CN110560894A - 一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法 - Google Patents

一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法，属于焊接技术领域。本发明采用激光‑电弧焊接高氮钢板，两个焊接工件按照对接的形式放置在带有矩形通槽的铜板上，并与铜板一同固定在工作台上。两个焊接工件之间形成焊件的接头间隙。激光焊接头发出的激光束与待焊工件间隙同轴，垂直照射在待焊工件的正面，焊枪置于待焊工件的正面。工件上方提供与焊枪同轴输出的95％Ar+5％CO2混合保护气体。铜板上的矩形通槽位于焊接间隙正下方，矩形通槽口朝上，通槽口两端通入氮气，由焊接工件下表面与矩形通槽形成一个气体暂留空间。矩形通槽内的氮气可提高熔池外部氮活度，抑制焊缝气孔和氮损失。同时上方保护气体采用Ar+CO2，使得熔滴得到细化，焊接过程更加稳定。

Description

一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢激光-电弧复合焊接方法。
背景技术
高氮奥氏体不锈钢(简称高氮钢)，氮的质量分数一般超过0.4％，主要利用氮元素部分或者完全替代镍元素以实现奥氏体化，因其具有良好的力学性能和耐蚀性而受到广泛关注，已在航空、武器装备、医疗和低温工业等领域得到了广泛的应用。
高氮钢作为结构材料，其可焊接性关系到高氮钢的广泛应用与推广。在常压环境下对高氮钢进行熔焊时，氮极易逸出并在熔池中形成氮气泡，由于熔池凝固时间较短，气泡不能及时从熔池中逸出，最终在焊缝中形成氮气孔。氮气孔的形成也使得固溶氮元素含量降低，造成接头性能下降。因此，如何采取有效措施抑制高氮钢焊接接头气孔和氮损失已成为当前各国学者研究的主要问题之一。
中国专利CN106346171A公开了一种高氮钢加压焊接用装置及利用该装置焊接高氮钢的方法，焊接工件至于密闭焊接室内，将密闭焊接室分别通过气体管道与气体混合室、真空泵连通，通过控制体系保护气体组成、***总压力以及冷却参数可以达到固定高氮钢焊缝中氮含量，提高高氮钢焊缝机械性能，采用本发明***进行高氮钢焊接，焊缝氮含量可以达到母材的95％以上。但该方法并不适用于一些中、大型构件的焊接。
中国专利CN109128546A公开了一种激光点焊-炉中钎焊复合焊接高氮钢的方法，该方法需预先采用激光点焊方式对焊件进行点焊固定，然后钎料膏涂覆在待焊件的待焊面上，采用炉中钎焊工艺对除了第一步激光点焊以外的位置进行分侧焊接，该发明焊接时高氮钢氮元素不流失，不易出现气孔，钎焊接头力学性能较强。但该方法工艺繁琐，工作效率较低。
中国专利CN105772944A公开了一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法。该发明将在焊件坡口两侧放置两个通水铜管的管壁，并在焊接工件的背面放置励磁线圈，激光束垂直照射在焊接工件的正面，焊枪置于焊接工件的正面，激光束、焊件接头间隙和励磁线圈同轴线。该方法解决了现有技术中高氮钢在焊接过程中易产生气体、氮化物等问题。但该发明中试验装置复杂，且需要两个数控工作台联合驱动工件运动，不适用于工程上大批量生产。
发明内容
本发明技术解决问题：提供一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法，通过对焊接工件上下表面采用不同保护气体同时保护，解决了现有常压下高氮钢熔化焊技术焊接质量不稳定、缝气孔和氮损失问题，提高接头强度，是一种适合工程上大批量制造的焊接方法。本发明所采用技术方案如下：
一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法，包括如下步骤：
焊接工作台安装在激光焊接头下方，两个焊接工件按照对接的形式放置在带有矩形通槽的铜板上，并与铜板一同固定在工作台上。两个焊接工件之间形成焊件的接头间隙，在焊接工件的正面、接头间隙处有坡口。激光焊接头发出的激光束与待焊工件间隙同轴，垂直照射在待焊工件的正面，焊枪置于待焊工件的正面。工件上方提供与焊枪同轴输出的95％Ar+5％CO2混合保护气体，气体流量为15-20L/min。铜板上的矩形通槽位于焊接间隙正下方，矩形通槽口朝上，通槽口两端通入氮气，气体流量为8-12L/min，由焊接工件下表面与矩形通槽形成一个气体暂留空间。
本发明的特征还在于，进一步的，焊枪的轴线与激光束的轴线夹角为30°。
进一步的，激光器功率为2.0-3.5KW，激光束离焦量为-2mm；焊枪的类型为MIG或MAG；焊枪的电弧焊接电流180-300A、电弧电压22-28V、电弧长度12-15mm；焊枪的焊丝直径Φ1.2mm；
进一步的，激光器发出的激光束可以是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种激光束；复合焊接热源可以是激光-TIG复合焊接、激光-MIG复合焊接、激光-MAG复合焊接等。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)在焊件上方采用Ar+CO2作为保护气体使得焊接熔滴细化，熔滴过渡频率增大，进而焊接过程稳定，焊件表面无飞溅；
(2)在焊件下方采用N2作为保护气体，增大了熔池外部的氮活度，抑制了焊缝中氮元素向氮气的转变，进而抑制了焊缝中氮气孔的形成。同时熔池外部较大的氮活度也避免了焊缝中过量的氮损失。
(3)采用激光-电弧复合热源，能够消除单独热源存在的缺陷，具有增大熔深、提高焊接速度，实现高效高质量焊接等优点；
本发明采用多种复合焊接热源，如激光-TIG、激光-MIG、激光-MAG等，所用激光器包括YAG、CO2激光器、碟片激光器、半导体激光器等
(4)本发明所采用的装置简单，仅外加一个带有矩形通槽的铜板，装置制作容易，成本较低；
(5)本发明具有工艺灵活，适合于工业大量生产，且能有效降低焊缝气孔率和提高焊接接头强度等优点。
附图说明
图1为本发明的工况示意图；
图2是带有矩形通槽的铜板示意图；
图3激光-电弧复合焊接装置示意图；
图4为待焊工件对接示意图；
图5a是常规复合焊接接头的X射线探伤图；
图5b是不同保护气体双面保护复合焊接接头的X射线探伤图；
图6是不同焊接方法下氮含量柱状图。
图中：1工作台，2带有矩形通槽的铜板，3激光焊接头，4焊枪，5高氮钢板，6夹具，7进气孔，8矩形通槽，9焊丝，10坡口，11焊接间隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明是一种采用不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法，焊接工况如图1-4所示。将高氮钢板5采用对接的方式放置在带有矩形通槽的铜板2上方，利用夹具6将高氮钢板5与铜板2固定在工作台1上。两块高氮钢板5之间形成焊接间隙11，在焊接工件的正面、焊接间隙11处有坡口10。带有矩形通槽的铜板2上的矩形通槽8位于焊接间隙11正下方，矩形通槽口朝上，焊接前预先从铜板两侧的进气孔7通入8-12L/min氮气。进气孔7通过胶管与气瓶相连，通过气瓶上的流量计控制氮气流量大小。激光焊接头3发出的激光束垂直穿过两块高氮钢板5的焊接间隙11，焊枪4置于高氮钢板5的正面。焊枪4的轴线与激光焊接头3的轴线夹角为30°。焊接时，高氮钢板5上方提供与焊枪4同轴输出的95％Ar+5％CO2混合保护气体。焊枪4的类型为MIG或MAG；激光器为YAG激光器、CO2激光器、碟片激光器、半导体激光器中的任意一种。传统焊接方法中保护气体单一使用95％Ar+5％CO2或Ar+N2，易造成焊缝气孔多或焊接过程不稳定等问题。而本发明中，铜板矩形通槽中通入氮气，有效的抑制了焊缝中氮气孔的形成，同时也避免了焊缝发生严重的氮损失。上方保护气体通入95％Ar+5％CO2，细化了焊接熔滴尺寸，使得焊接过程更加稳定。
实施例1不同保护气体双面保护焊接8.0mm厚高氮钢
步骤一：将两块厚度为8.0mm高氮钢板用角磨机去除表面氧化膜，然后用丙酮去除表面油污，高氮钢板预制30°坡口和3mm钝边，两块高氮钢板预制焊接间隙为0.6mm；
步骤二：将两块高氮钢板按照对接的形式放置在带有矩形通槽的铜板上方，利用夹具将工件与铜板固定在工作台上。
步骤三：向进气孔通入流量为8L/min的氮气，在矩形通槽内形成一个氮气的暂留空间。
步骤四：在高氮钢板上方使用激光垂直照射焊接，YAG激光器功率为3.0KW，激光束离焦量为-2mm；焊枪在焊接工件正面施焊，焊枪的类型为MIG；焊枪的电弧焊接电流220A、电弧电压24.8V、电弧长度12mm,焊接速度为0.8m/min；焊枪的焊丝直径Φ1.2mm，工件上方提供与焊枪同轴输出的95％Ar+5％CO2混合保护气体，气体流量为17L/min
实施例2不同保护气体双面保护焊接12.0mm厚高氮钢
步骤一：将两块厚度为12.0mm高氮钢板用角磨机去除表面氧化膜，然后用丙酮去除表面油污，高氮钢板预制30°坡口和5mm钝边，待焊工件两板预制焊接间隙为0.8mm；
步骤二：将两块高氮钢板按照对接的形式放置在带有矩形通槽的铜板上方，利用夹具将工件高氮钢板与铜板固定在工作台上。
步骤三：向进气孔通入流量为10L/min的氮气，在矩形通槽内形成一个氮气的暂留空间。
步骤四：在待焊金属材料上方使用激光垂直照射焊接，YAG激光器功率为3.8KW，激光束离焦量为-2mm；焊枪在焊接工件正面施焊，焊枪的类型为MIG；焊枪的电弧焊接电流300A、电弧电压30V、电弧长度14mm,焊接速度为0.8m/min；焊枪的焊丝直径Φ1.2mm，工件上方提供与焊枪同轴输出的95％Ar+5％CO2混合保护气体，气体流量为17L/min。
参见图5，图5a是常规复合焊接接头的X射线探伤图；图5b是不同保护气体双面保护复合焊接接头的X射线探伤图。可见，通过采用本发明的不同保护气体双面保护进行焊接得到的接头质量更好，内部探伤结果显示焊接缝内部更加平滑、无气泡，焊接更牢固。
参见图6，不同焊接方法下氮含量柱状图，可见常规复合焊接接头中的含氮量在0.4左右，而根据本发明提出的气体双面保护复合焊接接头的含氮量为0.55左右。高于常规复合焊接接头中的含氮量，因此，本发明的气体双面保护复合焊接方法提高了焊接接头的含氮量，避免了氮损失，效果更优。

Claims (5)

1.一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法，其特征在于：
采用激光-电弧焊接高氮钢板，上方采用Ar+CO2作为保护气体，两个焊接工件按照对接的形式放置在带有矩形通槽的铜板上，并与铜板一同固定在工作台上；
两个焊接工件之间形成焊件的接头间隙；激光焊接头发出的激光束垂直穿过两块高氮钢板的焊接间隙，垂直照射在待焊工件的正面，焊枪置于待焊工件的正面；
工件上方提供与焊枪同轴输出的95％Ar+5％CO2混合保护气体，气体流量为15-20L/min；铜板上的矩形通槽位于焊接间隙正下方，矩形通槽口朝上，通槽口两端通入氮气，气体流量为8-12L/min，由焊接工件下表面与矩形通槽形成一个气体暂留空间。
2.如权利要求1所述的一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法，其特征在于，焊枪的轴线与激光束的轴线夹角为30°。
3.如权利要求1所述的一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法，其特征在于：激光器功率为2.0-4.0KW，激光束离焦量为-2mm；焊枪的类型为MIG或MAG；焊枪的电弧焊接电流180-300A、电弧电压22-30V、电弧长度12-15mm；焊枪的焊丝直径Φ1.2mm。
4.如权利要求1所述的一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法，其特征在于：激光器发出的激光束是CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束、碟片式激光光束或光纤激光光束中的任意一种激光束。
5.如权利要求1所述的一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法，其特征在于：复合焊接热源是激光-TIG复合焊接、激光-MIG复合焊接、激光-MAG复合焊接。
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