度为200～500mm/min，送丝速度为1～2m/min；保护气采用Ar气，流量为30～40L/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：打底焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为4000W，电弧电流为300A，激光电弧间距为5～6mm，焊接速度为300mm/min，送丝速度为1～2m/min；保护气采用Ar气，流量为30～40L/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：填充焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为500～700W，电弧电流200～400A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为100～500mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：填充焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为600W，电弧电流350A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为200～500mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：填充焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为500W，电弧电流200A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为300～500mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：填充焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为700W，电弧电流400A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为400mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min。其它与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例分别利用如下方法对两层焊接10mm厚D406A超高强钢以及采用激光-TIG填丝复合方法一次焊接10mm厚D406A超高强钢。具体实验方法如下：
本实施例的方法对两层焊接10mm厚D406A超高强钢过程如下：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口，钝边厚度为5mm，钝边角度为30°，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二:利用特制夹具将激光头与TIG焊枪、送丝机构刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
打底焊：离焦量为0mm，激光功率4600W，电弧电流在140A，激光电弧间距6mm，焊接速度300mm/min，保护气采用Ar气，流量在40L/min，送丝速度2m/min；
填充焊：离焦量为0mm，激光功率400W，电弧电流300A，激光电弧间距2mm，焊接速度在300mm/min，保护气采用Ar气，流量在25L/min，送丝速度4m/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成***控制焊接工艺参数，首先MAG电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。
图2至图5分别为采用本实施例进行打底焊接时的打底焊缝正反面形貌、焊缝横截面、焊缝纵剖图、X光检测结果，可以看出当采用本方法进行打底焊时，可一次焊透5mm的钝边，且焊接过程稳定，焊缝表面成形平整美观、均匀一致，无明显的气孔缺陷。
图6至图9分别为采用本实施例进行盖面焊接时的打底焊缝正反面形貌与焊缝横截面、焊缝纵剖图、X光检测结果，可以看出，焊接过程稳定焊缝表成形连续均匀，气孔缺陷得到了极大地抑制。
实施例2
本实施例分别利用如下方法对两层焊接10mm厚D406A超高强钢以及采用激光-TIG填丝复合方法一次焊接10mm厚D406A超高强钢。具体实验方法如下：
本实施例的方法对两层焊接10mm厚D406A超高强钢过程如下：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口，钝边厚度为5mm，钝边角度为30°，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二:利用特制夹具将激光头与TIG焊枪、送丝机构刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
打底焊：离焦量为0mm，激光功率4000W，电弧电流在120A，激光电弧间距6mm，焊接速度270mm/min，保护气采用Ar气，流量在40L/min，送丝速度2m/min；
填充焊：离焦量为0mm，激光功率380W，电弧电流350A，激光电弧间距2mm，焊接速度在300mm/min，保护气采用Ar气，流量在25L/min，送丝速度4m/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成***控制焊接工艺参数，首先MAG电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。
实施例3
本实施例分别利用如下方法对两层焊接10mm厚D406A超高强钢以及采用激光-TIG填丝复合方法一次焊接10mm厚D406A超高强钢。具体实验方法如下：
本实施例的方法对两层焊接10mm厚D406A超高强钢过程如下：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口，钝边厚度为5mm，钝边角度为30°，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二:利用特制夹具将激光头与TIG焊枪、送丝机构刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
打底焊：离焦量为0mm，激光功率4200W，电弧电流在150A，激光电弧间距6mm，焊接速度320mm/min，保护气采用Ar气，流量在40L/min，送丝速度2m/min；
填充焊：离焦量为0mm，激光功率350W，电弧电流300A，激光电弧间距2mm，焊接速度在300mm/min，保护气采用Ar气，流量在25L/min，送丝速度4m/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成***控制焊接工艺参数，首先MAG电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。
实施例4
本实施例分别利用如下方法对两层焊接10mm厚D406A超高强钢以及采用激光-TIG填丝复合方法一次焊接10mm厚D406A超高强钢。具体实验方法如下：
本实施例的方法对两层焊接10mm厚D406A超高强钢过程如下：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成V型坡口，钝边厚度为5mm，钝边角度为30°，并对加工后的坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二:利用特制夹具将激光头与TIG焊枪、送丝机构刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
打底焊：离焦量为0mm，激光功率3700W，电弧电流在150A，激光电弧间距6mm，焊接速度360mm/min，保护气采用Ar气，流量在40L/min，送丝速度2m/min；
填充焊：离焦量为0mm，激光功率330W，电弧电流320A，激光电弧间距2mm，焊接速度在300mm/min，保护气采用Ar气，流量在25L/min，送丝速度4m/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成***控制焊接工艺参数，首先MAG电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。

Claims (10)

1.一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于它是按照如下步骤进行的：
步骤一:焊接前，根据板厚，将待焊工件的待焊接部位加工成双面坡口，并对加工后的双面坡口及两侧表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；
步骤二:利用工装夹具将激光头与TIG焊枪、送丝机构刚性固定；
步骤三:设置焊接工艺参数:
打底焊：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为3000～5000W，电弧电流为100～400A，激光电弧间距为5～6mm，焊接速度为50～500mm/min，送丝速度为1～2m/min；保护气采用Ar气，流量为30～40L/min；
填充焊：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为400～700W，电弧电流200～400A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为50～500mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成***控制焊接工艺参数，首先TIG电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于所述的双面坡口为双v型坡口、双u型坡口、双Y型坡口或带钝边双U型坡口。
3.根据权利要求1所述的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于激光器采用CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于打底焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为3000～5000W，电弧电流为200～400A，激光电弧间距为5～6mm，焊接速度为100～500mm/min，送丝速度为1～2m/min；保护气采用Ar气，流量为30～40L/min。
5.根据权利要求4所述的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于打底焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为4000～5000W，电弧电流为300～400A，激光电弧间距为5～6mm，焊接速度为200～500mm/min，送丝速度为1～2m/min；保护气采用Ar气，流量为30～40L/min。
6.根据权利要求5所述的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于打底焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为4000W，电弧电流为300A，激光电弧间距为5～6mm，焊接速度为300mm/min，送丝速度为1～2m/min；保护气采用Ar气，流量为30～40L/min。
7.根据权利要求1所述的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于填充焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为500～700W，电弧电流200～400A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为100～500mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min。
8.根据权利要求7所述的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于填充焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为600W，电弧电流350A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为200～500mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min。
9.根据权利要求8所述的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于填充焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为500W，电弧电流200A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为300～500mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min。
10.根据权利要求8所述的一种消除中厚D406A超高强钢激光焊接气孔的方法，其特征在于填充焊的焊接工艺参数如下：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为700W，电弧电流400A，激光电弧间距为2～3mm，焊接速度为400mm/min，保护气采用Ar气，流量为20～30L/min，送丝速度为1～2m/min。
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