CN114309950A - 适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺 - Google Patents
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Abstract
适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其步骤为：(1)表面清理；(2)脉冲激光熔覆打底过渡层；(3)脉冲激光熔覆增材工作层：采用直径为0.4mm的焊丝dw作为填充材料，在D2层上脉冲激光焊接增材工作层DW，至尺寸要求，并满足工件对硬度和耐磨性的要求。本发明脉冲激光焊接两层打底过渡层后，焊接增材后工件不再热处理，对于难焊材料，在打底过渡层上脉冲激光焊工作层，工作层表面不产生裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接增材材料工艺技术领域，尤其涉及一种适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺。
背景技术
制造业中的低碳、低合金钢轴类、齿轮以及一些模具等工件，大多需要渗碳淬火-低温回火热处理。在这一热处理之后仅需精密加工即完成该工件的生产全过程，但有时在终检时发现工件的某些部位有尺寸不足超差，需要局部焊接增材修复。
对于碳钢和低合金钢的可焊性，在很大程度上受其含碳量的影响。国际焊接学会推荐的衡量碳钢和低合金钢的可焊性的碳当量(CEQUI IIW)计算公式：
CEQUI IIW＝C+1/6(Mn)+1/15(Ni)+1/5(Cr)+1/15(Cu)+1/5(Mo)+1/5(V)括号中的元素符号为钢中含有该元素的质量百分数。并指出，当被焊工件材料的碳当量CEQUI IIW≥0.6％时，焊接性较差，焊接时淬火倾向较大，易产生焊接裂纹，属于难焊材料。
低碳或低碳低合金钢的渗碳层的深度通常在0.8mm以上，渗碳层的含碳量的质量百分数在0.8％以上。按低合金钢可焊性的碳当量(CEQUI IIW)衡量，已属难焊材料。实际生产操作时，在该类钢经渗碳淬火-低温回火工件的表面焊接往往产生裂纹。这给经渗碳淬火-低温回火处理工件的某些部位有尺寸不足超差部位的焊接增材修复带来困难。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种适用于渗碳淬火-低温回火处理的碳钢和低合金钢工件表面的脉冲激光焊接增材的材料工艺。
本发明所采取的技术方案：
对于经渗碳淬火-低温回火热处理、渗碳层的含碳量的质量百分数在0.8％以上、渗碳层深度大于0.8mm的碳钢或低合金钢精密工件，其某些部位有尺寸不足超差，确定需以焊接增材的工艺修复。
适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其步骤为：
(1)表面清理：对需要增材修复工件的修复部位表面进行清理，去除油污，得到清洁的表面；
(2)脉冲激光熔覆打底过渡层：以化学成分符合要求，其含碳量低于0.10％，碳当量CE＜0.4，直径为0.4mm的焊丝作为填充材料，在设定激光脉冲时宽为10-12ms、在氩气保护下脉冲激光焊接增材，作为打底过渡层，打底过渡层有两层，第一层打底过渡层D1，第二层打底过渡层D2；
(3)脉冲激光熔覆增材工作层：采用直径为0.4mm的焊丝dw作为填充材料，在D2层上脉冲激光焊接增材工作层DW，至尺寸要求，并满足工件对硬度和耐磨性的要求。
所述的脉冲激光焊接增材打底过渡层D1和打底过渡层D2所选用的焊丝d1，其化学成分应满足表1所示的化学成分：
表1
焊丝d1的硫、磷含量：S≤0.015％；P≤0.015；余为：Fe。
所述的脉冲激光焊接增材工作层DW所选用的合金钢焊丝dw：合金钢焊丝符合表2所列的化学成分：
表2
焊丝dw的硫、磷含量：S≤0.015％；P≤0.015；余为：Fe。
所述的步骤(2)中脉冲激光焊接增材打底过渡层D1，D1的厚度为0.2mm±0.05mm。
所述的步骤(2)中在D1基础上脉冲激光焊接增材打底过渡层D2，D2的厚度为0.15mm±0.05mm。
所述的脉冲激光焊接增材工作层DW的硬度范围在50HRC-56HRC。
所述的需要增材修复工件的熔化深度小于0.05mm，熔合区宽度小于0.1mm。
本发明的有益效果：本发明脉冲激光焊接两层打底过渡层后，焊接增材后工件不再热处理，对于难焊材料，在打底过渡层上脉冲激光焊工作层，工作层表面不产生裂纹。
附图说明
图1为利用本发明制作的试样的金相及Vickers硬度测量照片。
具体实施方式
焊接工艺原理：
a.脉冲激光焊：脉冲激光焊接能量集中，每个脉冲焊接时间短,仅为10ms-12ms，在选定的脉冲激光参数情况下，被焊金属基体熔化深度小于0.05mm，熔合区宽度小于0.1mm，实测仅为0.045mm±0.004mm，热影响区很小，焊接应力很小，对于精密工件不会发生变形；
b.打底过渡层D1：渗碳层含碳量的质量百分数在0.8％-1.0％，按照碳钢和低合金钢可焊性的碳当量理论，当碳当量CE≥0.6％时焊接性较差。使用表1所示成分的焊丝，焊丝的含碳量仅为质量百分数0.15％以下，按焊接熔池有50％的基体金属，其渗碳层的含碳量为1.0％质量百分数的情况下，熔池金属的含碳量质量百分数低于0.6％。即打底层D1的含碳量在0.6以下，焊接性已被改善，不产生焊接裂纹。所选定的直径0.4mm焊丝，在选定的脉冲激光焊接增材情况下，每个焊接增材层的厚度约为0.2mm；
c.打底过渡层D2：以焊丝d1作为填充材料在打底过渡层D1的上面脉冲激光焊接增材打底过渡层D2。按被焊金属基体熔化深度小于0.05mm，对于焊打底过渡层D2时，打底过渡层D1已是基体金属，其含碳量在0.6以下，按焊接熔池有50％的基体金属，即打底过渡层D1，熔池金属的含碳量质量百分数低于0.35％，脉冲激光焊接增材金属没有裂纹；
d.按照碳钢和低合金钢可焊性的碳当量理论，当碳当量CE≤0.4％的质量百分数的低合金钢属于可焊性好的钢材。以所选定的直径0.4mm焊丝，在选定的脉冲激光焊接增材情况下，每个焊接增材层的厚度约为0.2mm。必要时打底层需焊2层，以使D2层有较低的含碳量。
实施例
要求修复的是低合金钢经表面渗碳淬火-低温回火的工件，工件渗碳层深度约1.0mm\渗碳层含碳量的质量百分数为0.8％。
适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其步骤为：
(1)表面清理：清理需脉冲激光焊接增材修复部位的表面，去除油污，得到清洁的表面；
对于欠尺寸超差较小，小于0.4mm，其渗碳层深度大于1.0mm的工件，对需增材修复的部位可适当磨削。磨削深度最深可达0.8mm，以保证增材修复后工件表面为DW层，保证硬度和耐磨性要求。
对于欠尺寸超差大于0.8mm，其渗碳层深度大于1.0mm的工件，对需增材修复的部位可适当抛光，显露金属光泽表面即可。
(2)脉冲激光熔覆打底过渡层：在增材修复部位以化学成分符合表1要求、直径0.4mm的焊丝d1作为填充材料，用功率为400W的YAG脉冲激光焊接机、设定脉冲时宽为10-12ms、实施焊接功率为焊机额定功率的30％，在氩气保护下进行脉冲激光焊接增材，对需修复部位全覆盖，作为打底过渡层D1，打底过渡层D1的厚度在0.2mm±0.05mm。D1层为与工件表面渗碳层熔合的过渡层，再在其上脉冲激光焊接增材打底第二过渡层D2。打底过渡层D2的厚度在0.2mm±0.05mm。
(3)脉冲激光熔覆增材工作层：在脉冲激光焊接增材打底第二过渡层D2上以直径0.4mm的焊丝dw作为填充材料，脉冲激光焊接增材工作层DW，脉冲激光焊增材至包括精修余量的所需尺寸。
(4)进行必要的机械加工，达到图纸和技术要求。
(5)质量检测：渗透探伤确认无缺陷；尺寸及形位检测确认满足图纸和尺寸要求。
按以上述脉冲激光焊接增材材料工艺制作的试样的金相及Vickers硬度检测例：
图1给出了在渗碳淬火低合金钢(Q355，符合于GB/T 1591-2018标准)工件表面脉冲激光焊接增材材料工艺制作的试样的金相及Vickers硬度测量照片。表3给出了相应于图1Vickers硬度测量点位的硬度测量结果。
表3相应于图1Vickers硬度测量点位的硬度(HV0.3)测量结果
Vickers硬度测量测量结果表明：
工件渗碳层的硬度为539.9HV0.3；
脉冲激光焊接增材打底层D1：厚度0.20-0.24mm；硬度：375HV0.3—391NV0.3；
脉冲激光焊接增材打底层D2：厚度0.16-0.20mm；硬度：470HV0.3—493HV0.3；
脉冲激光焊接增材工作层DW：厚度0.8-1.0mm；硬度：523HV0.3—553HV0.3。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (7)
1.适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其特征在于，其步骤为：
(1)表面清理：对需要增材修复工件的修复部位表面进行清理，去除油污，得到清洁的表面；
(2)脉冲激光熔覆打底过渡层：以化学成分符合要求，其含碳量低于0.10％，碳当量CE＜0.4，直径为0.4mm的焊丝作为填充材料，在设定激光脉冲时宽为10-12ms、在氩气保护下脉冲激光焊接增材，作为打底过渡层，打底过渡层有两层，第一层打底过渡层D1，第二层打底过渡层D2；
(3)脉冲激光熔覆增材工作层：采用直径为0.4mm的焊丝dw作为填充材料，在D2层上脉冲激光焊接增材工作层DW，至尺寸要求，并满足工件对硬度和耐磨性的要求。
2.根据权利要求1所述的适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其特征在于，
所述的脉冲激光焊接增材打底过渡层D1和打底过渡层D2所选用的焊丝d1，其化学成分的含量按质量百分数计，应满足C≤0.10％、Mn≤1.50％、Ni≤0.05％、Cr≤0.05％、Mo≤0.05％、V≤0.03％、Cu≤0.15％、S≤0.015％、P≤0.015；余为：Fe。
3.根据权利要求1所述的适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其特征在于，
所述的脉冲激光焊接增材工作层DW所选用的合金钢焊丝dw：合金钢焊丝dw的化学成分的含量按质量百分数计，应满足0.36％≤C≤0.42％、Mn≤0.50％、Ni≤1.0％、5.0％≤Cr≤6.0％、1.20％≤Mo≤1.60％、0.80％≤V≤1.20％和0.80％≤Si≤1.20％、S≤0.015％、P≤0.015；余为：Fe。
4.根据权利要求1所述的适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其特征在于，所述的步骤(2)中脉冲激光焊接增材打底过渡层D1，D1的厚度为0.2mm±0.05mm。
5.根据权利要求1所述的适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其特征在于，所述的步骤(2)中在D1基础上脉冲激光焊接增材打底过渡层D2，D2的厚度为0.15mm±0.05mm。
6.根据权利要求1所述的适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其特征在于，所述的脉冲激光焊接增材工作层DW的硬度范围在50HRC-56HRC。
7.根据权利要求1所述的适用于渗碳淬火钢工件表面脉冲激光焊接增材的材料工艺，其特征在于，所述的需要增材修复工件的熔化深度小于0.05mm，熔合区宽度小于0.1mm。
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