低合金激光电弧复合焊接法制造技术

本发明专利技术涉及一种低合金激光电弧复合焊接法。它针对传统焊接方法存在的问题，采用低合金钢激光‑电弧复合焊接技术具有热输入量低、熔深大、变形小、焊接速度快等优点，且焊缝面积、热影响区宽度及有害气体、烟尘的排放量减小，有利于改善焊接质量，提高焊接效率，降低生产成本，提升产品品质，减轻环境污染。

Low Alloy Laser Arc Composite Welding

【技术实现步骤摘要】
低合金激光电弧复合焊接法
本专利技术涉及冶金、机械、船舶、汽车、管道、石油化工、海洋装备、压力容器及军工等
的一种低合金钢激光-电弧复合焊接技术，属于材料焊(连)接

技术介绍
低合金钢具有高强度、高韧性及良好的综合性能等特点，在工业领域得到广泛的应用。众所周知，任何金属结构材料的广泛应用不仅取决于其自身的性能特点，而且也依赖于焊(连)接技术的进步。目前，低合金钢焊接(特别是中、厚板焊接)主要采用埋弧焊、气体保护电弧焊等传统的焊接方法，虽具有工艺成熟、生产成本低等优点，但是存在焊接热输入量大、变形大、接头脆化、易产生缺陷及焊接生产效率低等问题。随着科学技术的进步和国民经济的发展，对低合金钢的焊接质量、生产效率及产品品质提出了更高的要求。传统的焊接方法一定程度上已不能满足不断提高的焊接质量及生产效率的要求。焊接技术创新升级是解决上述问题的重要选择对策。激光-电弧复合焊是一种优质、高效的焊接新技术，它利用激光和电弧的特点组成复合焊接热源，具有能量密度高、热输入量低、熔深大、焊接速度快、变形小及装配间隙适应强等优点，有利于提高低合金钢的焊接质量、生产效率及产品品质，应用于中、厚板的焊接具有更大的优势。自二十世纪70年代英国学者W.M.Steen提出激光-电弧复合焊工艺思想以来，国内外科研工作者对这种焊接方法进行了较为深入的研究和探索。发达国家已将激光-电弧复合焊技术应用于汽车、船舶、航天航空、石油化工等工业领域，在改善焊接质量、提高生产效率、提升产品品质等方面取得了显著的效果。我国激光-电弧复合焊技术的研发及应用尚处于起步阶段。因此，基于激光-电弧耦合特点和激光-电弧复合焊参数的影响规律，研发低合金钢激光-电弧复合焊接技术在冶金、机械、船舶、汽车、管道、石油化工、海洋装备、压力容器及军工等领域具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低合金激光电弧复合焊接法，该技术针对采用传统的焊接方法焊接低合金钢存在的问题，基于激光-电弧耦合效应特点，系统地研究激光-电弧复合焊参数对焊接热输入、熔深熔宽、焊接缺陷、焊缝成形、接头微观组织及力学性能等的影响规律，在此基础上，采用正交设计试验方法优化多层焊各层(道)焊缝的焊接参数及焊接坡口尺寸：第一道焊缝的优化目标是，增加熔化深度，防止未熔透、气孔等焊接缺陷，改善焊缝组织、性能及背面成形；多层焊后续焊缝的优化目标是，增加焊接熔敷量，防止未熔合、咬边等焊接缺陷，改善焊缝组织、性能及表面成形；焊接坡口尺寸的优化目标是，通过优化钝边高度和坡口角度，减少多层焊缝的层(道)数、焊接熔敷量及热输入量，提高焊接质量及焊接生产效率。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种低合金激光电弧复合焊接法，按以下工艺步骤进行：a)坡口加工：低合金钢接头形式为Y形坡口对接，坡口角度θ＝25-35°，钝边高度h＝4-10mm。通过增大钝边高度和减小坡口角度，减少多层焊缝的层(道)数、焊接熔敷量及热输入量，提高焊接质量及焊接生产效率。b)焊接材料：按照“等强性原则”及使用性能要求选择焊接材料，保证焊接接头的力学性能及使用性能。例如：Q355NH、S355J2W低合金钢的气体保护电弧焊，选用H10MnSiCuNiⅡ、NiCu1-IG焊丝。c)焊接工艺：采用激光-电弧复合多层焊工艺，钝边间隙a≤1.1mm，激光功率0-7kW，离焦量(-1)-(-3mm)，光丝间距0.5-3.5mm，焊接电流220-290A，焊接速度0.3-1.3m/min。d)激光-电弧复合焊接过程中采用氩气(Ar)或活性气体(85-80％Ar+15-20％CO2)保护焊接区，防止H、O、N等对焊缝组织、性能的有害影响，改善焊缝成形及焊接质量。步骤c所述多层焊第一道焊缝的焊接参数：激光功率4-6kW、焊接电流230-250A、焊接速度0.8-1.2m/min，通过优化复合焊参数优化激光-电弧耦合效应及焊接线能量，增加熔化深度，防止未熔透、气孔等焊接缺陷，改善焊缝背面成形，提高焊接质量及效率；多层焊后续焊缝的焊接参数：激光功率0-2kW、焊接电流220-290A、焊接速度0.4-0.7m/min，通过优化复合焊参数优化激光-电弧耦合效应及焊接线能量，增加焊接熔敷量，防止未熔合、咬边等焊接缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。研究结果表明，与传统的电弧焊不同，激光-电弧复合焊的焊缝形貌具有类似“高脚杯”状特点，焊缝上部为电弧区、下部为激光区，焊缝面积和热影响区宽度明显减小。激光-电弧复合焊参数(激光功率、焊接电流、焊接速度等)和焊接坡口尺寸是影响接头性能、焊接质量及生产效率的重要因素。提高激光功率有利于增加熔深、防止未焊透缺陷，提高接头性能及焊接质量，但过高的激光功率易导致产生焊缝气孔，影响接头性能及焊接质量；增加焊接速度有利于减小焊接热输入、残余应力、焊接变形及产生气孔的倾向，提高焊接生产效率，但焊接速度过快导致熔深熔宽减小和接头冷却速度增加，易产生未熔合、裂纹等焊接缺陷，且焊缝成形明显恶化；焊接电流的影响较为复杂，在焊接电流与激光功率合理结合条件下，有利于增加熔深、改善接头性能及焊接质量。激光-电弧复合多层焊的第一道焊缝选择相对高的激光功率、焊接速度和相对低的焊接电流，不仅有利于降低热输入、增大熔深、防止未焊透缺陷，而且可明显减小焊缝产生气孔的倾向；多层焊的后续焊缝选择相对高焊接电流和相对低的激光功率、焊接速度，有利于防止未熔合、咬边等焊接缺陷；基于增大钝边高度和坡口角度的基本思想优化坡口尺寸，有利于减少多层焊缝的层(道)数、焊接熔敷量及热输入量，提高焊接质量及焊接生产效率。优化激光-电弧复合焊参数和坡口尺寸是提高接头性能、焊接质量及生产效率的有效途径。采用本专利技术的方法进行低合金钢激光-电弧复合焊接，达到的性能指标为：(1)激光-电弧复合焊接过程稳定，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)Q355NH钢板(板厚10mm、16mm)激光-电弧复合焊接头的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功分别为510-560MPa、380-410MPa、21-23％、50-70J(－20℃)，接头弯曲180°表面无裂纹。根据GB/T4172-2000，Q355NH钢的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功分别为490-630MPa、≥355MPa、20-22％、≥34J(－20℃)。因此，Q355NH钢激光-电弧复合焊接头的力学性能高于Q355NH钢母材力学性能的下限值。(3)S355J2W钢板(板厚12mm、20mm)激光-电弧复合焊接头的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功分别为500-540MPa、370-390MPa、20-24％、60-80J(－20℃)，接头弯曲180°表面无裂纹。根据EN10025-5：2004E，S355J2W钢抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功分别为470-630MPa、≥355MPa、20-22％、≥27J(－20℃)。因此，S355J2W钢激光-电弧复合焊接头的力学性能高于S355J2W钢母材力学性能的下限值。本专利技术具有以下主要优点：(1)与传统的焊接方法(埋弧焊、气体保护电弧焊等)相比，本专利技术的低合金钢激光-电弧复合焊接技术具有热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低合金激光电弧复合焊接法，其特征在于，按以下工艺步骤进行：a)坡口加工：低合金钢接头形式为Y形坡口对接，坡口角度θ＝25‑35°，钝边高度h＝4‑10mm，通过增大钝边高度和减小坡口角度，减少多层焊缝的层和道数、焊接熔敷量及热输入量，提高焊接质量及焊接生产效率；b)焊接材料：按照“等强性原则”及使用性能要求选择焊接材料，保证焊接接头的力学性能及使用性能；c)焊接工艺：采用激光‑电弧复合多层焊工艺，钝边间隙a≤1.1mm，激光功率0‑7kW，离焦量(‑1)‑(‑3mm)，光丝间距0.5‑3.5mm，焊接电流220‑290A，焊接速度0.3‑1.3m/min；d)激光‑电弧复合焊接过程中采用氩气Ar或活性气体85‑80％Ar+15‑20％CO2保护焊接区，防止H、O、N等对焊缝组织、性能的有害影响，改善焊缝成形及焊接质量。

【技术特征摘要】
1.一种低合金激光电弧复合焊接法，其特征在于，按以下工艺步骤进行：a)坡口加工：低合金钢接头形式为Y形坡口对接，坡口角度θ＝25-35°，钝边高度h＝4-10mm，通过增大钝边高度和减小坡口角度，减少多层焊缝的层和道数、焊接熔敷量及热输入量，提高焊接质量及焊接生产效率；b)焊接材料：按照“等强性原则”及使用性能要求选择焊接材料，保证焊接接头的力学性能及使用性能；c)焊接工艺：采用激光-电弧复合多层焊工艺，钝边间隙a≤1.1mm，激光功率0-7kW，离焦量(-1)-(-3mm)，光丝间距0.5-3.5mm，焊接电流220-290A，焊接速度0.3-1.3m/min；d)激光-电弧复合焊接过程中采用氩气Ar或活性气体85-80％Ar+15-20％CO2保护焊接区，防止H、O、N等对焊缝组织、性能的有害影响，改善焊缝成形及焊接质量。2.根据权利要求1所述的一种低合金激光电弧复合焊接法，其特征在于，步骤c所述多层焊第一道焊缝的焊接参数：激光功率4-6kW、焊接电流230-250A、焊接速度0.8-1.2m/min，通过优化复合焊参数优化激光-电弧耦合效应及焊接线能量，增加熔化深度，防止未熔透、气孔等焊接缺陷，改善焊缝背面成形，提高焊接质量及效率；多层焊后续焊缝的焊接参数：激光功率0-2kW、焊接电流220-290A、焊接速度0.4-0.7m/min，通过优化复合焊参数优化激光-电弧耦合效应及焊接线能量，增加焊接熔敷量，防止未熔合、咬边等焊接缺陷，改善焊缝表面成形，提高焊接质量。3.根据权利要求1或2所述的一种低合金激光电弧复合焊接法，其特征在于，所述低合金钢为Q355NH钢板的激光-电弧复合焊，板厚10mm；接头形式为Y形坡口对接，坡口角度θ＝32°，钝边高度h＝5mm；复合焊采用Φ1.2mm的H10MnSiCuNiⅡ焊丝和二层二道焊接工艺；第一道焊缝的焊接参数：激光功率5kW、焊接电流230A、焊接速度1.2m/min，第二道焊缝的焊接参数：激光功率2kW、焊接电流230A、焊接速度0.7m/min；焊接过程中采用80...

【专利技术属性】
技术研发人员：施忠成，
申请(专利权)人：黎明钢构股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42