一種用于高溫合金的激光輔助熔化極電弧增材連接方法技術

本發明專利技術公開了一種用于高溫合金的激光輔助熔化極電弧增材連接方法，屬于焊接技術領域。該方法將激光電弧復合焊接技術和增材制造技術結合，通過激光光致等離子體和熔化極電弧的耦合作用，實現了小電流下穩定的熔滴過渡，通過精確控制每一道焊縫的寬度和深度，實現微小焊道的逐層累積，形成焊接接頭，使得每道焊縫熱輸入更小，焊接熱影響區更窄，熔池高溫停留時間短，凝固速度加快，獲得的熔池寬度變窄，熔池深度變淺，化學成分和組織更加均勻，氣孔、裂紋等缺陷更容易控制，晶粒更細小，焊接應力和殘余變形小，顯著提高高溫合金焊接接頭的綜合性能，增加構件使用壽命，具有較高的性價比。

Laser assisted melting arc material adding method for high temperature alloy

The invention discloses a laser assisted arc welding material joining method used for high temperature alloy, belonging to the welding technical field. The method and technology of additive manufacturing technology with laser arc hybrid welding, the coupling effect induced by arc plasma and melted by laser light, the droplet transfer stability under small current, through precise control of each weld width and depth, to achieve small bead layer accumulation, formation of welded joint, the each weld heat input in welding heat affected zone of smaller, more narrow, molten pool of short residence time, solidification speed, the weld pool width, weld pool depth, chemical composition and microstructure is more uniform, cracks and other defects were easier to control, finer grains, welding stress and deformation small, comprehensive can significantly improve the performance of high temperature alloy welded joint, increase the service life of a component, has a high price.

【技術實現步驟摘要】
一種用于高溫合金的激光輔助熔化極電弧增材連接方法
本專利技術涉及一種用于高溫合金的激光輔助熔化極電弧增材連接方法，屬于焊接

技術介紹
高溫合金是目前航空發動機以及燃氣輪機等高溫部件不可替代的關鍵結構材料，焊接是高溫合金結構件制造不可缺少的連接手段，高溫合金長期在高溫、高壓、高速旋轉及各種氧化腐蝕環境下運行，服役條件苛刻，對焊接接頭的性能要求高，焊接的難度大。目前常采用的焊接方法是鎢極氬弧焊、電子束焊、釬焊、摩擦焊等，主要問題是高溫合金的裂紋敏感性、過熱區的晶粒長大、焊縫化學成分及接頭組織的不均勻性和焊接接頭的等強性等。為了對高溫合金焊接接頭的缺陷、組織和性能綜合控制，提高高溫合金的使用壽命，保證高溫合金焊接結構的安全運行，對新的焊接方法和工藝提出了越來越高的要求。激光焊接技術具有能量密度集中、熔深大、焊接速度快、熱影響區窄、焊接應力和殘余變形小等特點，激光增材制造技術以分層制造為基礎，突出個性化、小批量、少流程等特點，適合于精密零件的制造及關鍵復雜部件的修復，目前受到了廣泛關注，將激光焊接技術和增材制造技術結合起來形成激光增材連接技術，將會綜合各自的優點，適用于難焊金屬和異種材料的連接。經對現有技術的文獻檢索發現，申請號201511028021.5公開了一份名稱為“一種基于激光增材制造技術的激光連接方法”專利文件，該方法利用激光沉積的方法在兩連接材料的焊縫之間通過逐層堆積的方法形成一個類似于兩母材之間焊縫形狀的新材料，利用所形成的新材料來連接兩母材的新方法，添加的材料形式是粉末。申請號201511023612.3公開了一份名稱為“一種TIG電弧同步預熱輔助的基于激光增材制造的連接方法”專利文件，該專利技術采用非熔化極TIG電弧進行預熱，緩解材料焊接過程裂紋敏感傾向，有效改善材料對激光吸收率低、焊接過程耗能大等缺點。申請號201610681729.9公開了一份名稱為“激光電弧復合焊3D增材修補裝置及修補方法”專利文件，該專利技術提供一種操作方便、可靠性高、適應性強的激光電弧復合焊增材修補裝置，用于增材修補。然而，對于添加的材料是焊絲，利用激光光致等離子體和熔化極電弧的耦合作用，實現小電流下穩定的熔滴過渡，并與增材制造技術結合用于高溫合金連接的方法還未見報道，由于采用焊絲，使得添加的成分穩定，成本低，作業環境改善。
技術實現思路
為了克服現有高溫合金焊接技術的不足，本專利技術提供了一種用于高溫合金的激光輔助熔化極電弧增材連接方法，該方法能夠提高高溫合金焊接接頭的性能，增加使用壽命，具有較高的性價比。本專利技術的一種用于高溫合金的激光輔助熔化極電弧增材連接方法，它是按照以下步驟進行：步驟一、在焊接前采用刨邊機將高溫合金的待連接部位加工成X型坡口，然后對距離坡口兩端20cm范圍內進行打磨露出金屬光澤，最后對加工及打磨的部位進行清洗，將清洗后的工件用焊接工裝夾具固定；步驟二、將焊槍與激光頭置于同一平面內，激光頭豎直向下，焊槍與工件的夾角為30°～60°，與激光頭形成旁軸復合，焊絲與工件的交點到激光作用點的距離為0mm～2mm；步驟三、設置激光輔助熔化極電弧增材連接工藝參數，離焦量為-6mm～+6mm，激光功率為300W～1600W，焊接速度為0.5m/min～1.5m/min，對于直流電源，電弧電壓為12V～22V，焊接電流為30A～80A，對于脈沖電源，電弧電壓為12V～25V，平均電流為30A～60A，基值電流為20A～40A，脈沖頻率為50Hz～120Hz，搭接寬度為0.3mm～1.5mm，每層厚度為0.5mm～2mm，保護氣為惰性氣體He、Ar或He、Ar的混合氣，保護氣流量為15L/min～25L/min；步驟四、設定好運行路徑后，啟動開關，激光頭在前，焊槍在后，激光光致等離子體和電弧形成復合熱源熔化焊絲和母材，每堆焊一層結束后，翻轉工件，焊接坡口的另一面，坡口兩面交叉焊接，形成焊接接頭。本專利技術焊接方法的原理如下：該方法的基本思想是通過將大的焊接熔池變為許多小的焊接熔池，改變了熔池的熱循環參數，使得每道焊縫熱輸入更小，焊接熱線影響區更窄，熔池高溫停留時間短，凝固速度加快，獲得的熔池寬度變窄，熔池深度變淺，化學成分和組織更加均勻，氣孔、裂紋等缺陷更容易控制，晶粒更細小，焊接應力和殘余變形小，最終顯著改善焊接接頭的綜合性能。為了形成微小的焊接熔池，加入激光，形成激光輔助熔化極電弧增材連接方法，通過激光光致等離子體和熔化極電弧的耦合作用，使得復合的電弧穩定，溫度提高，進而能夠實現在小電流下穩定的熔滴過渡，因此能夠降低熔池的大小，通過精確控制每一道焊縫的寬度和深度，實現微小焊道的逐層累積，實現高溫合金的連接，該方法是將激光電弧復合焊接技術和增材制造技術結合起來，綜合兩種技術的優點的一種焊接方法。與現有的技術相比，本專利技術的有益效果是：(1)焊接熱輸入更小，熱影響區更窄，降低熱影響區的不利影響；(2)化學成分和組織更加均勻，避免成分偏析；(3)容易消除氣孔、裂紋等焊接缺陷，改善焊縫內部質量；(4)形成的晶粒更加細小，有利于提高力學性能；(5)焊接應力和殘余變形小；(6)焊接接頭使用壽命提高20％以上。總之，該方法通過改善焊接接頭的組織，細化晶粒，均勻成分，控制缺陷，降低應力和減小變形，顯著提高高溫合金焊接接頭的綜合性能，增加使用壽命，具有較高的性價比。附圖說明圖1是用于高溫合金的激光輔助熔化極電弧增材連接示意圖，其中，1為焊絲盤，2為送絲輪，3為激光頭，4為激光束，5為待焊工件，6為焊槍；圖2是采用該方法獲得的焊接接頭形貌。具體實施方式下面對本專利技術的實施例作詳細說明，本實施例在以本專利技術技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本專利技術的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1：本實施采用光纖激光輔助熔化極電弧增材連接方法對板厚為8mm的Inconel625合金進行焊接，采用的焊絲直徑為0.6mm，具體實施方法如下：步驟一、在焊接前采用刨邊機將高溫合金的待連接部位加工成X型坡口，坡口角度為90°，鈍邊為0.6mm，然后對距離坡口兩端20cm范圍內進行打磨露出金屬光澤，最后用丙酮清洗加工及打磨的部位，將清洗后的工件用焊接工裝夾具固定；步驟二、將焊槍與激光頭置于同一平面內，激光頭豎直向下，焊槍與工件的夾角為35°，與激光頭形成旁軸復合，焊絲與工件的交點到激光作用點的距離為0.6mm；步驟三、設置激光輔助熔化極電弧增材連接工藝參數，離焦量為-4mm，激光功率為600W，焊接速度為1.3m/min，采用脈沖電源，電弧電壓為14V，平均電流為40A，基值電流為25A，脈沖頻率為60Hz，搭接寬度為0.4mm，每層厚度為0.6mm～0.8mm，保護氣為50％He+50％Ar的惰性混合氣，保護氣流量為17L/min；步驟四、設定好運行路徑后，啟動開關，激光頭在前，焊槍在后，激光光致等離子體和電弧形成復合熱源熔化焊絲和母材，每堆焊一層結束后，翻轉工件，焊接坡口的另一面，坡口兩面交叉焊接，形成焊接接頭。采用該方法形成的焊接接頭的使用壽命比采用鎢極氬弧焊形成的焊接接頭的使用壽命提高22％，成本降低10％。實施例2：本實施采用YAG固體激光輔助熔化極電弧增材連接方法對板厚為12mm的Inconel718合金進行焊接，采本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于高溫合金的激光輔助熔化極電弧增材連接方法，其特征在于，它是按照以下步驟進行：步驟一、在焊接前采用刨邊機將高溫合金的待連接部位加工成X型坡口，然后對距離坡口兩端20cm范圍內進行打磨露出金屬光澤，最后對加工及打磨的部位進行清洗，將清洗后的工件用焊接工裝夾具固定；步驟二、將焊槍與激光頭置于同一平面內，激光頭豎直向下，焊槍與工件的夾角為30°～60°，與激光頭形成旁軸復合，焊絲與工件的交點到激光作用點的距離為0mm～2mm；步驟三、設置激光輔助熔化極電弧增材連接工藝參數，離焦量為?6mm～+6mm，激光功率為300W～1600W，焊接速度為0.5m/min～1.5m/min，對于直流電源，電弧電壓為12V～22V，焊接電流為30A～80A，對于脈沖電源，電弧電壓為12V～25V，平均電流為30A～60A，基值電流為20A～40A，脈沖頻率為50Hz～120Hz，搭接寬度為0.3mm～1.5mm，每層厚度為0.5mm～2mm，保護氣為惰性氣體He、Ar或He、Ar的混合氣，保護氣流量為15L/min～25L/min；步驟四、設定好運行路徑后，啟動開關，激光頭在前，焊槍在后，激光光致等離子體和電弧形成復合熱源熔化焊絲和母材，每堆焊一層結束后，翻轉工件，焊接坡口的另一面，坡口兩面交叉焊接，形成焊接接頭。...

【技術特征摘要】
1.一種用于高溫合金的激光輔助熔化極電弧增材連接方法，其特征在于，它是按照以下步驟進行：步驟一、在焊接前采用刨邊機將高溫合金的待連接部位加工成X型坡口，然后對距離坡口兩端20cm范圍內進行打磨露出金屬光澤，最后對加工及打磨的部位進行清洗，將清洗后的工件用焊接工裝夾具固定；步驟二、將焊槍與激光頭置于同一平面內，激光頭豎直向下，焊槍與工件的夾角為30°～60°，與激光頭形成旁軸復合，焊絲與工件的交點到激光作用點的距離為0mm～2mm；步驟三、設置激光輔助熔化極電弧增材連接工藝參數，離焦量為-6mm～+6mm，激光功率為300W～1600W，焊接速度為0.5m/min～1.5m/min，對于直流電源，電弧電壓為12V～22V，焊接電流為30A～80A，對于脈沖電源，電弧電壓為12V～25V，平均電流為30A～60A，基值電流為20A～40A，脈沖頻率為50Hz～120Hz，搭接寬度為0.3mm～1.5mm，每層厚度為0.5mm～2mm，保護氣為惰性氣體He、Ar或He、Ar的混合...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡連海，趙陽，許昌玲，丁敏，劉曉林，侯德斌，劉春濤，胡慶福，孫繼友，
申請(專利權)人：石家莊鐵道大學，
類型：發明
國別省市：河北,13