專利名稱：：激光焊接在超高強(qiáng)度鋼焊接中的應(yīng)用及焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及激光焊接在超高強(qiáng)度鋼焊接中的應(yīng)用及焊接方法，特別是在30CrMnSiNi2A或300M超高強(qiáng)度鋼焊接中的應(yīng)用及焊接方法，屬于冶金
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：激光束焊接(LBW)是一種高能密度熔焊焊接方法。它是用激光束將被焊金屬加熱至熔化溫度以上熔合而成的焊接接頭。30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼是一種綜合性能優(yōu)良的航空結(jié)構(gòu)材料，其高比強(qiáng)度和高硬度使其具備承受靜載荷和很大的彎曲、沖擊載荷的能力，該鋼為目前性能較好的飛機(jī)起落架生產(chǎn)用鋼。飛機(jī)起落架系統(tǒng)作為飛機(jī)起降的主要部件(不包括機(jī)輪、輪胎和剎車裝置)，其質(zhì)量約占飛機(jī)自重的2%—3.5%，幾乎所有的零件都采用焊接結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)飛機(jī)起落架焊接技術(shù)多采用真空電子束打底焊接+惰性氣體保護(hù)鎢極電弧焊接(GTAW)或惰性氣體保護(hù)金屬極電弧焊接(GMAW)等，這些焊接設(shè)備簡單，但對員工的技術(shù)依賴性較大，焊接過程周期較長、容易產(chǎn)生咬邊、氣孔、夾渣、夾鎢和熔合不良等缺陷，降低了產(chǎn)品的合格率，給產(chǎn)品的挖補(bǔ)修復(fù)增加了作業(yè)量，降低了生產(chǎn)效率。因此在綠色連接技術(shù)和再利用修復(fù)技術(shù)中，加速焊接方法的應(yīng)用研究，利用新的焊接技術(shù)來獲得高效、可靠的焊接接頭成為一個(gè)至關(guān)重要的研究課題，也是亟待解決的關(guān)鍵問題。要將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于超高強(qiáng)度鋼的焊接中，須滿足三個(gè)方面的條件一是要制造出快速軸流的C02激光器，二是激光輸出模式要達(dá)到基模，即TEMoo末，三是激光焊接材料的厚度要小。而現(xiàn)有技術(shù)中激光器的制造水平、激光輸出模式和焊接材料的厚度均達(dá)不到前述條件，從而限制了激光焊接的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供激光焊接在超高強(qiáng)度鋼焊接中的應(yīng)用及焊接方法。本發(fā)明結(jié)合超高強(qiáng)度鋼的焊接特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)，利用激光焊接超高強(qiáng)度鋼，焊后焊縫接頭宏觀平整美觀、無裂紋孔洞產(chǎn)生，從而大大提高了該鋼焊接接頭的抗裂性能。本發(fā)明是這樣構(gòu)成的激光焊接在超高強(qiáng)度鋼焊接中的應(yīng)用。激光焊接在航空用超高強(qiáng)度鋼焊接中的應(yīng)用。激光焊接在30CrMnSiNi2A或300M超高強(qiáng)度鋼焊接中的應(yīng)用。激光焊接超高強(qiáng)度鋼的焊接方法為將超高強(qiáng)度鋼焊接試樣采用鉬絲線切割，焊接前用金相砂紙對試樣焊接接頭處打磨，除銹去毛刺，并用丙酮清洗，然后采用C02激光器進(jìn)行激光焊接。所述的C02激光器為窄帶連續(xù)C02激光器；優(yōu)選為窄帶TJ-HL-T5000型連續(xù)C02激光器。激光焊接過程中，采用銅鏡透射聚焦，焦距300315mm。激光焊接條件為激光輸出功率P二2.63.2KW，掃描速度V二60240mm/min，光斑直徑d二O.5L0mm;優(yōu)選的激光焊接條件為激光輸出功率P二2.8KW，掃描速度V二180mm/min，光斑直徑d二1.0mm。上述工藝條件均是發(fā)明人通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化、篩選出來的最佳工藝參數(shù)。在此工藝條件下可獲得良好的焊接質(zhì)量效果。與電子束焊接相比，本發(fā)明激光焊接具有以下特點(diǎn)(1)可以在大氣中焊接，不需要真空室，光束到達(dá)的距離長，而電子束在大氣中顯著衰減；(2)不會(huì)產(chǎn)生X射線，安全防護(hù)簡單，電子束需要射線屏蔽裝置；(3)在大氣中具有優(yōu)良的偏光性能，不像電子束那樣，不會(huì)因磁場產(chǎn)生激光束的偏離(4)合理選擇接頭施工條件，不易產(chǎn)生氣孔和熔合不良等缺陷；(5)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)，縮短生產(chǎn)周期；(6)產(chǎn)品的質(zhì)量得到了保證，提高了產(chǎn)品的合格率；(7)焊接設(shè)備成本小，容易操作。為了驗(yàn)證本發(fā)明焊接效果，申請了進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法1.1實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分激光焊接用30CrMnSiNi2A鋼，入庫狀態(tài)為正火+高溫回火，其微觀組織為回火索氏體?；瘜W(xué)成分見表l。表l30CrMnSiNi2A鋼的化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>1.2試樣制備采用線切割制備30CrMnSiNi2A鋼焊接試樣，試樣尺寸為45mmX15mmXlmm。激光焊接前用金相砂紙對試樣待焊端口打磨除銹去毛刺，最后用丙酮清洗。對焊接后的試樣用線切割機(jī)切成尺寸為80mmX8mmXlmm的拉伸試樣。1.3激光焊接工藝參數(shù)通過正交實(shí)驗(yàn)及對焊接接頭的宏觀質(zhì)量觀察對比，優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)激光功率P=2.8kW，掃描速度V二180mm/min，光斑直徑c^lmm，焊接過程中采用氬氣保護(hù)。1.4組織表征利用GX51型0M金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察；D/Max-2200型全自動(dòng)X射線衍射儀進(jìn)行焊縫接頭物相分析；KYKY-2800掃描電子顯微鏡進(jìn)行拉伸斷口形貌分析。1.5性能表征利用HV-1000顯微硬度儀進(jìn)行焊接接頭顯微硬度測定，載荷砝碼200g，加載時(shí)間20s;用WDW3100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測定激光焊接區(qū)的抗拉強(qiáng)度。2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.1焊縫區(qū)顯微組織分析焊縫區(qū)由焊縫中心區(qū)、近中心區(qū)、邊緣區(qū)、熔合區(qū)組成。焊縫中心區(qū)組織為均勻等軸晶、近中心區(qū)為枝狀晶、邊緣區(qū)為粗大的柱狀晶、熔合區(qū)為細(xì)長柱狀晶和細(xì)小等軸晶組織。通過對焊縫區(qū)進(jìn)一步觀察，焊縫區(qū)組織沿著熱擴(kuò)散方向生長，具有定向快速凝固特征。由凝固理論可知，溫度梯度與凝固速率的比值G/R(結(jié)晶參數(shù))決定著凝固組織的形貌，在激光焊接過程中，由于熔池與大塊的冷金屬接觸，冷速很快，凝固開始時(shí)，在液相的一側(cè)存在著極大的正溫度梯度，不會(huì)出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象，因此固/液界面向前推進(jìn)速度很慢，使得G/R很大，凝固首先以無晶核的方式直接在熔池邊緣區(qū)域通過晶體外延附生的方式生長出一層的細(xì)長的柱狀晶并且夾有細(xì)小的等軸晶。隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，G/R逐漸減小，成分過冷區(qū)的存在破壞了熔池的穩(wěn)定性，這時(shí)宏觀界面偶然擾動(dòng)產(chǎn)生的任何凸起都將面臨較大的過冷而以更快速度進(jìn)一步長大，而新晶核的形成比較困難，因此細(xì)長的柱狀晶長成了粗大的柱狀晶。當(dāng)熔池中晶粒長大時(shí)，熔池前方排出的溶質(zhì)就被推到固液界面，G/R進(jìn)一步減小，成分過冷區(qū)變寬，柱狀晶就以樹枝狀方式生長，晶粒就轉(zhuǎn)變成明顯的枝狀晶。隨著枝狀晶向前生長，液相中溫度梯度G很小，成分過冷越來越大，成分過冷區(qū)增大到液相能均勻形核時(shí)，則在剩余金屬溶液內(nèi)形成大量的新晶核，并沿各個(gè)方向自由生長而形成等軸晶，最終形成均勻中心等軸晶區(qū)。2.2熱影響區(qū)(H.A.Z)組織在激光束掃過焊縫時(shí)，焊縫周圍處于固態(tài)的基材就會(huì)發(fā)生明顯的固態(tài)相變，這一區(qū)域稱為焊接接頭的熱影響區(qū)(H.A.Z)，H.A.Z可分為完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)。完全淬火區(qū)分為粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)。粗晶區(qū)組織為粗大的馬氏體和少量的貝氏體，細(xì)晶區(qū)為細(xì)小的馬氏體和少量的貝氏體。這是因?yàn)镠.A.Z的完全淬火區(qū)溫度范圍約為Ac3-1450oC。該區(qū)域的金屬處于過熱狀態(tài)，距離焊縫越近，奧氏體化的晶粒長大就越嚴(yán)重。當(dāng)熱源離開時(shí)，焊縫快速冷卻，嚴(yán)重長大的奧氏體晶粒就轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體和少量貝氏體組織即形成完全淬火粗晶區(qū)。完全淬火細(xì)晶區(qū)的奧氏體化的晶粒長大不明顯，快冷后的組織變?yōu)榧?xì)小而均勻的馬氏體和少量貝氏體。這兩個(gè)區(qū)域的組織特征均為馬氏體和貝氏體組織，只是晶粒的粗細(xì)不同，同屬于完全淬火區(qū)。不完全淬火區(qū)組織為細(xì)小板條馬氏體、貝氏體和少量的殘余奧氏體。這是因?yàn)樵贏d以上時(shí)間很短，只有部分貝氏體、索氏體等組織被加熱到奧氏體化，在隨后的快冷過程中，奧氏體就轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小板條馬氏體、貝氏體和少量的殘余奧氏體組織。2.3XRD結(jié)果分析由焊縫接頭的x射線衍射譜圖可知焊縫中除了基體組織a-Fe相外，還有NiCrFe、Fe-Ni、MnSi2等相。焊縫中的Ni元素主要以NiCrFe、Fe-Ni等金屬間化合物的形式存在。NiCrFe、Fe-Ni金屬間化合物相的生成使焊縫具有高的硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能。另外，由于焊縫區(qū)含Ni量較高，對提高焊縫的塑性，改善焊接性能，降低開裂敏感性有利。2.4硬度結(jié)果分析由激光焊縫的顯微硬度分布圖可知，焊縫中心區(qū)最高硬度約為Hv518，熱影響區(qū)的最高硬度約為Hv560，基材硬度約為273Hv，硬度峰分別出現(xiàn)在熔合區(qū)和H.A.Z的完全淬火細(xì)晶區(qū)。熔合區(qū)為結(jié)晶前沿形成了大量的細(xì)小的等軸晶，故硬度較大；H.A.Z完全淬火細(xì)晶區(qū)相變后的組織為細(xì)小而均勻的馬氏體和貝氏體組織，因而硬度最高。2.5抗拉強(qiáng)度結(jié)果分析表2為焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，由表2可以看出，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為802MPa。表2拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果試樣號1234均值最大抗力(N)6272.56452.56559.26379.8試樣截面(mm2)8抗拉強(qiáng)度(MPa)784.1806.6819.9797.5802通過觀察，試樣斷裂部位不是發(fā)生在焊縫中心區(qū)，而是發(fā)生在靠近焊縫的母材區(qū)，其原因在于激光焊屬于高能密度焊接，焊接熔池很小，熔池的形成和凝固過程是一個(gè)非平衡的過程，焊接后的焊縫區(qū)組織由a-Fe、NiCrFe、Fe-Ni、MnSi2等相組成，焊縫強(qiáng)度大，塑性低。焊縫和熱影響區(qū)含少量的殘余奧氏體組織，拉伸時(shí)與母材的變形速率不一致，導(dǎo)致焊縫接頭的橫向變形較小，接頭其它區(qū)域的塑性好，變形量大，故拉伸試樣在母材處斷裂。通過斷口的掃描電鏡形貌可以看出，斷口出現(xiàn)大量的韌窩和少量二次微裂紋。韌窩是韌性斷裂的重要特征。因此激光焊接高強(qiáng)度30CrMnSiNi2A鋼具有良好的焊接質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)論(1)30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼經(jīng)激光焊接后，焊縫中心區(qū)組織為均勻等軸晶，近中心區(qū)為枝狀晶，邊緣區(qū)為粗大的柱狀晶，熔合區(qū)為細(xì)長柱狀晶和細(xì)小等軸晶組織。熱影響區(qū)主要由板條馬氏體、貝氏體極和少量的殘余奧氏體組織組成；焊縫區(qū)由基體相a-Fe，以及NiCrFe、Fe-Ni、MnSi2等相組成。(2)焊縫中心區(qū)最高硬度約為Hv518，熱影響區(qū)的最高硬度約為Hv560，從熱影響區(qū)到基材硬度明顯下降；焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為802MPa。(3)試樣斷裂部位發(fā)生在靠近焊縫的母材區(qū)，為韌性斷裂。激光焊接30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼焊縫質(zhì)量優(yōu)良。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)合超高強(qiáng)度鋼的特點(diǎn)，將激光焊接應(yīng)用于超高強(qiáng)度鋼焊接中，首次采用高能束密度激光焊接30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼，無氣體保護(hù)，穿透焊接，焊接厚度lmm，獲得了良好的焊接效果，焊接后焊縫接頭宏觀平整美觀，無裂紋孔洞產(chǎn)生，顯微組織分析和拉伸斷口分析顯示該焊接接頭無焊接缺陷，無夾雜，無氣孔，熔合良好，因而大大提高了超高強(qiáng)度鋼焊接接頭的抗裂性能。將本發(fā)明激光焊接技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)起落架各零部件的焊接中，可獲得高效、可靠的焊接接頭，大大減少修復(fù)作業(yè)量，提高生產(chǎn)效率。具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例l:30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼的激光焊接將30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼焊接試樣采用鉬絲線切割，焊接前用金相砂紙對試樣焊接接頭處打磨，除銹去毛刺，并用丙酮清洗，然后采用窄帶TJ-HL-T5000型連續(xù)C02激光器，腔內(nèi)選出混合低階模，銅鏡透射聚焦，焦距310mm，在激光輸出功率P二2.8KW，掃描速度V二180mm/min，光斑直徑d二l.Omm的條件下進(jìn)行激光焊接，焊接厚度lmm。經(jīng)過顯微組織分析和拉伸斷口分析結(jié)果顯示該焊接接頭無焊接缺陷，無夾雜，無氣孔，熔合良好。本發(fā)明的實(shí)施例2:30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼的激光焊接將30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼焊接試樣采用鉬絲線切割，焊接前用金相砂紙對試樣焊接接頭處打磨，除銹去毛刺，并用丙酮清洗，然后采用窄帶連續(xù)C02激光器，腔內(nèi)選出混合低階模，銅鏡透射聚焦，焦距315mm，在激光輸出功率P二2.6KW，掃描速度V二240mm/min，光斑直徑d二O.7mm的條件下進(jìn)行激光焊接，焊接厚度lmm。經(jīng)過顯微組織分析和拉伸斷口分析結(jié)果顯示該焊接接頭無焊接缺陷，無夾雜，無氣孔，熔合良好。本發(fā)明的實(shí)施例3:300M超高強(qiáng)度鋼的激光焊接將300M超高強(qiáng)度鋼焊接試樣采用鉬絲線切割，焊接前用金相砂紙對試樣焊接接頭處打磨，除銹去毛刺，并用丙酮清洗，然后采用窄帶連續(xù)C02激光器，腔內(nèi)選出混合低階模，銅鏡透射聚焦，焦距300mm，在激光輸出功率P=3.2KW，掃描速度V二60mm/min，光斑直徑d二O.5mm的條件下進(jìn)行激光焊接，焊接厚度lmm。經(jīng)過顯微組織分析和拉伸斷口分析結(jié)果顯示該焊接接頭無焊接缺陷，無夾雜，無氣孔，熔合良好。權(quán)利要求1.激光焊接在超高強(qiáng)度鋼焊接中的應(yīng)用。5.按照權(quán)利要求4所述激光焊接超高強(qiáng)度鋼的焊接方法，其特征在于:所述的C02激光器為窄帶連續(xù)C02激光器。6.按照權(quán)利要求5所述激光焊接超高強(qiáng)度鋼的焊接方法，其特征在于:所述的C02激光器為窄帶TJ-HL-T5000型連續(xù)C02激光器。7.按照權(quán)利要求4、5或6所述激光焊接超高強(qiáng)度鋼的焊接方法，其特征在于激光焊接過程中，采用銅鏡透射聚焦，焦距300315mm。8.按照權(quán)利要求4、5或6所述激光焊接超高強(qiáng)度鋼的焊接方法，其特征在于激光焊接條件為激光輸出功率P二2.63.2KW，掃描速度V二60240mm/min，光斑直徑d:O.5lmm。9.按照權(quán)利要求8所述激光焊接超高強(qiáng)度鋼的焊接方法，其特征在于:激光焊接條件為激光輸出功率P二2.8KW，掃描速度V二180mm/min，光斑直徑d二lmm。全文摘要本發(fā)明公開了激光焊接在超高強(qiáng)度鋼焊接中的應(yīng)用及焊接方法，將超高強(qiáng)度鋼焊接試樣采用鉬絲線切割，焊接前用金相砂紙對試樣焊接接頭處打磨，除銹去毛刺，并用丙酮清洗，然后采用CO₂激光器進(jìn)行激光焊接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明首次采用激光焊接超高強(qiáng)度鋼，無需氣體保護(hù)，穿透焊接，焊接厚度1mm，獲得了良好的焊接效果，焊接后焊縫接頭宏觀平整美觀，無裂紋孔洞產(chǎn)生，顯微組織分析和拉伸斷口分析顯示該焊接接頭無焊接缺陷，無夾雜，無氣孔，熔合良好，因而大大提高了超高強(qiáng)度鋼焊接接頭的抗裂性能。文檔編號B23K26/00GK101284334SQ20081030206公開日2008年10月15日申請日期2008年6月6日優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日發(fā)明者劉其斌,白麗鋒申請人:貴州大學(xué)