超高强钢薄板的激光-CMT复合焊接方法及系统

技术领域

本发明涉及高附加值、高质量要求的焊接领域，具体地，涉及一种超高强钢薄板的激光-CMT复合焊接方法及系统。

背景技术

航天超高强钢由于具有超高强度以及良好的塑韧性，因此主要用于固体火箭发动机壳体、飞机起落架等承载大载荷的领域。而焊接是其结构件成型必不可少的方法。目前对于火箭发动机壳体的焊接主要采用GTAW焊接方法，但是由于GTAW焊接热源是一种面热源，其穿透力较弱而导致在焊前需要对板材开坡口，增加了焊接的前期准备时间；另外，GTAW的焊接效率较低，已不能满足大批量生产的需求。近年来有研究机构使用激光焊等高穿透率的焊接方法进行超高强钢的焊接，但是这种焊接方式对于材料的装配精度要求较高，间隙适应性较差。而MIG/MAG熔化极电弧焊由于具有填丝的功能，其间隙适应性能力则可以得到明显的提升，但是其热输入量增加，焊后材料变形程度大，对于薄板的焊接不适用。

CMT是一种冷金属过渡技术，其通过数字化控制焊丝的送进与回抽，实现稳定的短路过渡进而控制焊接过程的热输入量。因其焊接变形小，热输入小，飞溅小，所以这种方法对于薄板的焊接尤其适合。但是由于其热输入小，因此纯CMT焊接时易于出现熔池铺展不开，焊后余高过大等特征。

激光电弧复合焊接具有装配间隙适应性好、焊接稳定性强及焊接变形小等优点，同时为保证焊后构件表面干净无飞溅，接头质量优秀，选用低飞溅低热输入的CMT 焊接方式。通过两者的复合，则可以改善焊接间隙适应性问题、熔池铺展不开的问题、焊接效率较低的问题以及焊接变形的问题。

保护气体的类型对焊缝质量有一定程度的影响，使用惰性气体纯氩焊接时焊缝中的氧化性元素O/H有所降低，而且焊后焊缝表面不存在低熔点物质，对于焊后性能的改善是有利的。通常情况下，在实际产品焊接过程中，为了方便焊缝跟踪，为了协调焊枪和焊缝跟踪传感器的可达性，通常希望激光在前，电弧在后。但当激光在前时，纯氩保护下激光-CMT复合焊接超高强钢的过程中，由于缺乏活性气体致使熔池金属的表面张力较大，润湿性较差，熔池的铺展性较差导致焊缝表面成形不良，焊缝边缘成形不规则等现象，并导致内部小气孔的产生。而在航空航天产品中，由于构件需要经历的环境比较复杂，因此对于焊缝正面成形不规则所导致的应力集中及气孔等问题是不被允许的。解决纯氩保护气下激光-CMT复合焊接超高强钢表面成形及气孔的问题有利于焊接效率及焊接质量的提高，满足高效高质的生产需求。

专利文献CN110142512A(申请号：201910587607.7)公开了一种低合金高强钢薄板的激光-MIG电弧复合焊接方法，可以实现不开坡口单道焊焊透钢板，通过采用光纤激光器和MIG焊机，以氩气作为激光焊接保护气体，实现激光-MIG电弧复合焊接，通过设定一定的激光功率、光丝间距、离焦量、焊接速度、焊接电流和电压，实现6～10mm厚钢板不开坡口就能一次性焊透、双面成形。该专利尽管公开了一种低合金高强钢在纯氩下的激光-MIG电弧复合焊接方法，但MIG焊较CMT焊接热输入大，焊后变形严重，另外MIG焊过程稳定性较差，易产生飞溅，易损伤母材，焊缝成形较差，对于需要热输入尽可能小，热变形小，对母材无损伤，焊缝成形要求高的航天构件来说，激光-MIG电弧复合的方法无法满足航天构建的焊接要求。

目前激光-CMT焊接的专利及文献，主要研究激光与CMT电弧的相互作用，而对惰性气体保护下超高强钢的焊缝成形以及内部质量控制则几乎未见文献报道。针对超高强钢在纯氩气保护条件下的焊缝成形问题，本发明提出以下激光-CMT复合焊接方法，以解决焊缝成形，提高焊接效率，改善焊接质量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超高强钢薄板的激光-CMT复合焊接方法及系统。

根据本发明提供的一种超高强钢薄板的激光-CMT复合焊接方法，包括：

步骤S1：将退火态D406A超高强钢试样加工成I型坡口；

步骤S2：对焊接试件进行表面打磨，去除表面的氧化膜，并祛除坡口侧焊接位置表面油污；

步骤S3：装配焊接试样，确定激光头与焊枪的相对位置；

步骤S4：确定激光-CMT复合焊接工艺及焊接参数并对焊接试样进行焊接；

对焊接试样进行焊接时，热源顺序包括电弧前置或激光前置；

当电弧前置时，则调整焊接规范以及光丝间距满足预设要求，采用满足预设要求的离焦激光-CMT复合焊接，在纯氩气保护下一次焊接成形；

当激光前置时，则调整焊接规范满足预设要求要求，进行纯氩以及满足预设要求的离焦激光-CMT复合填充焊接；然后调整离焦量满足预设要求，对焊缝表面进行纯激光重熔修饰焊接。

优选地，所述步骤S2采用：利用花形叶轮对试样进行表面打磨，然后使用钢丝刷对坡口进行抛光处理，清理接头侧的氧化膜，随后使用酒精或丙酮对接头侧的材料进行擦拭，保证无油污。

优选地，所述步骤S3采用：将激光头与CMT焊枪进行固定，调节XYZ轴与激光的距离以及焊枪的倾转角度，确保激光束的轴线与伸出焊丝的轴线对中；调节激光斑点与焊丝末端的距离，调节激光与焊枪的倾转角度以及调节焊丝末端与待焊材料的高度均满足预设要求。

优选地，使用H10的焊丝，焊丝直径为预设值；选用的激光器为YLS-6000-S2T；使用福尼斯TPS-5000CMT焊机焊接并配备VR1500系列送丝机。

优选地，所述步骤S4采用：进行激光-CMT复合焊接时，激光功率为2800～3500w；送丝速度为0.8～1.5m/min；焊接速度为1.0～1.5m/min；保护气流量为15～20L/min；保护气类型为纯度99.99％的Ar气；离焦量d为0～+1mm；激光与焊丝末端间距l为1～3mm。

优选地，在激光修饰时，激光行走速度为0.8～1.5m/min；激光功率为2800～3500w；保护气流量为10-20L/min；而为了使激光光斑能够覆盖焊缝的整个宽度，则离焦量d为+40～+50mm。

优选地，焊接完成后，进行焊后检查；

观察试样表面成形，如果焊缝余高没有超过预设值以及熔合线位置附近无不规则锯齿状咬边且过渡圆滑，则表示焊缝较为美观。

根据本发明提供的一种超高强钢薄板的激光-CMT复合焊接系统，包括：

模块M1：将退火态D406A超高强钢试样加工成I型坡口；

模块M2：对焊接试件进行表面打磨，去除表面的氧化膜，并祛除坡口侧焊接位置表面油污；

模块M3：装配焊接试样，确定激光头与焊枪的相对位置；

模块M4：确定激光-CMT复合焊接工艺及焊接参数并对焊接试样进行焊接；

对焊接试样进行焊接时，热源顺序包括电弧前置或激光前置；

当电弧前置时，则调整焊接规范以及光丝间距满足预设要求，采用满足预设要求的离焦激光-CMT复合焊接，在纯氩气保护下一次焊接成形；

当激光前置时，则调整焊接规范满足预设要求要求，进行纯氩以及满足预设要求的离焦激光-CMT复合填充焊接；然后调整离焦量满足预设要求，对焊缝表面进行纯激光重熔修饰焊接。

优选地，所述模块M4采用：进行激光-CMT复合焊接时，激光功率为2800～3500w；送丝速度为0.8～1.5m/min；焊接速度为1.0～1.5m/min；保护气流量为15～20L/min；保护气类型为纯度99.99％的Ar气；离焦量d为0～+1mm；激光与焊丝末端间距l为1～3mm。

优选地，在激光修饰时，激光行走速度为0.8～1.5m/min；激光功率为2800～3500w；保护气流量为10-20L/min；而为了使激光光斑能够覆盖焊缝的整个宽度，则离焦量d为+40～+50mm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明是针对在纯氩保护下，航天超高强钢激光-CMT复合焊接的焊缝表面成形质量较差而提出的焊接方法；

2、发明提出了两种焊接方法：当电弧在前，调整合适的焊接规范以及光丝间距，采用激光-CMT复合焊接，在纯氩气保护下一次焊接成形；当激光在前时，分两次焊接成形，首先在较大焊接规范下，进行纯氩、0离焦下激光-CMT复合填充焊接，然后调整离焦量，采用较大散焦、较小激光功率对焊缝表面进行纯激光重熔修饰焊接。这两种方法实现了无气孔且美观的焊缝表面成形，满足了焊接的质量要求，较高的焊接速度极大的提高了生产效率；

3、电弧引导激光复合焊接时，电弧首先形成，后续激光对电弧形成的熔池具有搅拌作用，可以加速气孔的逸出、提高焊缝边缘的润湿效果、提高CMT电弧的稳定性以及改善焊缝成分的非均匀性，同时电弧在前的工艺，仅仅需要一次焊接无需后续的激光修饰，可以提高产品的生产效率；

4、在激光引导电弧时，激光修饰可以显著的扩大焊缝的有效宽度，使得焊缝成形饱满而且熔合线侧过渡圆滑，消除了焊接接头应力集中的倾向。该焊接方法可以在高强钢或超高强钢等具有高附加值领域的焊接中得到广泛的应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1所示为电弧引导激光复合焊示意图。

图2所示为激光引导电弧复合焊示意图。

图3所示为焊缝修饰示意图。

图4电弧引导激光复合焊的焊缝正面成形。

图5电弧引导激光复合焊的焊缝反面成形。

图6电弧引导激光复合焊的X射线探伤结果。

图7激光引导电弧复合焊的焊缝正面成形。

图8激光修饰后的焊缝正面成形。

图9激光引导电弧复合焊的焊缝反面成形。

图10激光引导电弧复合焊的焊缝X射线探伤结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种超高强钢薄板的激光-CMT复合焊接方法，该焊接方法克服了现有技术中纯氩保护下激光-CMT复合焊接超高强钢薄板所存在的表面成形差等缺陷，有效的提高了生产效率以及焊接内部质量。

为实现上述表面成形良好及无气孔的焊接接头，本发明是通过使用下述技术方案来解决薄板超高强钢焊接正面成形较差及气孔问题的：

本发明提供了一种超高强钢薄板的激光-CMT复合焊接方法，包括：

步骤1：将2.8mm的退火态D406A超高强钢试样加工成I型坡口；

步骤2：对焊接试件进行表面打磨，并用酒精/丙酮清洗；

步骤3：装配焊接试样，确定激光头与焊枪的相对位置；

步骤4：确定激光-CMT复合焊接工艺及焊接参数并对焊接试样进行焊接。

所述的步骤1主要是将D406A超高强钢(C:0.28％-0.33％、Si:1.4％-1.7％、 Mn:0.7％-1.0％、Cr:1.0％-1.3％、Mo:0.4％-0.55％、Ni:0.25％、P:≤0.015％、S:≤0.01％)切成尺寸为150mm×80mm×2.8mm的试样，然后使用铣床加工I型坡口；

所述的步骤2是将试板用花形叶轮进行打磨，然后使用钢丝刷对坡口进行抛光处理，以清理接头侧的氧化膜，随后使用酒精/丙酮对接头侧的材料进行擦拭，保证无油污；

所述的步骤3是将试样装配在夹具上，控制接头间隙为0～0.2mm。选用干净整洁且直径为1.2mm的H10焊丝，固定好焊枪位置，确定激光1、CMT焊枪2、焊丝3以及母材4的相对位置，如附图1所示；

所述的步骤4是对装配好的试板根据以下工艺及规范进行激光-CMT复合焊接。其中根据激光和CMT电弧两热源的前后顺序可分为CMT电弧前置或者激光前置，示意图分别为图1和图2。当电弧前置时，调整合适的焊接规范以及光丝间距，采用激光-CMT 复合焊接，在纯氩气保护下一次焊接成形。其中激光功率优选为2800～3500w；送丝速度优选为0.8～1.5m/min；焊接速度优选为1.0～1.5m/min；保护气流量优选为15～20L/min；保护气为纯度99.99％的Ar气；离焦量d优选为0～+1mm；激光与焊丝末端间距l优选为 1～3mm。当激光前置时，分两次焊接成形，首先调整焊接参数，在较大焊接规范下，进行纯氩下激光-CMT复合填充焊接，具体参数为激光功率优选为2800～3500w，送丝速度优选为0.8～1.5m/min，焊接速度优选为1.0～1.5m/min，保护气流量优选为15～20L/min，保护气为纯度为99.99％的Ar气，离焦量d优选为0～+1mm，激光与焊丝末端间距l优选为1～3mm；然后调整离焦量，采用较大散焦、较小激光功率对焊缝表面进行纯激光重熔修饰焊接。通过激光重熔原填充焊缝金属，以消除焊缝表面的成形不均匀缺陷，CMT 不参与焊接，只提供保护气体。其中在激光修饰过程中，激光行走速度优选为 0.8～1.5m/min；激光功率优选为2800～3500w；保护气流量优选为10-20L/min；而为了使激光光斑能够覆盖焊缝的整个宽度，则离焦量d优选为+40～+50mm。

根据本发明提供的一种超高强钢薄板的激光-CMT复合焊接系统，包括：

模块M1：将退火态D406A超高强钢试样加工成I型坡口；

模块M2：对焊接试件进行表面打磨，去除表面的氧化膜，并祛除坡口侧焊接位置表面油污；

模块M3：装配焊接试样，确定激光头与焊枪的相对位置；

模块M4：确定激光-CMT复合焊接工艺及焊接参数并对焊接试样进行焊接；

对焊接试样进行焊接时，热源顺序包括电弧前置或激光前置；

当电弧前置时，则调整焊接规范以及光丝间距满足预设要求，采用满足预设要求的离焦激光-CMT复合焊接，在纯氩气保护下一次焊接成形；

当激光前置时，则调整焊接规范满足预设要求，进行纯氩以及满足预设要求的离焦激光-CMT复合填充焊接；然后调整离焦量满足预设要求，对焊缝表面进行纯激光重熔修饰焊接。

具体地，所述模块M4采用：进行激光-CMT复合焊接时，激光功率为2800～3500w；送丝速度为0.8～1.5m/min；焊接速度为1.0～1.5m/min；保护气流量为15～20L/min；保护气类型为纯度99.99％的Ar气；离焦量d为0～+1mm；激光与焊丝末端间距为1～3mm。

具体地，在激光修饰时，激光行走速度为0.8～1.5m/min；激光功率为2800～3500w；保护气流量为10-20L/min；而为了使激光光斑能够覆盖焊缝的整个宽度，则离焦量d为 +40～+50mm。

实施例2是实施例1的优选例

如图1、图4和图5所示，本案例公开了一种航天超高强钢薄板的激光-CMT复合焊接方法，采用电弧在前，激光-CMT复合焊接一次成形，具体是按照以下步骤进行的：

步骤一：将D406A超高强钢加工成长度为150mm宽度为80mm及厚度为2.8mm的试样，然后将待焊接头加工成I形坡口，接头形式为对接；

步骤二：对焊接试件进行打磨，并用酒精/丙酮清洗；

步骤三：装配和焊接路径编程；

装配清理后的待焊接头试样，并控制接头间隙0～0.2mm，选用干净整洁且直径为1.2mm的H10焊丝，固定好焊枪位置，确定激光1、CMT焊枪2、焊丝3以及母材4 的相对位置，如附图1所示；

步骤四：激光-CMT复合焊接

设置焊接方法为：电弧在前，激光在后的激光-CMT复合焊，如图1所示。焊接工艺参数为：激光功率3200～3500w，焊接速度1.0～1.5m/min，送丝速度0.8～1.5m/min，激光斑点与焊丝末端的间距l为2～3mm，离焦量d为0～+1mm，使用保护气体为99.99％的纯Ar，气体流量为15～20L/min，弧长修正为0～5％，CMT焊枪轴线与母材的夹角α为43～48°，激光轴线与母材的夹角β为85～90°，焊丝干伸长为13～15mm。

观察焊后正反面成形并使用X射线探伤确定内部气孔情况。焊缝整体成形较为均匀，正反面余高正常，在熔合线位置未发现不规则的锯齿状成形，如图4所示，这是由于激光后置对于电弧所形成的熔池具有搅拌及扩大熔池的作用，提高了焊缝边缘金属的润湿效果，这种模式在纯氩保护下有利于焊缝的成形。另外从X射线底片上并未发现气孔等缺陷，如图6所示，满足产品的0级焊缝质量要求。

实施例3是实施例1的优选例

如图2、图3、图7、图8和图9所示，本案例公开了一种激光在前的激光-CMT复合焊接外加激光修饰成形的焊接方法。具体按照以下步骤进行的：

步骤一：将D406A超高强钢加工成长度为150mm宽度为80mm厚度为2.8mm的试样，然后将待焊接头加工成I形坡口，接头形式为对接；

步骤二：对焊接试件进行打磨，并用酒精/丙酮清洗；

步骤三：装配和焊接路径编程；

装配清理后的待焊接头试样，并控制接头间隙0～0.2mm，选用干净整洁且直径为1.2mm的H10焊丝，固定好焊枪位置，确定激光1、CMT焊枪2、焊丝3以及母材4 的相对位置，如附图1所示；

步骤四：激光-CMT复合填充焊接

激光在前，采用0离焦较大规范、激光-CMT激光复合进行填充焊接，如附图2所示。具体的工艺参数为：激光功率3000～3400w，焊接速度1.0～1.5m/min，送丝速度 0.8～1.5m/min，激光与焊丝末端的间距l为2～3mm，离焦量d为0～+1mm，保护气体为 99.99％以上的纯Ar，气体流量为15～20L/min，弧长修正为-10～-5％，CMT焊枪轴线与母材的夹角为α为43～48°，激光轴线与母材的夹角β为85～90°，焊丝干伸长为13～15mm，焊后正面形貌如附图7所示。

步骤五：小规范纯激光重熔修饰焊接

对步骤四所述的焊后焊缝进行散焦小规范纯激光重熔修饰焊接，如附图3所示。工艺参数为：激光功率2800～3500w，焊接速度1.0～1.5m/min，正离焦量d为40～50mm，保护气流量15～20L/min，此时CMT焊枪仅提供保护气而不送丝，焊后正面形貌如附图 8所示。

观察焊后正反面成形并使用X射线探伤确定内部气孔情况。修饰前在纯氩保护下焊缝成形极不均匀，主要由于保护气体中无氧等活性气体，电弧焊接过程未形成稳定的导电通道，阳极斑点一直漂移，在焊缝上就表现为不规则的形貌，这种焊缝如果不加以修饰，易于在使用过程中产生应力集中，降低产品的使用寿命。而修饰后焊缝表面有银白色光泽，熔合线侧的不规则锯齿状形貌消失，焊缝成形饱满，焊缝质量得到明显的提升。另外通过X射线探伤，未发现气孔等焊接缺陷，如图10所示，满足产品的0级焊缝质量要求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。