[发明专利]高氮钢激光-电弧两热源弱耦合焊接方法

说明书

高氮钢激光‑电弧两热源弱耦合焊接方法，首先利用光学调控技术减小激光束能量密度，再利用两热源弱耦合效应降低复合热源的能量密度，更重要的是这种弱耦合效应能够改变熔池流动速度和方向并降低熔池峰值温度，从而降低了母材的氮析出，提高了熔池液态金属对析出氮的再吸收，加速了多余氮的排出，最终形成无气孔的焊缝。改善了接头综合力学性能，解决了现有技术中高氮钢焊接气孔抑制难和接头性能一致性差的问题。所述方法焊接速度快，焊缝质量好，提高了生产效率和产品质量；解决了相关技术中焊缝气孔多、综合性能差、焊接工艺较复杂的难题，提高了产品质量，降低了生产成本，且焊接工艺简单、自动化程度高。

技术领域

本发明属于材料焊接技术领域，涉及一种解决高氮钢焊接气孔和改善接头综合力学性能的工艺方法，适用于高氮钢两热源或多热源的焊接过程。

背景技术

铁素体/马氏体基体中氮含量大于0.08wt％或奥氏体基体中氮含量超过0.4wt％的钢为高氮钢，其主要利用N元素部分或完全替代合金元素Ni，以获得奥氏体组织。高氮钢的力学性能优良，是制造领域中的重要工程材料，在军事、车辆、医疗和海洋等领域发挥重要作用。

然而，高氮钢在熔化焊过程中，常常存在氮损失、焊接缺陷和氮化物析等问题，其中气孔更是焊接中难以逾越的技术屏障。这是由于氮在液态和固态金属中溶解度差异悬殊、在奥氏体中的溶解度明显大于在液态铁合金熔体中的溶解度、焊接过程中固溶氮溶解度发生了剧烈变化所致，因此，焊缝中不可避免地会出现气孔，并且母材氮含量越高气孔问题越严重。气孔等问题会导致焊接接头的力学性能下降以及焊缝耐蚀性下降，成为制约高氮钢推广应用的主要因素。

关于高氮钢的焊接气孔问题，研究人员从焊接热输入、工艺优化、保护气体、施加振动及专用焊丝研制方面开展了深入研究，取得了丰富的研究成果。激光-电弧复合热源是将激光、电弧两种物理本质完全不同的热源有机复合在一起，兼具两种热源各自的优点，但也由此产生了很多新问题。在激光-电弧复合焊接过程中，高能量密度的激光作用于金属，一方面能够产生大量金属蒸汽，能够提高电弧的电导率、电子密度、电弧温度及电流密度，进而增强电弧的稳定性。另一方面低温的电弧等离子体能够快速稀释高温的光致等离子体，提高激光能量利用率。电弧等离子体弧柱会进入激光“匙孔”，并与“匙孔”等离子体发生耦合作用，形成复合放电等离子体，有利于提高复合热源的能量密度和热穿透能力，能量密度大的复合热源能够加速形成焊接熔池和提高焊接熔池的峰值温度，从而提高焊接效率。但是，对于高氮钢焊接来说，由于N相对于其它合金元素的特殊性，提高复合热源的能量密度和热穿透能力并不是积极因素。

复合焊接中激光和电弧之间的相互作用非常重要，两热源的等离子体发生耦合即可实现复合焊接。激光与电弧相互作用程度取决于两热源的间距，热源间距不同，复合焊接的熔滴过渡、熔池温度、焊缝成形、等离子体形态等均发生变化。一般来讲，激光-电弧复合焊接的热源间距为1mm～3mm，在此范围内，两热源的耦合效果大幅增强。但是，强耦合带来的热源能量密度和热穿透能力的提升不可避免地会造成焊接熔池峰值温度过高使固溶氮溶解度发生剧烈变化，导致焊缝中出现气孔，造成焊接接头力学性能下降以及焊缝耐蚀性下降的问题，成为影响高氮钢焊接产品质量的重要因素。

因此，如何在保证一定热源能量密度和热穿透能力的前提下尽可能抑制焊缝中气孔的出现，保证接头性能的一致性，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出了一种高氮钢激光-电弧两热源弱耦合焊接方法，解决了现有技术中高氮钢焊接过程中未能完全抑制焊接气孔的难题，从而改善焊接接头综合力学性能。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种激光-电弧两热源弱耦合焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、将待焊工件以对接形式夹持在焊接平台上；

步骤二、启动激光器、焊机及热交换系统电源，设置焊接程序，使激光复合焊接头沿着工件对接间隙的轨迹运行，激光束垂直照射在焊接工件正面；