CN105665933B - 一种Invar模具钢激光‑电弧复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Invar模具钢激光‑电弧复合焊接方法，步骤如下：焊接材料的选用；Invar钢厚板焊件坡口形状设计及焊前准备；Invar模具钢厚板激光‑电弧复合焊接路径规划；Invar模具钢厚板激光电弧复合焊接工艺参数设计。本发明通过合理采用激光‑电弧复合焊接技术，完成了大飞机复材零件专用厚板Invar模具钢的焊接。

Description

一种Invar模具钢激光-电弧复合焊接方法

技术领域

本发明属于镍基合金高能束焊接技术领域，尤其指代一种Invar模具钢激光-电弧复合焊接方法。

背景技术

复合材料由于比重小、强度高、疲劳性能好等一系列优点，应用于航空航天产品中能够带来减轻机体结构、延长维护间隔和降低运营成本等综合效益，因此成为大型飞机制造的关键材料之一。复材零件是在模具中进行复合并最终成型的，且成型后的零件外型面不再做任何加工，这就对模具材料提出了一定的要求：变化温度下的稳定性、与复合材料相一致的热膨胀系数、真空环境中良好的稳固性和低制造成本等。Invar钢因其低的膨胀系数，良好的变温稳定性和低制造成本，成为模具制造的重要材料之一。

由于大型飞机复合材料的尺寸都较大，因此模具尺寸也较大，很难一次成型，通常需要采用焊接结构。目前，大厚板Invar模具钢的焊接工艺一般为熔化极气体保护焊(MIG焊)，并进行多层多道填充。该工艺操作简单、成本较低，但也存在诸多局限性。例如焊道数量多导致示教和焊接时间长，效率低下；多次示教增加了劳动强度，且误差逐渐积累，影响焊接质量；常规电弧焊接深宽比小，容易造成未焊透、未融合等焊接缺陷，而采用较高的热输入又容易造成晶粒粗大、焊后变形严重。

针对以上问题，如何有效改善Invar钢焊接的熔透性，稳定焊接质量，减小焊接变形，提高焊接效率已成为业界人士关心的重要课题。

在激光、电弧复合进行焊接时电弧会与激光出现协同效应，在电流与激光功率匹配的情况下，焊缝熔深会比激光焊增加一倍以上。因此采用参数合适的激光-电弧复合焊接工艺时，较低的热输入下可获得较大的焊缝深宽比，有效改善Invar钢焊接时熔透性。且极大地缩短了焊接时间。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Invar模具钢激光-电弧复合焊接方法，解决了现有技术中电弧焊接技术厚板Invar钢时存在的层间融合不良，裂纹夹渣较多，焊缝成型不良，生产效率低等问题，本发明的方法可在极大提高生产效率的同时得到焊缝质量稳定的厚板Invar模具钢对接接头。

为达到上述目的，本发明的一种Invar模具钢激光-电弧复合焊接方法，包括如下步骤：

焊接材料的的选用：所述Invar模具钢板材化学成分的重量百分比为：Ni35.5％-36.5％、C<0.01％、Si<0.02％、Mn0.2％-0.4％、P<0.007％、S<0.002％、Cr<0.15％、Co<0.4％、其余为Fe；

设计Invar模具钢板焊件坡口形状及焊前准备：进行单面焊接成形，待焊件开V型坡口，坡口角度为30°，钝边6mm，钝边间距0.8mm，焊接过程保护采用99.9％Ar，流量控制在15L/min，激光功率为2-6KW，离焦量为0mm，激光前导距离为0mm，焊接电流为240-320A，电弧电压为24.3-26.6V，焊接速度为0.35-1m/min，电弧焊枪倾角45°；焊前对坡口附近进行精细打磨，去除试样表面残留的杂质，使用丙酮擦拭、清洗试样，去除残余油污；

Invar模具钢板激光-电弧复合焊接路径规划：Invar模具钢厚度为19.05mm，设计三层，每层采用单道焊缝、直线焊接路径填充，焊接方向依次交替；

Invar模具钢板激光-电弧复合焊接参数为：打底焊所用激光功率为5500W，焊接电流240A、焊接速度1m/min，送丝速度为1.2m/min；填充焊所用激光功率为2000W，焊接电流250A、焊接速度0.35m/min，送丝速度为1.2m/min；盖面焊所用激光功率为2000W，焊接电流300A、焊接速度0.35m/min，送丝速度为1.2m/min。

优选地，所用焊接材料为Invar M93焊丝，焊丝直径1.2mm，焊丝化学成分与母材化学成分相同。

本发明的有益效果：

本发明通过合理采用激光-电弧复合焊接技术，实现了飞机复材模具制造专用的大厚度Invar钢的焊接；对于厚度为19.05mm的Invar钢，采用3层焊缝、每层1道焊缝进行填充；焊缝成形优良，无明显飞溅、咬边、夹渣等缺陷，焊缝总深宽比大，焊后变形很小；打底焊较大的激光功率，获得较大的深宽比，可保证打底焊焊透；填充焊及盖面焊时，可降低激光功率，增大电弧功率，从而适当减小焊缝深宽比；通过激光引导并稳定电弧，可获得较好的层间熔合效果及盖面成形。

本发明还克服了采用传统电弧焊接技术厚板Invar钢时存在的层间融合不良，裂纹夹渣较多，焊缝成型不良，生产效率低等缺点，为提高Invar钢焊接接头力学性能、改善焊后变形提供了工艺保障。

附图说明

图1为本发明实施例1中Invar钢激光-电弧复合焊试样的表面成形图；

图2为图1的截面图；

图3为本发明实施例2中Invar钢激光-电弧复合焊试样的表面成形图；

图4为图3的截面图；

附图说明：11为第一盖面层、12为第一填充层、13为第一打底层、21为第二盖面层、22为第二填充层、23为第二打底层。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明的一种Invar模具钢激光-电弧复合焊接方法，包括如下步骤：

焊接材料的的选用：所述Invar模具钢板材化学成分的重量百分比为：Ni35.5％-36.5％、C<0.01％、Si<0.02％、Mn0.2％-0.4％、P<0.007％、S<0.002％、Cr<0.15％、Co<0.4％、其余为Fe；母材属于镍基合金，室温下微观形貌为典型的奥氏体组织；所用的焊接材料为Invar M93焊丝，焊丝直径1.2mm，焊丝化学成分与母材化学成分相同，高锰含量的焊丝能够提高焊缝的脱氧能力及裂纹愈合能力；

焊接设备的选用：由KUKA机器人KR30HA、TPS-5000福尼斯焊机、IPG YLS-6000型光纤激光器及机械手等组成的激光-电弧复合焊装置；

Invar模具钢板焊件坡口形状设计及焊前准备：所述Invar模具钢厚度为19.05mm，根据装配的需要，选择单面焊接成形工艺，待焊件开V型坡口，坡口角度为30°，钝边6mm，钝边间距0.8mm，开小角度坡口可防止激光光束照射在金属两侧边，相当于提高了热输入，因此增大了熔深，同样一般情况下，增大坡口间隙会使焊缝熔深增大，当坡口钝边间隙不大于0.8mm时，间隙越大，焊缝熔深越大；焊接过程保护采用99.9％Ar，流量控制在15L/min，激光功率为2-5.5kW，离焦量为0mm，激光前导距离为0mm，焊接电流为240-300A，焊接电压24.3-26.6V，焊接速度为0.35-1m/min，电弧焊枪倾角45°，焊前对坡口附近进行精细打磨，去除试样表面残留的铁锈等杂质，使用丙酮擦拭、清洗试样，去除残余油污以确保试样表面清洁；

Invar模具钢板激光-电弧复合焊接路径规划：所述Invar模具钢板材厚度为19.05mm，设计三层，每层采用单道焊缝、直线焊接路径填充，打底层焊缝主要是激光功率及机器人速度为主导作用，填充和盖面焊接中电流及机器人速度为主导作用。将焊件装夹在工作台上，利用塞尺控制坡口间隙；焊接时，先引燃电弧，待形成熔池后才发射激光束；

Invar模具钢板激光-电弧复合焊接参数为：打底焊所用激光功率为5500-6000W，焊接电流240A、焊接速度1m/min，送丝速度为1.2m/min；填充焊所用激光功率为2000W，焊接电流220-280A、焊接速度0.35m/min，送丝速度为1.2m/min；盖面焊所用激光功率为2000W，焊接电流280-320A、焊接速度0.35m/min，送丝速度为1.2m/min。

下面通过两个实施例来具体说明：

实施例1

焊接母材选用Ni含量为35.87％的Invar钢，尺寸为100mm×50mm×19.05mm，开30°坡口，钝边厚度6mm，间距0.8mm；焊丝为Invar M93，Ni含量35.87％，直径1.2mm；99.9％Ar气氛流量为15L/min；焊接设备为KUKA机器人KR30HA、TPS-5000福尼斯焊机、IPG YLS-6000型光纤激光器；焊前对坡口附近进行精细打磨，去除试样表面残留的铁锈等杂质，使用丙酮擦拭、清洗试样，去除残余油污以确保试样表面清洁；之后进行焊接轨迹的示教与参数的设置，具体参数如下：

第一层(第一打底层13)：直线轨迹，激光功率5500W，焊接电流240A、焊接电压24.3V、速度1m/min；

第二层(第一填充层12)：直线轨迹，激光功率2000W，焊接电流250A、焊接电压24.6V、速度0.35m/min；

第三层(第一盖面层11)：直线轨迹，激光功率2200W，焊接电流300A、焊接电压26.6V、速度0.35m/min；

Invar钢焊后宏观及接头形貌如图1、图2所示，可以看出焊缝宏观形貌成形好，没有飞溅、咬边、夹渣等缺陷，焊接接头横截面表现出典型的激光-电弧复合焊接接头的形貌，焊缝中心有明显的等轴状线条，焊缝中心附近也有明显的柱状线条，并且焊缝宽，焊缝高都较小，属于较好的焊接接头。打底焊时激光功率为5500W，不会出现焊透现象，也不会发生未焊透现象，填充焊时焊接电流为250A，电弧可以在激光的引导下进行稳定高效的焊接，而盖面焊300A电流保证了焊缝成型优良，试样表面不会出现常见的焊接缺陷。

实施例2

焊接母材选用Ni含量为35.87％的Invar钢，尺寸为100mm×50mm×19.05mm，开30°坡口，钝边厚度6mm，间距0.8mm；焊丝为Invar M93，Ni含量35.87％，直径1.2mm；99.9％Ar气氛流量为15L/min；焊接设备为KUKA机器人KR30HA、TPS-5000福尼斯焊机、IPG YLS-6000型光纤激光器；焊前对坡口附近进行精细打磨，去除试样表面残留的铁锈等杂质，使用丙酮擦拭、清洗试样，去除残余油污以确保试样表面清洁；之后进行焊接轨迹的示教与参数的设置，具体参数如下：

第一层(第二打底层23)：激光功率5500W，焊接电流240A、焊接电压24.3V、速度1m/min；

第二层(第二填充层22)：激光功率2400W，焊接电流250A、焊接电压24.6V、速度0.35m/min；

第三层((第二盖面层21)：激光功率2200W，焊接电流300A、焊接电压26.6V、速度0.35m/min；

Invar钢焊后宏观及接头形貌如图3、图4所示，总体上看，焊缝宏观形貌成形好，没有明显飞溅、咬边、夹渣及宏观裂纹缺陷，焊接接头横街面表现为典型的激光-电弧复合焊接接头形貌，焊缝中心的等轴状线条及焊缝中心附近的柱状线条明显，另外注意到焊缝边缘处存在一个较窄区域，腐蚀后相对焊缝中心及母颜色材较深，而在打底焊道附近未观察到这一现象。激光-电弧复合焊接时，盖面及填充层以电弧焊接为主，激光焊接为辅，主要进行材料填充及熔覆的过程；而打底焊接以激光焊接为主要热输入方式，实现深熔焊接，确保钝边底部可焊透。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种Invar模具钢激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

焊接材料的选用：所述Invar模具钢板材化学成分的重量百分比为：Ni35.5％-36.5％、C<0.01％、Si<0.02％、Mn0.2％-0.4％、P<0.007％、S<0.002％、Cr<0.15％、Co<0.4％、其余为Fe；

设计Invar模具钢板焊件坡口形状及焊前准备：进行单面焊接成形，待焊件开V型坡口，坡口角度为30°，钝边6mm，钝边间距0.8mm，焊接过程保护采用99.9％Ar，流量控制在15L/min，激光功率为2-6KW，离焦量为0mm，激光前导距离为0mm，焊接电流为240-320A，电弧电压为24.3-26.6V，焊接速度为0.35-1m/min，电弧焊枪倾角45°；焊前对坡口附近进行精细打磨，去除试样表面残留的杂质，使用丙酮擦拭、清洗试样，去除残余油污；

Invar模具钢板激光-电弧复合焊接路径规划：Invar模具钢厚度为19.05mm，设计三层，每层采用单道焊缝、直线焊接路径填充，焊接方向依次交替；

Invar模具钢板激光-电弧复合焊接参数为：打底焊所用激光功率为5500W，焊接电流240A、焊接速度1m/min，送丝速度为1.2m/min；填充焊所用激光功率为2000W，焊接电流250A、焊接速度0.35m/min，送丝速度为1.2m/min；盖面焊所用激光功率为2200W，焊接电流300A、焊接速度0.35m/min，送丝速度为1.2m/min。

2.根据权利要求1所述的Invar模具钢激光-电弧复合焊接方法，其特征在于，所用焊接材料为Invar M93焊丝，焊丝直径1.2mm，焊丝化学成分与母材化学成分相同。