CN110238525A

CN110238525A - 一种低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法

Info

Publication number: CN110238525A
Application number: CN201910411442.8A
Authority: CN
Inventors: 郑江鹏; 初铭强; 张书彦; 彭胜; 向明
Original assignee: Guangdong Shuyan Material Gene Innovation Technology Co ltd; Centre Of Excellence For Advanced Materials
Current assignee: Guangdong Shuyan Material Gene Innovation Technology Co ltd; Centre Of Excellence For Advanced Materials
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2019-09-17

Abstract

本发明公开了一种低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，包括如下步骤：S1、准备母材：低碳钢含碳量≤0.6wt％，铸铁含碳量为2～4wt％，低碳钢和铸铁的厚度均≤10mm；S2、母材表面清理及装配：清理母材，去除表面的氧化物、油污，将经过表面清理的待焊接低碳钢与铸铁水平对接装配，采用工装夹具固定，组成待焊件，低碳钢与铸铁对接接头装配间隙小于低碳钢和铸铁厚度的20％；S3、焊接工艺：低碳钢与铸铁的异种金属连接采用摆动和偏移自熔焊接工艺对待焊件进行焊接；激光入射点偏向于低碳钢侧的偏移量为35～45％的摆动幅度，以提高焊缝抗裂性能。本发明能够降低焊接成本，提高焊缝抗裂性能。

Description

一种低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法

技术领域

本发明涉及一种异种材料连接技术，尤其涉及一种低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法。

背景技术

低碳钢与铸铁异种金属的焊接经常出现在汽车、空调压缩机等产品结构中。由于铸铁中碳及杂质含量一般较高，对于焊接非常不利，与低碳钢异种金属焊接时，极易产生焊接裂纹。为避免焊缝出现裂纹，目前多采用填充低碳钢焊丝的焊接方法，如压缩机低碳钢壳体与壳体内部的铸铁泵体的连接，采用MAG焊；另外对于较为重要的结构，还需要采用抗裂性能更优的奥氏体焊接材料。由于需要填充焊接材料，不利于降低成本。此外，焊条电弧焊、气体保护焊等弧焊方法的焊接热影响较大，对于结构的焊接变形控制不利。

激光焊接是一种高能量密度的焊接方法，具有焊接斑点小、热能量集中、热影响区小、冷却速度快等特点。对于控制焊接变形十分有利，但由于其冷却速度较快，如果在低碳钢与铸铁焊接过程中不添加焊丝，焊缝极易形成马氏体组织而发生开裂。专利号为201210144578.5的中国专利公开了一种20CrMnTi渗碳钢与球墨铸铁异种材料激光焊接方法，通过采用激光填丝焊方法，在激光焊接的同时，用送丝装置将焊丝送至焊缝处，焊丝被激光束熔化后与两侧母材熔合形成焊缝，改善了焊缝成分及组织，有利于改善焊缝的应力集中现象。

但如果在激光焊接过程中添加焊丝，则需要加大焊接能量输入，对于控制焊接变形不利，而且焊接成本相应增加，与常规焊接方法相比，并无明显优势。因此，很有必要研发一种低碳钢与铸铁异种材料的自熔激光焊接方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，能够降低焊接成本，提高焊缝抗裂性能。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，包括如下步骤：

S1、准备母材：低碳钢含碳量≤0.6wt％，铸铁含碳量为2～4wt％，所述低碳钢和铸铁的厚度均≤10mm；

S2、母材表面清理及装配：清理母材，去除表面的氧化物、油污，将经过表面清理的待焊接低碳钢与铸铁水平对接装配，采用工装夹具固定，组成待焊件，所述低碳钢与铸铁对接接头装配间隙小于所述低碳钢和铸铁厚度的20％；

S3、焊接工艺：低碳钢与铸铁的异种金属连接采用摆动和偏移自熔焊接工艺对待焊件进行焊接；激光入射点偏向于低碳钢侧的偏移量为35～45％的摆动幅度，以提高焊缝抗裂性能。

进一步地，所述低碳钢与铸铁对接接头装配间隙小于≤0.5mm。

进一步地，所述步骤S3中，焊接参数为：焊接激光功率为1000～5000W；焊接速度为0.2～3m/min；离焦量：-3～+3mm；摆动幅度为2～8mm，摆动频率30～500Hz；焊接保护气体为Ar，气体流量为8～20L/min。

进一步地，所述低碳钢含碳量≤0.1wt％，所述铸铁含碳量为2.5～3.5wt％，所述低碳钢和铸铁的厚度均为3～8mm。

进一步地，所述低碳钢与铸铁对接接头装配间隙≤0.2mm。

进一步地，焊接参数为：焊接激光功率为2000～4000W；焊接速度为0.3～1m/min；离焦量：-2～+2mm；摆动幅度为2～5mm，摆动频率50～200Hz；保护气体为Ar，气体流量为8～20L/min；激光入射点偏向于低碳钢侧的偏移量为40％的摆动幅度。

进一步地，所述摆动焊接摆动轨迹为直线型。

进一步地，所述摆动焊接摆动轨迹为8字型曲线，或圆环形，或锯齿形。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)与传统弧焊相比，采用本发明的激光焊接方法为自熔焊接，不需要填充焊接材料，也不需要预制坡口；此外，由于激光焊接热影响小的特点，焊接接头变形小，有利于提高焊件质量。

(2)采用摆动激光焊头，激光入射点偏向于低碳钢侧焊接，控制铸铁侧金属熔化形成焊缝的比例，从而降低了焊缝金属中的碳、硫等杂质元素含量，提高焊缝抗裂性能。

(3)与现有激光填丝焊接技术相比，取消了焊丝填充，由于通过摆动焊接，焊缝宽度较传统激光焊接方法大大增加，不再受制于激光斑点大小，从而改善了焊缝成形系数，进一步降低了焊缝开裂倾向，焊接过程中不需要填充焊丝，无预热及后热处理。

附图说明

图1为现有低碳钢与铸铁对接接头的弧焊技术焊接前的结构示意图；

图2为现有低碳钢与铸铁对接接头的弧焊技术焊接后的结构示意图；

图3为现有低碳钢与铸铁对接接头的激光对接焊技术焊接前的结构示意图；

图4为现有低碳钢与铸铁对接接头的激光对接焊技术焊接后的结构示意图；

图5为本发明焊接前的结构示意图；

图6为本发明焊接后的结构示意图。

图中：1、低碳钢；11、低碳钢侧坡口；2、铸铁；21、铸铁侧坡口；3、焊缝金属；4、装配间隙。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

图1-6中，l为装配中心线，低碳钢1工件与铸铁2工件分别位于装配中心线l的两侧。图6中，激光摆动中心线为h，激光中心位于激光摆动中心线h上，装配中心线l与激光摆动中心线h之间的距离为偏移量，偏移量为a。

图1及图2为现有低碳钢1与铸铁2对接接头的弧焊技术。对于低碳钢1工件与铸铁2工件形成的对接接头，通过熔化极气体保护焊或者焊条电弧焊方法进行焊接，焊接材料通常为低碳钢1焊材或奥氏体焊材，通过低碳含量的焊接材料填充形成抗裂性能较好的焊缝，将低碳钢1工件与铸铁2工件连接固定。而且，当钢板厚度较大时(≥6mm)，如图1所示，需要分别在工件上加工低碳钢侧坡口11和铸铁侧坡口21。焊接工艺复杂，成本较高。此外，气保焊焊接线能量较大，对于焊接变形控制不利。

图3及图4为现有低碳钢1与铸铁2对接接头的激光对接焊技术，碳钢工件与铸铁2工件不预制坡口，保留一定的装配间隙4，由于需要改善焊缝成分以提高抗裂性能，也需要填充焊接材料。与图1的技术方案相比，主要优势在于激光热源热影响较小，接头变形小，但是成本还是比较高。

对此，本发明给出了解决上述问题的三种具体实施方式。

实施例1：

一种低碳钢与铸铁的异种金属激光对接焊方法，包括如下步骤：

S1、准备母材：低碳钢1含碳量0.07wt％，铸铁2含碳量在2wt％，低碳钢1和铸铁2的厚度均为1mm；

S2、母材表面清理及装配：清理母材，去除表面的氧化物、油污，即清理待焊接区域的油污、铁锈等，将经过表面清理的待焊接低碳钢1与铸铁2水平对接装配，采用工装夹具固定，组成待焊件，低碳钢1与铸铁2对接接头装配间隙4为0mm；

S3、焊接工艺：低碳钢1与铸铁2的异种金属连接采用摆动和偏移自熔焊接工艺对待焊件进行焊接，主要焊接参数为：焊接激光功率为1000W；焊接速度为3m/min；离焦量：+3mm；摆动幅度为2mm，摆动频率30Hz；焊接保护气体为Ar，气体流量为8L/min。激光中心偏向低碳钢1侧，相对偏离母材装配接缝距离为0.5mm。

优选地，摆动焊接摆动轨迹为直线型，或8字型曲线，或圆环形，或锯齿形。焊接采用摆动和偏移自熔焊接，不填充焊接材料。激光焊接前不需要预热，焊接后无需热处理。

通过上述激光焊接方法，焊缝成形优良，焊缝截面未发现裂纹、未熔合等缺陷。

实施例2：

S1、准备母材：低碳钢1含碳量0.3wt％，铸铁2含碳量在2.5wt％，低碳钢1和铸铁2的厚度均为5mm；

S2、母材表面清理及装配：清理母材，去除表面的氧化物、油污，即清理待焊接区域的油污、铁锈等，将经过表面清理的待焊接低碳钢1与铸铁2水平对接装配，采用工装夹具固定，组成待焊件，低碳钢1与铸铁2对接接头装配间隙4为0.2mm；

S3、焊接工艺：低碳钢1与铸铁2的异种金属连接采用摆动和偏移自熔焊接工艺对待焊件进行焊接，主要焊接参数为：焊接激光功率为3000W；焊接速度为0.5m/min；离焦量：0mm；摆动幅度为1.6mm，摆动频率100Hz；焊接保护气体为Ar，气体流量为14L/min。激光中心偏向低碳钢1侧，相对偏离母材装配接缝距离为0.5mm。

实施例3：

S1、准备母材：低碳钢1含碳量0.6wt％，低碳钢1的厚度为8mm，铸铁2含碳量在4wt％，铸铁2的厚度为10mm；

S2、母材表面清理及装配：清理母材，去除表面的氧化物、油污，即清理待焊接区域的油污、铁锈等，将经过表面清理的待焊接低碳钢1与铸铁2水平对接装配，采用工装夹具固定，组成待焊件，低碳钢1与铸铁2对接接头装配间隙4为0.5mm；

S3、焊接工艺：低碳钢1与铸铁2的异种金属连接采用摆动和偏移自熔焊接工艺对待焊件进行焊接，主要焊接参数为：焊接激光功率为5000W；焊接速度为0.2m/min；离焦量：-3mm；摆动幅度为8mm，摆动频率500Hz；焊接保护气体为Ar，气体流量为20L/min。激光中心偏向低碳钢1侧，相对偏离母材装配接缝距离为3.6mm。

综上，如图6所示，在低碳钢1工件与铸铁2工件对接接头焊接过程中，通过摆动激光头形成一定宽度的焊缝，同时使激光入射点偏向低碳钢1侧(偏离母材装配接缝)，偏移量a为35～45％的摆动幅度，确保铸铁2工件熔合比在一定范围内，既不会过大而导致焊缝熔入过多铸铁2，而造成焊缝碳及杂质含量过高，导致焊缝开裂；同时，也不能过小，以避免形成虚焊或熔合不良。因此，需要根据摆动幅度设置合适的偏移量，以获得适当的熔全比。最终形成的焊缝中，如图6所示，低碳钢1侧熔化形成的低碳钢侧焊缝金属占的面积为A，由铸铁2侧熔化形成的铸铁侧焊缝金属占的面积为B。

另一方面，本发明通过采用摆动激光焊头对焊缝进行焊接，增加焊缝宽度，与传统非摆动激光焊接工艺相比，改善了焊缝成形系数，降低应力集中，进一步降低不利因素，避免焊缝开裂。激光功率和焊接速度、离焦量等参数直接决了激光焊缝的熔深，对于对接接头，直接决定了工件的熔透深度。待焊件在装配时，为避免熔池在焊接过程中坍塌形成焊穿或凹度过大的焊缝，对于工件之间的装配间隙4有较为严格的要求，因此该装配间隙4需要尽可能的小，通常应该小于板厚的20％。通过本发明提出的技术方案，采用摆动和偏移自熔焊接，不需要焊接材料，工序大大简化，成本也相应降低，效果良好。

本发明至少具有以下有益效果：

(2)采用摆动激光焊头，激光入射点偏向于低碳钢1侧焊接，控制铸铁2侧金属熔化形成焊缝的比例，从而降低了焊缝金属3中的碳、硫等杂质元素含量，提高焊缝抗裂性能。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims

1.一种低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，其特征在于：所述低碳钢与铸铁对接接头装配间隙小于≤0.5mm。

3.如权利要求1或者2所述的低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，其特征在于：所述步骤S3中，焊接参数为：焊接激光功率为1000～5000W；焊接速度为0.2～3m/min；离焦量：-3～+3mm；摆动幅度为2～8mm，摆动频率30～500Hz；焊接保护气体为Ar，气体流量为8～20L/min。

4.如权利要求1所述的低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，其特征在于：所述低碳钢含碳量≤0.1wt％，所述铸铁含碳量为2.5～3.5wt％，所述低碳钢和铸铁的厚度均为3～8mm。

5.如权利要求4所述的低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，其特征在于：所述低碳钢与铸铁对接接头装配间隙≤0.2mm。

6.如权利要求4或者5所述的低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，其特征在于：焊接参数为：焊接激光功率为2000～4000W；焊接速度为0.3～1m/min；离焦量：-2～+2mm；摆动幅度为2～5mm，摆动频率50～200Hz；保护气体为Ar，气体流量为8～20L/min；激光入射点偏向于低碳钢侧的偏移量为40％的摆动幅度。

7.如权利要求1所述的低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，其特征在于：所述摆动焊接摆动轨迹为直线型。

8.如权利要求1所述的低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，其特征在于：所述摆动焊接摆动轨迹为8字型曲线，或圆环形，或锯齿形。