一种点环激光-MAG复合焊接超高强钢的方法

技术领域

本发明涉及超高强钢激光电弧焊接领域。

背景技术

随着航空航天、潜水以及军用防护等领域的不断发展，对装备制造水平的性能要求不断提高，同时为了进一步实现轻量化制造的标准，对高性能的材料的制造及生产加工技术提出了新的要求。6252超高强钢是近年来新研制的一款特种防护钢，通过对热轧温度的精确控制，得到了晶粒组织机器细化的钢种，其具有的超高强度、高硬度以及高抗冲击韧性使得其在汽车防护领域有着广泛的应用前景。在焊接生产中，由于其组织细小，热影响区组织生长难以避免，需要通过严格的预热、控制热输入和焊后热处理等手段加以控制。

环形光斑激光19年开始进入市场，并大量应用于动力电池顶盖满焊。环形光斑激光分内环和外环，且内外环能量可单独控制，以此来控制焊接过程中对焊缝中心以及两侧的热输入。相比传统单光纤激光，环形激光有更广泛的窗口功率可调空间，兼容性更强，可针对不同工业场景灵活匹配，可通过多种功率组合实现同一熔深熔宽，且其用途更加广泛，通过控制外环能量输入可以起到预热、后处理、表面处理、改性等作用。

点环激光是环形光斑激光的一种，其内外环功率输入相差不大，在于熔化电极复合焊接过程中，内环激光束主要为焊丝熔化提供一定的热输入，外环激光可配合其他辅助热源起到预热、后处理、热影响区组织控制的效果。其次，电弧激光具有较低的焊接飞溅属性，外环激光通过扩大匙孔开口很好的缓解了匙孔不稳定的问题，使得焊接过程中的波动不会导致匙孔坍塌堵塞开口，降低飞溅，使得焊接稳定性大大提高，且外环光斑越大效果越好。

发明内容

本发明要解决现有激光焊接超高强钢板存在的热输入难以控制造成热影响区晶粒长大以及焊接飞溅导致焊缝成型不良的问题，而提供一种点环激光-MAG复合焊接超高强钢的方法。

一种点环激光-MAG复合焊接超高强钢的方法，具体按以下步骤进行：

一、将待焊钢板进行开坡口处理并打磨；

二、将步骤一处理后的待焊钢板采用夹具固定，激光入射角垂直于焊缝，MAG电极后置，红外辅热设备放置在待焊钢板背部对准焊缝进行辐照；

三、设定环形激光束参数：激光入射角垂直于焊缝，激光束中心加热直径1.5～2.0mm，输出功率2.0～3.0kw，离焦量-2mm～+2mm；环形激光内径尺寸5.0～7mm，外径尺寸10～13mm，输出功率1.5～2.0kw；后置MAG电极焊接电流60～95A，焊接电压18～20V，送丝速度500～700cm/min，焊接速度300～400cm/min；开启电源，对步骤二辐照后的待焊钢板进行焊接；

四、步骤三焊接后，再次开启红外辅热设备进行缓冷，然后冷却至室温，完成焊接。

进一步的，步骤一所述待焊钢板型号为6252，厚度为4～5mm，抗拉强度>1750MPa。

进一步的，步骤一所述坡口为Y形坡口，坡口钝边高度2～3mm，坡口角度30～45°；

对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理，清除待焊区50mm范围内铁锈、油污。

进一步的，步骤二固定待焊钢板的间隙为0.7～1.2mm。

进一步的，步骤二所述红外辅热设备加热区域宽度为20～30mm，当待焊区加热至温度为100～150℃。

进一步的，控制步骤二红外辅热设备辐照功率0～2500W，辐照频率60～100THz。

进一步的，步骤三所述激光头轴线与后置MAG焊枪夹角45～60°，焊丝端部正对激光束中心加热区。

进一步的，步骤三所用焊丝为ER140S-G，直径为1.2mm。

进一步的，步骤三在焊接时，红外辅热设备停止加热，功率为0。

进一步的，步骤四红外辅热设备加热缓冷功率1000～1500w，辐照频率50～70THz，冷却至300℃保温0.5～1.0h，然后停止加热，空冷至室温。

本发明的有益效果是：

本发明通过在板件背部设置红外加热设备用于焊接辅热，可分别在焊前焊后通过调整红外功率及辐照频率起到预热、焊后缓冷以及热处理的作用，同时避免了了热影响区温度的骤变，缓解了热影响区晶粒长大趋势，降低了组织及焊后残余应力水平；同时使得焊缝预热及焊后缓冷工序更为可控，工件无需进炉处理，整合了工艺流程，节省了生产成本及时间。

本发明采用点环激光-MAG复合焊接超高强钢板，相比单激光束焊接，MAG电极的复合应用极大的提高了焊接的工况适应性。另外，点环激光具有的独特内外环能量控制对改善焊缝成型至关重要。通过控制内环激光束功率辅助加热熔化焊丝，可以使MAG电极焊接参数保持在相对较低水平，减少对焊接母材的热输入，从而降低焊接热循环对热影响区的影响，避免晶粒过分长大；通过控制外环激光扩大匙孔开口，降低了外界环境条件波动对匙孔形状的影响，防止匙孔塌陷并堵塞开口，延缓了匙孔内部高压蒸汽的逸出，极大提高了焊接稳定性，降低了焊接飞溅。

本发明实现了超高强钢板的连接，焊缝表面成型良好，经X射线无损检测未发现裂纹、气孔等明显缺陷，抗拉强度达到母材的80％，硬度达到母材的75％。

本发明用于超高强钢焊接。

附图说明

图1为实施例一所述点环激光-MAG复合焊接超高强钢板示意图，其中1代表6252钢板，2代表Y形坡口，3代表激光焊接头，4代表MAG电极及焊丝，5代表红外辅热设备，6代表红外远距测温仪；

图2为实施例一焊接的焊缝成型照片；

图3为实施例一焊接的焊缝X射线无损检测图像。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种点环激光-MAG复合焊接超高强钢的方法，具体按以下步骤进行：

一、将待焊钢板进行开坡口处理并打磨；

二、将步骤一处理后的待焊钢板采用夹具固定，激光入射角垂直于焊缝，MAG电极后置，红外辅热设备放置在待焊钢板背部对准焊缝进行辐照；

三、设定环形激光束参数：激光入射角垂直于焊缝，激光束中心加热直径1.5～2.0mm，输出功率2.0～3.0kw，离焦量-2mm～+2mm；环形激光内径尺寸5.0～7mm，外径尺寸10～13mm，输出功率1.5～2.0kw；后置MAG电极焊接电流60～95A，焊接电压18～20V，送丝速度500～700cm/min，焊接速度300～400cm/min；开启电源，对步骤二辐照后的待焊钢板进行焊接；

四、步骤三焊接后，再次开启红外辅热设备进行缓冷，然后冷却至室温，完成焊接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述待焊钢板型号为6252，厚度为4～5mm，抗拉强度>1750MPa。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述坡口为Y形坡口，坡口钝边高度2～3mm，坡口角度30～45°；

对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理，清除待焊区50mm范围内铁锈、油污。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤二固定待焊钢板的间隙为0.7～1.2mm。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二所述红外辅热设备加热区域宽度为20～30mm，当待焊区加热至温度为100～150℃。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：控制步骤二红外辅热设备辐照功率0～2500W，辐照频率60～100THz。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三所述激光头轴线与后置MAG焊枪夹角45～60°，焊丝端部正对激光束中心加热区。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三所用焊丝为ER140S-G，直径为1.2mm。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三在焊接时，红外辅热设备停止加热，功率为0。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四红外辅热设备加热缓冷功率1000～1500w，辐照频率50～70THz，冷却至300℃保温0.5～1.0h，然后停止加热，空冷至室温。其它与具体实施方式一至九之一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

实施例一：

本实施例一种点环激光-MAG复合焊接超高强钢的方法，具体按以下步骤进行：

一、将待焊钢板4.5mm厚的6252钢板进行开Y形坡口处理并打磨，其中Y形坡口钝边高度3mm，坡口角度30°；

二、将步骤一处理后的待焊钢板采用夹具固定，工装间隙1mm，红外辅热设备放置在待焊钢板背部并对准焊缝进行辐照，辐照功率1500w，辐照频率60THz，加热区域宽度为30mm，保持辐照区域温度不超过150℃；激光焊接头垂直于焊缝，MAG电极后置，电极夹角45°；

三、设定环形激光束参数：激光入射角垂直于焊缝，激光束中心加热直径2.0mm，输出功率2.0kw；环形激光内径尺寸5.0mm，外径尺寸13mm，输出功率1.5kw；后置MAG电极焊接电流70A，焊接电压18V，填充焊丝为1.2mm的ER140S-G，送丝速度500cm/min，焊接速度300cm/min；红外辅热设备停止加热，开启电源，进行焊接；

四、步骤三焊接后，再次开启红外辅热设备进行缓冷，调整红外功率1000w，辐照频率50THz，冷却至300℃保温1.0h，停止加热，空冷至室温，完成焊接。

图1为实施例一所述点环激光-MAG复合焊接超高强钢板示意图，其中1代表6252钢板，2代表Y形坡口，3代表激光焊接头，4代表MAG电极及焊丝，5代表红外辅热设备，6代表红外远距测温仪；

图2为实施例一焊接的焊缝成型照片；

图3为实施例一焊接的焊缝X射线无损检测图像，其中，NB/T47013-2015是承压设备无损检测标准，10FE 16表示无损检测使用像质计为Ⅲ型像质计FE10/16，T4 5是试样厚度4.5mm，探伤评级为一级。

对本实施例焊接获得的焊接接头的焊缝进行机械性能及焊缝缺陷检测：采用点环激光-MAG复合焊接超高强钢板空冷后焊缝区中心位置硬度为508HV，抗拉强度为1412MPa。焊缝硬度及强度完全达到使用要求。X射线无损检测结果表明，焊缝成型良好，未发现裂纹、气孔等明显焊接缺陷，复合实际生产使用要求。