可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法
【專利摘要】可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法。傳統激光焊縫的冷卻速度較快，易生成淬硬組織，接頭殘余應力大，焊縫容易開裂，致使激光焊接技術無法直接應用。本發明方法包括：在材料的焊接區域開設窄間隙坡口，坡口可以為矩形、“U形”和“I形”坡口，如果焊縫為非全熔透焊縫,即焊縫熔深小于板厚，則在上述坡口的根部區域加工減應力槽，將特制的可有效調控焊縫金屬組織及化學成分的焊片預置到坡口內，用激光點焊的方式將預置的焊片固定，而后用激光焊進行施焊，焊接過程中控制輸出的激光能量，確保預置的焊片完全熔化且完全將減應力槽的上邊緣熔透。本發明用于可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接。
【專利說明】可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法
[0001]【技術領域】:
本發明涉及一種可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法。
[0002]【背景技術】:
激光焊接技術具有焊接速度高、焊接變形小、焊縫深寬比大等優點在精密零部件的焊接中得到了較為廣泛的應用。在激光焊接過程中，激光熱源集中，焊接速度快，焊縫金屬的冷卻速度快，可以有效地減小焊接變形，是激光焊接的主要優點之一。但是，在特殊材料的焊接中，激光焊縫冷卻速度快的特點并非是激光焊的優點，反而成為了制約激光焊接技術應用的缺點。特別是在采用激光焊接可焊性差、淬硬性大、結構剛性拘束大、裂紋傾向高的金屬材料(包括異種金屬材料)時，由于激光焊縫的冷卻速度較快，易生成淬硬組織，接頭殘余應力大，焊縫容易開裂，致使激光焊接技術無法直接用于此類零部件的焊接。為了防止焊后裂紋的產生，通常采取預熱和后熱處理。但是，預熱和后熱處理會使焊接工藝變得復雜，同時會降低激光焊接效率，而對于某些淬硬傾向較大的材料，在不填加填充金屬的條件下，即使采取預熱和后熱處理也無法避免裂紋的產生，一般而言，對于這種淬硬傾向較大材料的焊接通常采用激光填絲焊來代替激光焊。通過選擇合適的填加金屬，激光填絲焊可以較好地改善焊縫金屬的組織，防止焊接裂紋的產生，但是激光填絲焊也有一些缺點。由于焊接過程中很大一部分的激光能量用來熔化填充金屬，因此激光填絲焊會嚴重影響激光的穿透能力及焊接速度，特別是在對焊縫熔深要求較大的情況下，為了滿足焊縫熔深要求并保障焊縫的熔合性，需開設較大的坡口，這樣會進一步降低焊接效率同時還會帶來更大的焊接變形。
[0003]此外，很多零部件的焊接接頭采用“非全熔透焊縫”設計，所謂的“非全熔透焊縫”是指焊縫熔深小于工件厚度(沿熔深方向)的焊縫。對于那些剛性拘束大、材料淬硬性高，且接頭服役過程中承受沖擊、震動等疲勞載荷的工件，這種“非全熔透焊縫”存在很大的服役安全隱患。以對接接頭為例，由于焊縫未能全部熔透，致使焊接接頭的結構不夠完整，留在焊縫根部的對接間隙在服役疲勞載荷的作用下極有可能成為潛在的疲勞裂紋源，導致工件的失效。再者，如果采用激光焊接，對于這種“非全熔透焊縫”而言，當焊縫熔深較大時，由于在未穿透的焊接模式下，激光匙孔的波動比較劇烈，容易在焊縫中產生氣孔缺陷。
[0004]
【發明內容】
:
本發明的目的是提供一種可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法。
[0005]上述的目的通過以下的技術方案實現:
一種可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，該方法包括:在材料的焊接區域開設窄間隙坡口，坡口為矩形、“U形”和“I形”坡口 ；焊縫為非全熔透焊縫，即焊縫熔深小于板厚，則在上述坡口的根部區域加工減應力槽，減應力槽為圓形、橢圓形、矩形和方形，將特制的有效調控焊縫金屬組織及化學成分的焊片預置到坡口內，用激光點焊的方式將預置的焊片固定，而后用激光焊進行施焊，焊接過程中控制輸出的激光能量，確保預置的焊片完全熔化且完全將減應力槽的上邊緣熔透。
[0006]所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，所述的開設的窄間隙坡口寬度為0.2mm-l.2_，所述的填充的焊片為矩形，為防止焊后焊縫表面凹陷，所述的焊片的高度在H?H+2.0 mm范圍內，H為坡口深度，所述的減應力槽沿坡口寬度方向的最大尺寸控制在1.0mm?3.0mm范圍內，所述的減應力槽上邊緣與坡口根部的距離a在
0.1mm?2mm范圍內。
[0007]所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，為防止焊片焊接過程中受熱翹曲，焊接前采用激光點焊方式將預置焊片固定，相鄰定位焊點的間隔距離為IOmm?30mm，焊接過程中，控制輸出激光功率，確保焊漏槽上邊緣熔透，且漏入焊漏槽的金屬量約占整個焊漏槽橫截面積的1/4?1/2，最大不宜超過2/3。
[0008]所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，所述的激光器為Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纖激光器、半導體激光器或CO2激光器。
[0009]所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，進行38CrMoAlA與lCrl7Ni2異種金屬筒體類部件的焊接，焊接區域為筒體兩端的兩條環焊縫；38CrMoAlA和lCrl7Ni2均屬于淬硬傾向較高的金屬材料，材料本身具有較高的焊接冷裂傾向，激光自熔焊縫的組織為硬而脆的高碳馬氏體組織，得到的高碳馬氏組織具有極高的冷裂傾向，加之工件結構的剛性拘束大，且異種金屬材料焊接接頭在材料化學成分、組織及殘余應力分布等方面具有較大的不均勻性，因此直接采用激光自熔焊獲得的焊縫在焊后出現了嚴重的焊接冷裂紋，及時通過焊前預熱、焊后保溫的方式也無法有效抑制。
[0010]所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，進行上述異種金屬筒體類零部件焊接時所用的焊材為自行研制開發的特殊不銹鋼焊片，焊片橫截面尺寸:厚度X高度為0.5mmX4.2mm，工件開設矩型窄間隙坡口，坡口尺寸:寬度X深度為
0.6mmX3.3mm,焊漏槽為圓形,直徑為Φ1.2mm,焊漏槽上邊緣與坡口根部的間距為0.5mm ；將焊片預置到工件坡口內，采用激光點焊的方式將焊片固定，而后完成整條環焊縫的焊接；激光點焊的激光功率為1200W，焊接所用功率為3200W ;所用的激光器為Trudisk6002碟形激光器，最大額定功率6kW，輸出激光波長為1.03 μ m。
[0011]焊后對焊縫進行X射線探傷檢驗，并對焊縫的成型及接頭的強度進行檢測分析，X射線探傷結果表明，各焊縫均未發現裂紋、未熔合缺陷，對這兩種金屬材料直接用激光焊進行焊接，焊后出現了貫穿整個焊縫的冷裂紋；焊縫成型分析表明，焊縫已將焊漏槽熔透，焊縫的形狀與激光焊縫的形態相似；組織分析表明，獲得的焊縫金屬組織為“奧氏體+少量的鐵素體組織”，焊縫具有較好的韌性和抗裂性；拉伸試驗結果表明，接頭的抗拉強度均大于760Mpa，試樣的破壞位置發生在38CrMoAlA母料一側，表明接頭具有較高的強度。
[0012]有益效果:
1.本發明通過預置焊材可以有效地對焊縫金屬成分及組織進行調控，可實現可焊性差、淬硬性大、結構剛性拘束大、裂紋傾向高的金屬材料及異種金屬材料的激光焊接，與背景中提到的激光填絲焊相比，焊接熱輸入更低、焊接變形更小、焊接過程可靠穩定性更好，更適合于精密部件的焊接。
[0013]本發明通過在坡口根部設計減應力槽，可將“非全熔透焊縫”變為全熔透焊縫，提高接頭的結構完整性，改善焊縫根部的受力情況，降低焊縫根部開裂的風險。將“非全熔透焊縫”變為全熔透焊縫，可以改善激光焊接過程中匙孔的穩定性，降低焊縫氣孔率。
[0014]【專利附圖】
【附圖說明】: 附圖1是本發明焊接方法示意圖。
[0015]附圖2是本發明焊后焊縫橫截面示意圖。
[0016]附圖中I焊接工件，2焊接減應力槽，3窄間隙坡口，4預置的焊片，5焊片，6激光束，7焊縫。
[0017]【具體實施方式】:
實施例1:
一種可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，其該方法包括:在材料的焊接區域開設窄間隙坡口，坡口可以為矩形、“U形”和“I形”坡口，如果焊縫為“非全熔透焊縫”即焊縫熔深小于板厚，則在上述坡口的根部區域加工減應力槽，減應力槽可以為圓形、橢圓形、矩形和方形，將特制的可有效調控焊縫金屬組織及化學成分的焊片預置到坡口內，用激光點焊的方式將預置的焊片固定，而后用激光焊進行施焊，焊接過程中控制輸出的激光能量，確保預置的焊片完全熔化且完全將減應力槽的上邊緣熔透。
[0018]實施例2:
根據實施例1所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，所述的開設的窄間隙坡口寬度為0.2mm-l.2_，所述的填充的焊片為矩形，為防止焊后焊縫表面凹陷，所述的焊片的高度在H?H+2.0 mm范圍內(H為坡口深度)，所述的減應力槽不宜過大，所述的減應力槽沿坡口寬度方向的最大尺寸控制在1.0mm?3.0mm范圍內，所述的減應力槽上邊緣與坡口根部的距離在a0.1mm?2mm范圍內。
[0019]實施例3:
根據實施例1或2所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，為防止焊片焊接過程中受熱翹曲，焊接前采用激光點焊方式將預置焊片固定，相鄰定位焊點的間隔距離為IOmm?30mm，焊接過程中，控制輸出激光功率，確保焊漏槽上邊緣熔透，且漏入焊漏槽的金屬量約占整個焊漏槽橫截面積的1/4?1/2，最大不宜超過2/3。
[0020]實施例4:
根據實施例1或2所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，所述的激光器可為Nd =YAG激光器、碟型激光器、光纖激光器、半導體激光器或CO2激光器。
[0021]實施例5:
根據實施例1或2所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，利用上述預置焊材激光焊接方法進行了 38CrMoAlA與lCrl7Ni2異種金屬筒體類部件的焊接，焊接區域為筒體兩端的兩條環焊縫。38CrMoAlA和lCrl7Ni2均屬于淬硬傾向較高的金屬材料，材料本身具有較高的焊接冷裂傾向，激光自熔焊縫的組織為硬而脆的高碳馬氏體組織，得到的高碳馬氏組織具有極高的冷裂傾向，加之工件結構的剛性拘束大，且異種金屬材料焊接接頭在材料化學成分、組織及殘余應力分布等方面具有較大的不均勻性，因此直接采用激光自熔焊獲得的焊縫在焊后出現了嚴重的焊接冷裂紋，及時通過焊前預熱、焊后保溫的方式也無法有效抑制。
[0022]實施例6:
根據實施例1或2所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，利用本發明進行上述異種金屬筒體類零部件焊接時所用的焊材為自行研制開發的特殊不銹鋼焊片，焊片橫截面尺寸(厚度X高度)為0.5mmX 4.2mm，工件開設矩型窄間隙坡口，坡口尺寸(寬度X深度)為0.6mmX 3.3mm，焊漏槽為圓形，直徑為Φ 1.2mm，焊漏槽上邊緣與坡口根部的間距為0.5_。將焊片預置到工件坡口內，采用激光點焊的方式將焊片固定，而后完成整條環焊縫的焊接。激光點焊的激光功率為1200W，焊接所用功率為3200W。所用的激光器為Trudisk6002碟形激光器，最大額定功率6kW，輸出激光波長為1.03 μ m。
[0023]焊后對焊縫進行X射線探傷檢驗，并對焊縫的成型及接頭的強度進行檢測分析，X射線探傷結果表明，各焊縫均未發現裂紋、未熔合缺陷(對這兩種金屬材料直接用激光焊進行焊接，焊后出現了貫穿整個焊縫的冷裂紋)；焊縫成型分析表明，焊縫已將焊漏槽熔透，焊縫的形狀與激光焊縫的形態相似；組織分析表明，獲得的焊縫金屬組織為“奧氏體+少量的鐵素體組織”，焊縫具有較好的韌性和抗裂性；拉伸試驗結果表明，接頭的抗拉強度均大于760Mpa，試樣的破壞位置發生在38CrMoAlA母料一側，表明接頭具有較高的強度。
【權利要求】
1.一種可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，其特征是:該方法包括:在材料的焊接區域開設窄間隙坡口，坡口為矩形、“U形”和“I形”坡口 ；焊縫為非全熔透焊縫，即焊縫熔深小于板厚，則在上述坡口的根部區域加工減應力槽，減應力槽為圓形、橢圓形、矩形和方形，將特制的有效調控焊縫金屬組織及化學成分的焊片預置到坡口內，用激光點焊的方式將預置的焊片固定，而后用激光焊進行施焊，焊接過程中控制輸出的激光能量，確保預置的焊片完全熔化且完全將減應力槽的上邊緣熔透。
2.根據權利要求1所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，其特征是:所述的開設的窄間隙坡口寬度為0.2mm-l.2_，所述的填充的焊片為矩形，為防止焊后焊縫表面凹陷，所述的焊片的高度在H~H+2.0 mm范圍內，H為坡口深度，所述的減應力槽沿坡口寬度方向的最大尺寸控制在1.0mm~3.0mm范圍內，所述的減應力槽上邊緣與坡口根部的距離a在0.1mm~2mm范圍內。
3.根據權利要求1或2所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，其特征是:為防止焊片焊接過程中受熱翹曲，焊接前采用激光點焊方式將預置焊片固定，相鄰定位焊點的間隔距離為IOmm~30mm，焊接過程中，控制輸出激光功率，確保焊漏槽上邊緣熔透，且漏入焊漏槽的金屬量約占整個焊漏槽橫截面積的1/4~1/2，最大不宜超過2/3。
4.根據權利要求1或2所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，其特征是:所述的激光器為Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纖激光器、半導體激光器或CO2激光器。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，其特征是:進行38CrMoAlA與lCrl7Ni2異種金屬筒體類部件的焊接，焊接區域為筒體兩端的兩條環焊`縫；38CrMoAlA和lCrl7Ni2均屬于淬硬傾向較高的金屬材料，材料本身具有較高的焊接冷裂傾向，激光自熔焊縫的組織為硬而脆的高碳馬氏體組織，得到的高碳馬氏組織具有極高的冷裂傾向，加之工件結構的剛性拘束大，且異種金屬材料焊接接頭在材料化學成分、組織及殘余應力分布等方面具有較大的不均勻性，因此直接采用激光自熔焊獲得的焊縫在焊后出現了嚴重的焊接冷裂紋，及時通過焊前預熱、焊后保溫的方式也無法有效抑制。
6.根據權利要求1或2或3或4所述的可顯著改善接頭組織及應力狀態的預制焊材激光焊接方法，其特征是:進行上述異種金屬筒體類零部件焊接時所用的焊材為自行研制開發的特殊不銹鋼焊片，焊片橫截面尺寸:厚度X高度為0.5mmX4.2mm，工件開設矩型窄間隙坡口，坡口尺寸:寬度X深度為0.6mmX 3.3mm，焊漏槽為圓形，直徑為Φ 1.2mm，焊漏槽上邊緣與坡口根部的間距為0.5mm ;將焊片預置到工件坡口內，采用激光點焊的方式將焊片固定，而后完成整條環焊縫的焊接；激光點焊的激光功率為1200W，焊接所用功率為3200W ；所用的激光器為Trudisk6002碟形激光器，最大額定功率6kW，輸出激光波長為1.03 μ m ; 焊后對焊縫進行X射線探傷檢驗，并對焊縫的成型及接頭的強度進行檢測分析，X射線探傷結果表明，各焊縫均未發現裂紋、未熔合缺陷，對這兩種金屬材料直接用激光焊進行焊接，焊后出現了貫穿整個焊縫的冷裂紋；焊縫成型分析表明，焊縫已將焊漏槽熔透，焊縫的形狀與激光焊縫的形態相似；組織分析表明，獲得的焊縫金屬組織為“奧氏體+少量的鐵素體組織”，焊縫具有較好的韌性和抗裂性；拉伸試驗結果表明，接頭的抗拉強度均大于760Mpa，試樣的破壞位置發生在3`8CrMoAlA母料一側，表明接頭具有較高的強度。
【文檔編號】B23K26/24GK103817439SQ201410092004
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月13日 優先權日:2014年3月13日
【發明者】雷振, 王旭友, 俎志鴻, 楊燕, 都治國, 林尚揚, 孫謙 申請人:機械科學研究院哈爾濱焊接研究所