[发明专利]超高强度钢的激光-电弧复合热源高速焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高强度钢的激光-电弧复合热源高速焊接方法，电弧先行预热，激光高速焊接，明显减小工件焊接变形，明显降低超高强度钢焊接中冷裂纹开裂倾向，提高焊接质量。该方法属于高强度钢焊接技术领域。

背景技术

采用电弧焊焊接高强钢时工件会发生一定程度的变形，包括横向、纵向收缩变形，角变形，弯曲变形和波浪变形，造成了焊接结构形状变异、尺寸精度下降、承载能力降低和疲劳强度降低，这样的焊接结构会因在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象作用下早期失效。现有解决焊接变形的措施包括，合理选择施焊方法和焊接工艺参数，围绕结构中性轴平衡布置焊缝，合理选择焊接顺序，使用分段倒退焊和间断焊，预置反变形量，采用刚性固定等等。对于结构已经出现的在规范允许限值以外的焊接变形，采用机械矫正法和火焰矫正法予以矫正。而所述解决焊接变形的措施和矫正方法主要是依靠经验和有限的试验数据进行，不能适应复杂多变的结构形式和焊接方法，而且，焊接变形的矫正极为耗时费力，甚至导致产品报废。另外，大多数高强度钢均具有较高的淬硬倾向，采用电弧焊焊接高强度钢时，焊缝金属容易产生冷裂纹。为解决这一技术问题，所采取的措施是在焊接前预热待焊工件，预热温度的高低主要取决于高强钢的化学成分、工件厚度、强度等级以及焊接结构等因素。尽管这一措施能够降低焊缝金属冷裂纹敏感性，但是，却产生一些新的问题。一方面，焊接前预热使得焊接工艺变得复杂，降低了焊接效率；另一方面，焊接前预热所达到的高温恶化了操作环境；再有就是对于某些复杂或尺寸较大的工件无法进行有效的预热处理。

在现有技术中采用复合热源进行焊接是一种有效且易行的解决冷裂纹问题的方法。一篇题为“一种高强或超高强钢激光-电弧复合热源焊接方法”、申请号为200810223741.0的中国发明专利文献公开了一项技术方案。该方案采用焊接热源为激光-电弧复合热源，见图1、图2所示，焊接工件1为高强度钢或者超高强度钢，焊接时激光喷嘴2在先施焊，电弧焊枪3随后施焊，焊接参数如下，激光功率800～2000W，电弧焊接电流270A、电压30V，干伸长16mm，焊接过程中用20％CO₂+80％Ar混合气体保护，流量18L/min，电弧焊枪3与工件1表面夹角θ为45～60°，焊接速率v为0.8m/min，在工件1表面上，激光束与焊丝4之间的光丝间距h在3～7mm范围内确定。激光-电弧复合热源的采用较大的光丝间距，使得焊接熔池被拉长，熔池的振荡加剧，使得熔池金属的凝固速度降低、晶粒细化，从而降低了焊接工件1的金属冷裂纹敏感性，焊缝表面和断面均未出现裂纹。该方法未设专门的预热环节。因此，不存在单纯的电弧焊因预热工件而带来的技术问题。但是，该方案也存在一些缺陷：其一，焊接速度慢，能量输入大，导致焊接的线能量过大，会引起焊接工件的变形；其二，光丝间距过大，又由于激光在先、电弧在后，激光稳定电弧的作用减小，使焊接过程不稳定，容易产生飞溅。

发明内容

为了在避免产生冷裂纹的前提下，充分发挥激光稳定电弧的作用，从而提高焊接速率，减小焊接能量输入，防止焊接工件的变形，我们发明了一种超高强度钢的激光-电弧复合热源高速焊接方法。

本发明采用激光-电弧复合热源焊接，见图3、图4所示，焊接工件1为高强度钢或者超高强度钢，其特征在于，焊接时电弧焊枪3在先施焊，激光喷嘴2随后施焊，焊接参数如下，电弧焊接电流140～180A、电压23～25V，电弧焊枪3与工件1表面夹角θ为60～65°，激光功率3～5kW，焊接速率v为1～3m/min，光丝间距h在1～3mm范围内确定。