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CN110405344A - 高强钢激光-mig电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法 - Google Patents

高强钢激光-mig电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法 Download PDF

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CN110405344A CN201810391865.3A CN201810391865A CN110405344A CN 110405344 A CN110405344 A CN 110405344A CN 201810391865 A CN201810391865 A CN 201810391865A CN 110405344 A CN110405344 A CN 110405344A
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张培磊
顾勇
顾思远
于治水
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Abstract

本发明提供了一种高强钢激光‑MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其包括以下步骤：步骤S1、选择焊接方法和材料，焊接方法采用激光电弧复合焊接；步骤S2、进行焊前准备，对母材表面进行打磨，并去除表面氧化膜；步骤S3、进行激光电弧复合焊接；步骤S4、进行焊后检验，对焊缝截面进行观察。本发明降低了焊缝的气孔率，从而保证了焊缝的成形和质量。通过改变焊接方向和保护气流量，有效地抑制了激光等离子体的生长和金属蒸汽的喷发，使得熔滴过渡和匙孔成形稳定，从而减小了气孔率，使焊接效率和质量得到了进一步提升。

Description

高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法
技术领域
本发明涉及激光复合焊领域，特别涉及一种高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法。
背景技术
HR420LA是一种热成型用低合金高强度钢，可用于汽车零部件、底盘等场合。其化学成分为：C:≤0.10％，Si：≤0.5％，Mn:≤1.60％，P:≤0.025％，S: ≤0.025％，Ait:≥0.015％，Nb:≤0.09％，Tia：≤0.15％，屈服强度大于等于420MPa。目前，如何在焊接过程中抑制气孔缺陷的产生，是高强钢激光电弧复合焊亟待解决的问题之一。
传统的电弧焊接在工艺上已经非常成熟，设备投入小，参数控制简单。但是，随着现代工业的发展，电弧焊接变形大、效率低、工艺稳定性差、自动化程度低、材料浪费严重的缺点正逐渐显现出来，这些不足之处制约了其在现代制造工业中更为广泛的应用。激光焊接是上世纪中后期发展起来的一种焊接新技术，它是以高能量密度的激光作为热源，对金属进行熔化而形成焊接。与传统的焊接方法相比，激光焊因其熔深大、速度快、焊后变形相对较小以及适合难焊金属的焊接而广泛应用于许多工业领域。但激光焊接在部分工业应用上仍然存在一些难以克服的缺点，例如装夹精度要求高，焊接厚板时极易出现气孔、咬边等焊接缺陷，高反射率材料焊接困难等。在此背景下，激光电弧复合焊接的概念被提出。经试验证明，该技术能够充分集成激光焊接与电弧焊接的优点，具有焊接熔深大、工艺稳定性高、焊接效率高、焊接缝隙桥接能力强等优点，更适合现代焊接工业的发展需求
在高强钢的激光电弧复合焊接过程中，各参数之间的匹配不当会对熔池的流动、匙孔的稳定性、激光与电弧的耦合程度等产生影响，从而导致气孔的生
激光电弧复合焊接高强钢的技术在汽车等制造业中有着很大的发挥空间。其装配精度要求低、熔深大的特点是传统电弧焊和激光焊接所达不到的。解决复合焊接过程中出现的气孔问题，有利于焊缝质量的提高，能满足企业的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中激光电弧复合焊接过程中出现气孔的缺陷，提供一种高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特点在于，所述气孔缺陷抑制方法包括以下步骤：
步骤S1、选择焊接方法和材料，焊接方法采用激光电弧复合焊接；
步骤S2、进行焊前准备，对母材表面进行打磨，并去除表面氧化膜；
步骤S3、进行激光电弧复合焊接；
步骤S4、进行焊后检验，对焊缝截面进行观察。
根据本发明的一个发明，所述步骤S1中焊接材料选为HR420LA高强钢，尺寸为300mm×150mm×3mm。
根据本发明的一个发明，所述步骤S1中焊接接头为对接，焊丝的直径为1.2mm的JM-56镀铜低合金钢气体保护焊丝。
根据本发明的一个发明，所述焊丝的化学成分按质量的百分比为：C 为0.06％-0.15％、Mn为1.4％-1.85％、Si为0.8％-1.15％、S≤0.035％、P≤0.025％、 Cu≤0.5％。
根据本发明的一个发明，所述步骤S2包括：分别用不同粗细的砂纸将母材表面打磨，然后用乙醇将表面擦拭干净，去除表面氧化膜；
通过塞尺调整间隙，将所述塞尺置于两板之间后压紧，以保证间隙均匀一致。
根据本发明的一个发明，所述步骤S2还包括：采用夹具将激光头和焊枪刚性固定，并通过调节所述夹具的X、Y、Z轴和旋转机构，实现焊丝端点与激光作用点之间间距的调节，所述焊枪和激光光束轴线的对中，以及所述焊丝尖端与工件表面的相对高度的调节。
根据本发明的一个发明，所述步骤S2中热光丝间距为3～5mm，干伸长为10～15mm。
根据本发明的一个发明，所述步骤S3中送丝速度为2～4m/min；气流量为5～25L/min；焊接速度为0.5～1.5m/min；激光功率为1.5～3kw。
根据本发明的一个发明，离焦量为-1～+2mm；焊枪角度为40°～60°；热源位置为激光前置或电弧前置。
根据本发明的一个发明，所述步骤S4包括：将焊缝沿横截面切开，经过标准的金相制备工序制成试样，通过超景深显微镜观察气孔的大小、数量以及分布情况。
本发明的积极进步效果在于：
本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法通过改变焊接方向和保护气流量，有效地抑制了激光等离子体的生长以及金属蒸汽的喷发，保证了匙孔和熔滴过渡的稳定性，使得焊缝能抑制气孔缺陷的产生。
与现有技术相比，本发明降低了焊缝的气孔率，从而保证了焊缝的成形和质量。通过改变焊接方向和保护气流量，有效地抑制了激光等离子体的生长和金属蒸汽的喷发，使得熔滴过渡和匙孔成形稳定，从而减小了气孔率，使焊接效率和质量得到了进一步提升。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中激光前置的示意图。
图2a为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中激光前置，保护气流量为5L/min时的焊缝横截面示意图。
图2b为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中激光前置，保护气流量为15L/min时的焊缝横截面示意图。
图2c为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中激光前置，保护气流量为25L/min时的焊缝横截面示意图。
图3为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中电弧前置的示意图。
图4a为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中电弧前置，保护气流量为5L/min时的焊缝横截面示意图。
图4b为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中电弧前置，保护气流量为15L/min时的焊缝横截面示意图。
图4c为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中电弧前置，保护气流量为25L/min时的焊缝横截面示意图。
图5为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法在不同热源位置时，气孔率与保护气流量之间的关系示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图1为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中激光前置的示意图。图2a为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中激光前置，保护气流量为5L/min时的焊缝横截面示意图。图2b为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中激光前置，保护气流量为15L/min时的焊缝横截面示意图。图2c为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中激光前置，保护气流量为25L/min时的焊缝横截面示意图。图3为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中电弧前置的示意图。图4a为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中电弧前置，保护气流量为5L/min时的焊缝横截面示意图。图4b 为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中电弧前置，保护气流量为15L/min时的焊缝横截面示意图。图4c为本发明高强钢激光-MIG 电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法中电弧前置，保护气流量为25L/min时的焊缝横截面示意图。图5为本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法在不同热源位置时，气孔率与保护气流量之间的关系示意图。
如图1至图5所示，本发明公开了一种高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其包括以下步骤：
步骤S1、选择焊接方法和材料，焊接方法采用激光电弧复合焊接。
焊接材料选为HR420LA高强钢，尺寸为300mm×150mm×3mm。
焊接接头形式优选为对接，焊丝的直径为1.2mm的JM-56镀铜低合金钢气体保护焊丝。
其中，所述焊丝的化学成分按质量的百分比为：C为0.06％-0.15％、Mn为 1.4％-1.85％、Si为0.8％-1.15％、S≤0.035％、P≤0.025％、Cu≤0.5％。
这样可以通过改变热源位置的排布和保护气流量，实现对气孔缺陷的抑制。
步骤S2、进行焊前准备，对母材表面进行打磨，并去除表面氧化膜。
首先，分别用不同粗细的砂纸将母材表面打磨，然后用乙醇将表面擦拭干净，去除表面氧化膜；
然后，通过塞尺调整间隙，将所述塞尺置于两板之间后压紧，以保证间隙均匀一致。
接着，采用夹具将激光头和焊枪刚性固定，并通过调节所述夹具的X、Y、 Z轴和旋转机构，实现焊丝端点与激光作用点之间间距的调节，所述焊枪和激光光束轴线的对中，以及所述焊丝尖端与工件表面的相对高度的调节。
此处固定夹具优选为面接触式夹具，可以避免焊接过程热变形造成的间隙变化。
此外，热光丝间距(激光斑点与焊丝末端的水平距离)优选为3～5mm，干伸长(焊丝末端至导电嘴端头的距离)优选为10～15mm。
步骤S3、进行激光电弧复合焊接。
其中，送丝速度优选为2～4m/min；气流量优选为5～25L/min；焊接速度优选为0.5～1.5m/min；激光功率优选为1.5～3kw。
离焦量优选为-1～+2mm；焊枪角度优选为40°～60°；热源位置优选为激光前置或电弧前置。
步骤S4、进行焊后检验，对焊缝截面进行观察。
焊后对焊缝截面进行观察，如果无咬边及飞溅等明显缺陷，则表示焊缝较为美观。
具体地说，可以将焊缝沿横截面切开，经过标准的金相制备工序制成试样，通过超景深显微镜观察气孔的大小、数量以及分布情况。
根据上述描述，进一步具体举例如下：
首先，选择试验母材为HR420LA高强钢，尺寸为300mm*150mm*3mm。焊丝选择直径为1.2mm的JM-56镀铜低合金钢气体保护焊丝，其主要化学成分按质量的百分比为：C为0.06-0.15、Mn为1.4-1.85、Si为0.8-1.15、S≤0.035、 P≤0.025、Cu≤0.5。
焊接前，用砂纸打磨钢板表面，并用酒精清洗。这样做的目的是为了去除氧化膜等杂质。
所述气孔缺陷抑制方法采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)，保护气体为纯氩(气体纯度≥99.99％)，气体流量优选为5～25L/min。
焊机为一元化操作，即改变送丝速度，焊接电流也会随之改变。
设定送丝速度为2～4m/min。复合焊接采用Nd：YAG激光，激光功率为 1.5～3kw，焊接速度为0.5～1.5m/min，离焦量为-1～+2mm。
然后，利用夹具将激光头和焊枪刚性固定，并通过调节夹具的X、Y、Z 轴和旋转机构，实现焊丝端点与激光作用点间距的调节，焊枪和激光光束轴线的对中，以及焊丝尖端与工件表面的相对高度的调节。设定热光丝间距为 3～5mm，干伸长为10～15mm。
由于焊缝内部气孔的大小、数量以及分布情况是评价焊缝质量的关键因素。因此，本发明通过对比实验，发现采用激光前置的焊接方向比电弧前置时更有利于消除气孔缺陷，尤其是在保护气流量为15L/min时，焊缝成形美观。
因为电弧前置时，焊缝窄而深，保护气可能因熔融金属的快速流动而进入熔池，来不及析出便残留于熔池中而形成气孔。
然而，激光前置时，焊缝宽而浅，保护气作用在熔池后端，能更均匀地作用在焊缝表面而不会破坏熔池流动。
其次，保护气流量过小，达不到保护熔池的效果。然而，保护气流量过大，不仅有可能影响熔池流动，还会进入匙孔内，破坏匙孔的稳定性。
因此，当保护气流量为15L/min且激光前置时，焊缝气孔率较小且成形美观。
综上所述，本发明高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法通过改变焊接方向和保护气流量，有效地抑制了激光等离子体的生长以及金属蒸汽的喷发，保证了匙孔和熔滴过渡的稳定性，使得焊缝能抑制气孔缺陷的产生。
与现有技术相比，本发明降低了焊缝的气孔率，从而保证了焊缝的成形和质量。通过改变焊接方向和保护气流量，有效地抑制了激光等离子体的生长和金属蒸汽的喷发，使得熔滴过渡和匙孔成形稳定，从而减小了气孔率，使焊接效率和质量得到了进一步提升。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，所述气孔缺陷抑制方法包括以下步骤：
步骤S1、选择焊接方法和材料，焊接方法采用激光电弧复合焊接；
步骤S2、进行焊前准备，对母材表面进行打磨，并去除表面氧化膜；
步骤S3、进行激光电弧复合焊接；
步骤S4、进行焊后检验，对焊缝截面进行观察。
2.如权利要求1所述的高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中焊接材料选为HR420LA高强钢，尺寸为300mm×150mm×3mm。
3.如权利要求2所述的高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中焊接接头为对接，焊丝的直径为1.2mm的JM-56镀铜低合金钢气体保护焊丝。
4.如权利要求3所述的高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，所述焊丝的化学成分按质量的百分比为：C为0.06％-0.15％、Mn为1.4％-1.85％、Si为0.8％-1.15％、S≤0.035％、P≤0.025％、Cu≤0.5％。
5.如权利要求3所述的高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：分别用不同粗细的砂纸将母材表面打磨，然后用乙醇将表面擦拭干净，去除表面氧化膜；
通过塞尺调整间隙，将所述塞尺置于两板之间后压紧，以保证间隙均匀一致。
6.如权利要求5所述的高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：采用夹具将激光头和焊枪刚性固定，并通过调节所述夹具的X、Y、Z轴和旋转机构，实现焊丝端点与激光作用点之间间距的调节，所述焊枪和激光光束轴线的对中，以及所述焊丝尖端与工件表面的相对高度的调节。
7.如权利要求6所述的高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，所述步骤S2中热光丝间距为3～5mm，干伸长为10～15mm。
8.如权利要求1所述的高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，所述步骤S3中送丝速度为2～4m/min；气流量为5～25L/min；焊接速度为0.5～1.5m/min；激光功率为1.5～3kw。
9.如权利要求8所述的高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，离焦量为-1～+2mm；焊枪角度为40°～60°；热源位置为激光前置或电弧前置。
10.如权利要求1所述的高强钢激光-MIG电弧复合焊接的气孔缺陷抑制方法，其特征在于，所述步骤S4包括：将焊缝沿横截面切开，经过标准的金相制备工序制成试样，通过超景深显微镜观察气孔的大小、数量以及分布情况。
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