CN114226985B - 一种激光-电弧串联焊接ta2/304不锈钢复合板的焊接方法 - Google Patents
一种激光-电弧串联焊接ta2/304不锈钢复合板的焊接方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及异种材料焊接技术领域，具体涉及一种激光‑电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，该技术针对钛/钢复合板在焊接过程中过渡层易发生元素扩散，形成脆性的Ti‑Fe金属间化合物，降低接头性能而提出的一种焊接方法。以TA2/304不锈钢作为焊接母材，通过激光在前对基层金属TA2进行对接焊，电弧在后填充坡口并焊(连)接304不锈钢。通过精确控制焊接工艺参数，形成上下两个相对独立的熔池，避免过渡层在焊接过程中产生Ti‑Fe金属间化合物，降低接头脆性；采用激光‑电弧串联焊接方法，获得包括激光焊缝和电弧焊缝的高质量、高效率焊接接头。
Description
技术领域
本发明涉及异种材料焊接技术领域，具体涉及一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法。
背景技术
钛及其合金由于具有高韧性、高比强度、良好的耐高温性、低密度、抗疲劳性好等优点，被广泛地应用于各个工业领域。在航空航天领域，钛及其合金已经代替易腐蚀的镍基合金以及铜合金等金属材料成为必要的组成部分。然而，由于钛合金本身的制造成本较高、焊接和机械加工性能较差、抗蠕变性能差使其应用受到限制。不锈钢是目前最常用的结构材料，其自身具有一系列优良的性能，如焊接性、耐磨性、力学性能，且成本相对较低。虽然不锈钢在耐蚀性方面远不如钛合金，而且比重较大。但如果将钛合金与不锈钢通过焊接的方法连接在一起，钛合金与不锈钢的焊接结构将不锈钢良好的焊接性与钛合金优异的耐蚀性相结合，这样的组合将实现两种材料在性能上的优势互补。然而，由于钛合金与不锈钢的焊接性很差，在焊后的接头中易产生大量脆性较大的Ti-Fe金属间化合物。此外，由于钛合金和不锈钢二者之间的物理、化学性能差异显著，接头中存在较大的残余应力，这会降低接头力学性能。目前，采用***焊焊接钛合金与不锈钢可以有效降低接头中Ti-Fe金属间化合物的含量，并有效提高钛合金与不锈钢异种金属焊接接头的力学性能。
复合板的二次焊接是材料加工过程中的重要工序之一，很多金属复合板都需要经过焊接成形，焊接技术的发展也推动了复合材料的应用。对于复合材料的二次焊接接头而言，除了要具有满足要求的力学性能外，还要保证其具有和其母材相当的导电性能和耐腐蚀性能等。但是，在焊接过程中,如果工艺控制不当，过渡层金属选择不合适，都会造成基层和复层金属的液态混合，生成脆性的金属间化合物，从而降低焊接接头的质量和特定性能。
目前，金属复合板的对接主要是通过逐层焊接的方法实现，对于其复层而言，由于其厚度往往较薄(约1-2mm)，通常采用添加和其匹配的填充焊丝，并以小热输入的单道或者多道TIG焊实现其连接。对于金属复合材料的基层而言，一般会根据其厚度尺寸，设计不同形式的坡口，并以多层多道的MIG或者SAW焊方式进行焊接。对于大多数的金属复合板而言，在其基层焊缝和复层焊缝之间往往还需要添加一层过渡层焊缝，来组织基层金属元素和复层金属元素的混合。但是在过渡层的焊接过程中，过渡层与基层金属和复层金属分别又生成新得金属间化合物，降低接头的力学性能。
利用激光对接焊基层金属TA2,形成激光焊缝，激光焊缝承担主要强度。使用电弧熔化焊丝并填充复层坡口焊(连)接304不锈钢，形成电弧焊缝。由于S201紫铜焊丝的熔化温度低于基层金属TA2和复层金属304不锈钢，因此在焊接过程中，TA2和304不锈钢没有完全熔化，仅发生少量的元素扩散。从而阻止Ti、Fe和Cu元素的混合及相互扩散，避免形成脆性Ti-Fe和Ti-Cu金属间化合物。激光-电弧串联焊接TA2和304不锈钢复合板的接头强度可达1250MPa；因此，激光-电弧串联焊接TA2和304不锈钢复合板的焊(连)接成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，按以下工艺步骤进行：(1)焊接试件：将TA2/304不锈钢复合板利用电火花加工成80mm×8.27mm×5mm的试样，TA2的厚度为2mm,304不锈钢的厚度为3mm，坡口角度为120°，坡口底部为宽度2mm；
(2)焊接工艺：激光焊接采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率730～750W；离焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保护气体流量20～30L/min；电弧焊采用NBC-250设备，使用S201紫铜焊丝，焊丝直径0.8mm，焊丝熔化温度1020-1050℃，焊接电压20V，送丝速度4200mm/min，焊接速度650mm/min，保护气体流量15L/min；
(3)控制激光偏移量为0，即激光光斑照射在TA2对接接触面上，形成激光焊缝；控制复合板焊件处于水平位置，S201紫铜焊丝作用在坡口正中间，熔化焊丝填充坡口并焊(连)接304不锈钢，形成电弧焊缝；
(4)S201紫铜焊丝的熔化温度1020-1050℃，TA2的熔化温度为1660℃，304不锈钢的熔化温度为1398-1454℃，通过合理控制焊接参数，使电弧焊接304不锈钢的过程中，TA2和304不锈钢没有完全熔化，其作用是避免在电弧焊接过程中TA2、304不锈钢和S201紫铜焊丝的液态混合，阻止Ti、Fe和Cu元素的混合及相互扩散，从而避免在焊接过程中形成脆性的Ti-Fe和Ti-Cu金属间化合物。
优选的，所述步骤(1)中，焊接试件尺寸为80mm×8.27mm×5mm，TA2的厚度为2mm,304不锈钢的厚度为3mm，坡口角度为120°，坡口底部为宽度为2mm。
优选的，所述步骤(2)中，激光焊接采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率730～750W；离焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保护气体流量20～30L/min，电弧焊采用NBC-250设备，使用S201紫铜焊丝，焊丝直径0.8mm，焊丝熔化温度1020-1050℃，焊接电压20V，送丝速度4200mm/min，焊接速度650mm/min，保护气体流量15L/min。
优选的，所述步骤(3)中，激光光斑照射在TA2对接接触面上，形成激光焊缝，S201紫铜焊丝作用在坡口正中间，熔化焊丝填充坡口并焊(连)接304不锈钢，形成电弧焊缝.
优选的，所述步骤(4)中，利用S201紫铜焊丝的熔化温度低于母材金属TA2和304不锈钢，从而使电弧焊接过程中TA2和304不锈钢达不到熔化温度，避免异种金属的液态混合，从而避免在焊接过程中形成脆性的Ti-Fe和Ti-Cu金属间化合物。
优选的，合理控制激光热源和电弧热源的距离在1.5㎝-2㎝，避免两种热源在焊接过程中相互作用，导致焊接接头的失效。
本发明的有益效果是：
(1)焊接过程稳定，焊缝成形美观，无裂纹、气孔、咬边、未焊透、未熔合等焊接缺陷，焊接工艺性能良好。
(2)A2/304不锈钢复合板经过激光-电弧串联焊接，最终获得包括激光焊缝-过渡层-电弧焊缝的高质量、高效率焊接接头。过渡层仅存在于接头中很小的一个区域，接头断裂位置位于激光焊缝和电弧焊缝右侧，抗拉强度达到1250MPa。
附图说明
图1是TA2/304不锈钢复合板制作过程示意图；
图2焊接试件尺寸图；
图3激光-电弧串联焊接示意图；
图4TA2/304不锈钢接头宏观形貌图；
图5TA2/304不锈钢接头微观组织图。
图中各个标号意义为：
(a)电弧焊缝左侧，(b)电弧焊缝中部，(c)电弧焊缝右侧，(d)过渡层低倍照片，(e)过渡层高倍照片，(f)激光焊缝。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明做进一步的描述，但发明的保护范围不仅限于此：
实施例1
一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，按以下工艺步骤进行：
(1)焊接试件：将TA2/304不锈钢复合板利用电火花加工成80mm×8.27mm×5mm的试样，TA2的厚度为2mm,304不锈钢的厚度为3mm，坡口角度为120°，坡口底部为宽度2mm；
(2)焊接工艺：激光焊接采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率730～750W；离焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保护气体流量20～30L/min；电弧焊采用NBC-250设备，使用S201紫铜焊丝，焊丝直径0.8mm，焊丝熔化温度1020-1050℃，焊接电压20V，送丝速度4200mm/min，焊接速度650mm/min，保护气体流量15L/min；
(3)控制激光偏移量为0，即激光光斑照射在TA2对接接触面上，形成激光焊缝；控制复合板焊件处于水平位置，S201紫铜焊丝作用在坡口正中间，熔化焊丝填充坡口并焊(连)接304不锈钢，形成电弧焊缝；
(4)S201紫铜焊丝的熔化温度1020-1050℃，TA2的熔化温度为1660℃，304不锈钢的熔化温度为1398-1454℃，通过合理控制焊接参数，使电弧焊接304不锈钢的过程中，TA2和304不锈钢没有完全熔化，其作用是避免在电弧焊接过程中TA2、304不锈钢和S201紫铜焊丝的液态混合，阻止Ti、Fe和Cu元素的混合及相互扩散，从而避免在焊接过程中形成脆性的Ti-Fe和Ti-Cu金属间化合物。
本实施例中，所述步骤(1)中，焊接试件尺寸为80mm×8.27mm×5mm，TA2的厚度为2mm,304不锈钢的厚度为3mm，坡口角度为120°，坡口底部为宽度为2mm。
除此之外，所述步骤(2)中，激光焊接采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率730～750W；离焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保护气体流量20～30L/min，电弧焊采用NBC-250设备，使用S201紫铜焊丝，焊丝直径0.8mm，焊丝熔化温度1020-1050℃，焊接电压20V，送丝速度4200mm/min，焊接速度650mm/min，保护气体流量15L/min。
进一步的，所述步骤(3)中，激光光斑照射在TA2对接接触面上，形成激光焊缝，S201紫铜焊丝作用在坡口正中间，熔化焊丝填充坡口并焊(连)接304不锈钢，形成电弧焊缝.
进一步的，所述步骤(4)中，利用S201紫铜焊丝的熔化温度低于母材金属TA2和304不锈钢，从而使电弧焊接过程中TA2和304不锈钢达不到熔化温度，避免异种金属的液态混合，从而避免在焊接过程中形成脆性的Ti-Fe和Ti-Cu金属间化合物。
进一步的，合理控制激光热源和电弧热源的距离在1.5㎝-2㎝，避免两种热源在焊接过程中相互作用，导致焊接接头的失效。
采用本发明的方法进行TA2/304不锈钢复合板的焊接，首先使用电火花将TA2/304不锈钢加工成焊接试件尺寸，使用自制夹具夹紧试件并通过调节预紧力使得基层金属TA2之间保持一定的压力。
采用激光-电弧串联焊接，通过精确控制焊接工艺参数，获得包含激光焊缝、过渡层和电弧焊缝的接头。激光在前，光斑照射在TA2对接界面上，形成激光焊缝。电弧在后，S201紫铜焊丝作用在坡口正中间，熔化焊丝填充坡口并焊(连)接304不锈钢，形成电弧焊缝。由于S201紫铜焊丝的熔化温度低于基层金属TA2和复层金属304不锈钢，因此在焊接过程中，TA2和304不锈钢没有完全熔化，仅发生少量的元素扩散。从而阻止Ti、Fe和Cu元素的混合及相互扩散，避免形成脆性Ti-Fe和Ti-Cu金属间化合物，提高了接头的力学性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，其特征在于，按以下工艺步骤进行：
(1)焊接试件：将TA2/304不锈钢复合板利用电火花加工成80mm×8.27mm×5mm的试样，TA2的厚度为2mm,304不锈钢的厚度为3mm，坡口角度为120°，坡口底部为宽度2mm；
(2)焊接工艺：激光焊接采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率730～750W；离焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保护气体流量20～30L/min；电弧焊采用NBC-250设备，使用S201紫铜焊丝，焊丝直径0.8mm，焊丝熔化温度1020-1050℃，焊接电压20V，送丝速度4200mm/min，焊接速度650mm/min，保护气体流量15L/min；
(3)控制激光偏移量为0，即激光光斑照射在TA2对接接触面上，形成激光焊缝；控制复合板焊件处于水平位置，S201紫铜焊丝作用在坡口正中间，熔化焊丝填充坡口并焊(连)接304不锈钢，形成电弧焊缝；
(4)S201紫铜焊丝的熔化温度1020-1050℃，TA2的熔化温度为1660℃，304不锈钢的熔化温度为1398-1454℃，通过合理控制焊接参数，使电弧焊接304不锈钢的过程中，TA2和304不锈钢没有完全熔化，其作用是避免在电弧焊接过程中TA2、304不锈钢和S201紫铜焊丝的液态混合，阻止Ti、Fe和Cu元素的混合及相互扩散，从而避免在焊接过程中形成脆性的Ti-Fe和Ti-Cu金属间化合物。
2.根据权利要求1所述的一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，焊接试件尺寸为80mm×8.27mm×5mm，TA2的厚度为2mm,304不锈钢的厚度为3mm，坡口角度为120°，坡口底部为宽度为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，激光焊接采用CW激光焊设备进行焊接，激光功率730～750W；离焦量0～+5mm；焊接速度500～700mm/min；保护气体流量20～30L/min；电弧焊采用NBC-250设备，使用S201紫铜焊丝，焊丝直径0.8mm，焊丝熔化温度1020-1050℃，焊接电压20V，送丝速度4200mm/min，焊接速度650mm/min，保护气体流量15L/min。
4.根据权利要求1所述的一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，其特征在于，所述步骤(3)中，激光光斑照射在TA2对接接触面上，形成激光焊缝，S201紫铜焊丝作用在坡口正中间，熔化焊丝填充坡口并焊(连)接304不锈钢，形成电弧焊缝。
5.根据权利要求1所述的一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，其特征在于，所述步骤(4)中，利用S201紫铜焊丝的熔化温度低于母材金属TA2和304不锈钢，从而使电弧焊接过程中TA2和304不锈钢达不到熔化温度，避免异种金属的液态混合，从而避免在焊接过程中形成脆性的Ti-Fe和Ti-Cu金属间化合物。
6.根据权利要求1所述的一种激光-电弧串联焊接TA2/304不锈钢复合板的焊接方法，其特征在于，合理控制激光热源和电弧热源的距离在1.5㎝-2㎝，避免两种热源在焊接过程中相互作用，导致焊接接头的失效。
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2021
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|---|---|
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