一种Invar钢激光‑电弧复合焊接方法技术

本发明专利技术提供了一种Invar钢激光‑电弧复合焊接方法，步骤包括焊丝选择、带钝边坡口加工、焊前准备及激光‑电弧复合焊接；所述焊前准备包括焊件装夹固定和焊前坡口清理，焊接时还向焊接区域通入保护气体；焊接时保持所述激光束沿焊接方向位于所述电弧前方，所述激光焊接头和弧焊枪与所述Invar钢焊件表面的夹角分别设置为45°~90°和60°~90°；所述焊接方法既保留了激光焊接能量密度高、焊接速度快、热变形小、焊接效率高等特点，又具有电弧焊接搭桥能力好、对间隙要求低、可使用填充材料来改善焊缝冶金性能的优点；同时通过焊接过程中对激光与电弧复合点空间位置的控制，避免了焊接中出现气孔缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于特种材料焊接领域，涉及一种Invar钢激光-电弧复合焊接方法，可避免焊接中产生气孔缺陷。
技术介绍
复合材料具有强度高、比重小、疲劳性能好等特点，应用于航空航天产品中能够带来机体结构的减重、维护间隔延长和运营成本下降等综合效益，这些优点使复合材料成为制造航空航天产品的基本材料之一，也使复合材料的制备技术成为研制航空航天产品关键技术之一。Invar钢材料是一种含镍量在35~36%的镍基合金，具有极低的热膨胀系数，稳定性好，特别适合于复合材料模具的制造材料。通过焊接的方式可制作复合材料大型模具，在航空、航天领域具有广泛的应用前景。现有技术中Invar钢焊接主要采用焊条电弧焊、埋弧焊、非熔化极气体保护焊、激光焊等方法，其中：手工的电弧焊工作条件差、效率低，对焊接操作人员的技术水平要求较高，焊接质量受人为因素影响较大，焊接过程不稳定；埋弧焊接容易造成夹杂、焊漏、焊偏等缺陷，并且埋弧焊热输入量大，易变形，热影响区较大，对母材性能有较大影响；非熔化气体保护焊能量密度较低，对于厚板材料，焊接效率较低，无法满足实际生产需求。激光焊接具有能量密度大、焊接速度快、焊接变形小等优点，对于Invar钢这种具有较大热裂纹倾向的材料具有较大的优势。但是单激光焊接方法无法加入填充材料，对焊缝冶金性能有一定影响，并且对于厚板Invar钢焊接，单激光焊接熔深受到限制，焊接质量仍待提高。Invar钢焊接主要有以下技术难题，包括四个方面的问题：一是Invar钢极易氧化，在焊前要对表面进行清理，并时刻注意焊接过后的表面保护，防止氧化；二是由于Invar钢成份组成特殊，对热裂纹比较敏感，对焊接热输入的要求较严格；三是Invar钢作为模具用钢，其在焊接过程中的变形会影响使用性能并且增加矫形加工难度，对其变形的控制也是焊接难点之一；四是气孔问题，而这也是Invar钢焊接的首要技术难题，由于Invar钢含Ni元素较高，在液态下的流动性差，极易在焊接过程中生成气孔缺陷，对焊接质量影响较大。在公开号为CN105665933A的中国专利文献中公开了一种Invar模具钢激光-电弧复合焊接方法，但是其中并没有涉及如何处理焊缝中的气孔缺陷，也没有提出预防气孔缺陷的方法。鉴于现有技术仍未解决Invar钢焊接存在的气孔缺陷问题，研发一种新的Invar钢焊接工艺成为当务之急。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种Invar钢激光-电弧复合焊接方法，该焊接方法采用激光热源与电弧热源相复合焊接Invar钢材料，具有能量密度大、焊接速度快、焊接变形小且无气孔缺陷的优点，能够实现不同板厚Invar材料的高质量、高效率焊接。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供的技术方案为：一种Invar钢激光-电弧复合焊接方法，包括步骤为：根据待焊接的Invar钢材料选定适用的焊丝，通常选择与焊件的母材成份相近的焊丝，焊接时向焊接位置输送焊丝；在所述Invar钢焊件待焊部位加工出带钝边的坡口，因Invar钢极易氧化，坡口加工完成后应尽快焊接，防止试样的二次污染；进行焊前准备，包括使用夹具将所述Invar钢焊件装夹固定在工作台上，使焊件带钝边坡口相对；使用激光焊接头和弧焊枪分别发出的激光束和电弧对所述Invar钢焊件进行复合焊接，即利用激光束和电弧同时熔化所述Invar钢焊件的待焊部位和焊丝形成焊缝从而实现焊接；焊接时保持所述激光束沿焊接方向位于所述电弧前方，所述激光焊接头和弧焊枪与所述Invar钢焊件表面的夹角分别设置为45°~90°和60°~90°。优选地，焊接时向焊接位置通入保护气体，通常通过保护气体喷嘴将气源输出的保护气体吹向焊接位置；进一步优选，所述保护气体为氩气或氦气，气流量大小15~25L/min。优选地，所述带钝边的坡口为I型、U型、X型或Y型，其中：所述钝边长度为1~6mm，所述X型和Y型坡口的坡口角度范围为30°~60°，可根据Invar钢焊件的钢板厚度采用单面焊或双面焊等成型方式，并分别选择适用的坡口形状与钝边长度。优选地，所述焊前准备还包括在焊接前对所述坡口周围20mm内的所述Invar钢焊件的母材进行打磨清理，直到露出金属光泽，确保无油、水等污染物。优选地，采用反变形结合刚性固定的方式进行所述焊件装夹固定，反变形角度设置为2°~10°。作为优选，所述焊丝的干伸长设置为15~20mm，光丝间距设置为2~5mm，送丝速度设置为0.5~22m/min。作为优选，焊接时的激光功率为1~5kW，激光波长为1030nm，激光离焦量设置为-2~10mm；焊接电流为130~350A；焊接速度为0.3~1.5m/min。作为前述焊接方法的优选，采用多层多道方式焊接，每道焊接完成后对层间焊缝进行清理，确保无氧化皮、夹杂等污染物。进一步优选地，所述多层多道焊接为三层三道焊接，层间温度设置为20~100℃，每层施焊一道，分别为打底焊、填充焊和盖面焊。本专利技术实施例提供了激光热源与电弧热源相复合的优化的Invar钢材料焊接方法，与常规Invar钢焊接方法相比，有益效果如下：本专利技术提供的焊接方法既保留了激光焊接能量密度高、焊接速度快、热输入小、变形小、焊接效率高等特点，又具有电弧焊接搭桥能力好、对间隙要求低、可使用填充材料来改善焊缝冶金性能的优点；同时通过焊接过程中对激光与电弧复合点空间位置的控制，避免了焊接中出现气孔缺陷；本专利技术所述焊接方法特别适用于长直板和厚板，可实现不同板厚Invar材料的高质量、高效率焊接。附图说明图1为本专利技术实施例激光-电弧复合焊接流程图；图2为本专利技术实施例Y型焊接带钝边坡口结构示意图；图3为本专利技术实施例U型焊接带钝边坡口结构示意图；图4a为本专利技术实施例1焊缝第一层成型示意图；图4b为本专利技术实施例1焊缝第二层成型示意图；图5a所示为本专利技术实施例1焊缝第一层成型效果；图5b所示为本专利技术实施例1焊缝第一层成型效果；图5c所示为本专利技术实施例1两层两道焊接焊缝截面效果；图6a为本专利技术实施例2打底焊焊缝成型示意图；图6b为本专利技术实施例2填充焊焊缝成型示意图；图6c为本专利技术实施例2盖面焊焊缝成型示意图；图7a所示本专利技术实施例2打底焊焊缝成型效果；图7b所示本专利技术实施例2填充焊焊缝成型效果；图7c所示本专利技术实施例2盖面焊焊缝成型效果；图7d所示为本专利技术实施例2三层三道焊接焊缝纵截面效果。其中：h为钝边长度；α为坡口角度。具体实施方式以下结合附图通过实施例对本专利技术做进一步说明，以便更好地理解本专利技术。本专利技术提供的焊接工艺采用激光热源与电弧热源相复合焊接Invar钢材料，具有热输入小、焊接变形小且无气孔缺陷的特点，能够实现不同板厚Invar材料的高质量、高效率焊接。如图1所示为本专利技术实施例的一种Invar钢激光-电弧复合焊接方法的基本流程，包括：S1：焊丝选择，即按照待焊接的Invar钢材料选定适用的焊丝；S2：带钝边坡口加工，即在所述Invar钢焊件待焊部位加工出带钝边的坡口；S3：焊前准备，包括使用夹具将所述Invar钢焊件装夹固定在工作台上；S4：激光-电弧复合焊接，即使用激光焊接头和弧焊枪分别发出的激光束和电弧对所述Invar钢焊件进行复合焊接，即利用激光束和电弧同时熔化所述Invar钢焊件的待焊部位和焊丝形成焊缝从而实现焊接；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Invar钢激光‑电弧复合焊接方法，包括步骤为：根据待焊接的Invar钢材料选定适用的焊丝；在所述Invar钢焊件待焊部位加工出带钝边的坡口；进行焊前准备，包括使用夹具将所述Invar钢焊件装夹固定在工作台上；使用激光焊接头和弧焊枪分别发出的激光束和电弧对所述Invar钢焊件进行复合焊接；其特征在于：焊接时保持所述激光束沿焊接方向位于所述电弧前方，所述激光焊接头和弧焊枪与所述Invar钢焊件表面的夹角分别设置为45°~90°和60°~90°。

【技术特征摘要】
1.一种Invar钢激光-电弧复合焊接方法，包括步骤为：根据待焊接的Invar钢材料选定适用的焊丝；在所述Invar钢焊件待焊部位加工出带钝边的坡口；进行焊前准备，包括使用夹具将所述Invar钢焊件装夹固定在工作台上；使用激光焊接头和弧焊枪分别发出的激光束和电弧对所述Invar钢焊件进行复合焊接；其特征在于：焊接时保持所述激光束沿焊接方向位于所述电弧前方，所述激光焊接头和弧焊枪与所述Invar钢焊件表面的夹角分别设置为45°~90°和60°~90°。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：焊接时向焊接位置通入保护气体。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述保护气体为氩气或氦气，气流量大小15~25L/min。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述带钝边的坡口为I型、U型、X型或Y型，其中：所述钝边长度为1~6mm，所述X型和Y型坡口的坡口角度范围为30°~60°。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，高雪松，李博，刘东涛，
申请(专利权)人：南京先进激光技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32