一种用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料及其使用方法

摘要

本发明提供一种用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料，其组分及重量百分比如下:Si0

说明书

技术领域

本发明属于焊接与连接技术领域，具体涉及用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料及其使用方法。

背景技术

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，具有热输入量低、焊接速度快、接头热变形和热影响区小、熔池形状深宽比大、焊缝组织细和接头韧性好等优点，在机械、汽车、造船、航空航天、钢铁、海洋工程和零件表面修复等工业领域获得了日益广泛的应用。激光焊接中激光束经过特殊的光学透镜聚焦到工件的表面，由于金属材料对激光束具有极高的表面初始反射率和辐射能的吸收率低等特点，在与焊件作用的开始时，大部分的激光束能量都被金属材料表面反射掉，能量转换效率较低，焊件只能吸收很少一部分能量。激光束功率密度和金属材料对激光的吸收率是影响焊缝熔深的主要因素。激光焊接金属材料要获得更大的焊缝熔深和保证接头能够全焊透必须采用大功率的激光电源或提高对激光能的吸收率。采用大功率的激光电源是保证激光焊接熔深和金属材料全焊透的首选措施。

超高强度钢是指通过相变进行强化的钢种，是在低碳钢中添加少量的铌和/或钛等多种合金元素，经过固溶体强化、析出强化、晶粒细化强化和应变组织强化，使其与碳、氮等元素形成碳化物、氮化物并在铁素体基体上析出从而提高钢的强度。激光焊接超高强度钢采用大功率的激光电源，一方面提高了激光焊接设备成本；另一方面超高强度钢激光焊接过程中提高激光束功率来增大焊缝的熔深会导致钢中的合金元素烧损严重，破坏合金元素的强化作用，降低焊接接头的力学性能。为了能实现在较低激光功率下获得更大的焊缝熔深，稳定的焊接过程和优异的焊缝成形质量，近年来，研究人员研发多种激光与其它热源进行复合的焊接工艺，如激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多 光束激光焊接等。激光复合焊接技术工艺参数较复杂，焊接机头尺寸比较大，接头形式有一定的局限性，尤其是激光电弧复合焊接过程中产生的飞溅、熔渣和金属蒸气等对激光头防护玻璃片的污染与聚焦镜的损伤会导致激光能量逐渐降低，严重时降低程度达到90％，如何防止焊接过程中的飞溅、熔渣和金属蒸气等污染激光头的防护玻璃与损伤聚焦镜是一个重要技术难题；与此同时，如何进一步防止焊缝金属的氧化和减少合金元素的烧损，提高焊接接头的力学性能，保证焊接接头与母材等强度也是激光焊接过程中亟待解决的技术难题。目前，有关提高金属材料对激光能吸收率来增加焊缝熔深的相关应用技术尚未见详细报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料及其使用方法，同等激光束功率密度的情况下增大超高强度钢激光焊焊缝的熔深，保证了接头能够全焊透，同时熔化的氧化物吸热涂料形成熔渣对熔化的焊缝金属起到保护作用，减少超高强度钢中的合金元素氧化和烧损，改善焊缝的成型质量。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料，其组分及重量百分比如下：

作为本发明优选的技术方案：一种用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料的组分及重量百分比如下：

作为本发明优选的技术方案：所述的B₂O₃、Si0₂、MnO和CaO的粒度为20－50μm，纯度为99.9％。

一种用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料的使用方法，步骤如下：

A.将Si0₂、MnO、CaO和B₂O₃按以上重量百分比混合均匀得到氧化物吸热涂料的粉末颗粒；

B.将步骤A中制得氧化物吸热涂料的粉末颗粒加入粘结剂混合均匀，粒化和低温(400℃以下)烘干后再次粉碎，筛选其中的粒径20－50μm氧化物吸热涂料颗粒；

C.将步骤B中的粒径20－50μm氧化物吸热涂料颗粒喷涂于待焊的超高强度钢结构件的焊接接头表面，之后采用激光焊焊接。

作为本发明优选的技术方案：所述的步骤B中筛选其中的粒径35μm氧化物吸热涂料颗粒。

作为本发明优选的技术方案：步骤C中所述的喷涂的工艺可以采用等离子喷涂、刷涂或气体喷涂。

作为本发明优选的技术方案：步骤C中所述的喷涂量为7-9mg/cm²。

作为本发明优选的技术方案：步骤C中所述的喷涂量为8mg/cm²。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的方法可提高待焊接金属材料对激光能的吸收率，在同等光束功率密度的情况下显著增大超高强度钢激光焊焊缝的熔深；保证接头能够全焊透，

2、熔化的氧化物吸热涂料形成熔渣对熔化的焊缝金属起到保护作用，减少超高强度钢中的合金元素氧化和烧损，改善焊缝的成型质量。

附图说明

图1是使用本发明提供的用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料的激光焊接焊缝熔深示意图；

图2是未使用本发明提供的用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料的激光焊接焊缝熔深示意图。

具体实施方式

本发明所述的用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料以B₂O₃为基础成分，添加Si0₂、MnO和CaO构成氧化物吸热涂料。B₂O₃熔化温度为580℃，能与金属氧化物作用形成易熔的硼酸盐，反应式为：B₂O₃+MeO→MeO·B₂O₃，硼酸盐以熔渣的形式浮在焊缝金属表面上，既能达到去除超高强度钢表面的氧化物作用，又能起到机械保护作用，保护焊接区金属免受空气的侵害。Si0₂和MnO的电阻率与熔沸点较高，在焊接过程中起到提高对激光光束的吸收率，有效增大超高强度钢激光焊焊缝的熔深。CaO是碱性氧化物，与B₂O₃作用形成的硼酸盐粘度低，流动性好，可以降低熔化焊缝金属的液态表面张力改善焊缝表面的成型。材料对激光的吸收取决于材料自身的物理和化学性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。有文献报道，影响材料对激光光束的吸收率的因素有两个因素，一是材料的电阻系数，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比；二是材料的表面状态(或光洁度)对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。陶瓷、玻璃、橡胶和塑料等非金属材料在室温时对激光的吸收率较高，而金属材料在室温时对激光的吸收率很低，只有在金属材料熔化乃至气化时对激光束的吸收才急剧增加。显然，表面采用吸热涂料或表面生成氧化膜的方法，提高金属材料对激光束的吸收非常有效。本发明所述的用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料的颗粒尺寸对激光焊接超高强度钢的接头质量有重要影响，颗粒尺寸大小影响喷涂在被焊结构件表面氧化物吸热涂料与工件的附着强度。氧化物吸热涂料颗粒尺寸小，颗粒的比表面积大，有利于提高对激光光束的吸收率，有效增大超高强度钢激光焊焊缝的熔深。氧化物吸热涂料颗粒尺寸过小，与工件的附着强度低，易于被保护气体吹散，会影响焊缝的熔深。此外，被焊结构件焊接接头表面喷涂单位面积氧化物吸热涂料的量也会影响超高强度钢激光焊焊缝熔深和焊缝强度。被焊结构件焊接接头表面喷涂氧化物吸热涂料的量过大，会产生焊缝夹杂、熔合不良和未焊透等焊接缺陷。因此，激光焊接超高强度钢也需要精确控制氧化物吸热涂料的单位面积喷涂量。

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。

本发明所述的一种用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料，其组成及重量百分 比如下：Si02为25-30％、MnO为5-8％、CaO为16-20％、B2O3为余量。

本发明所述的一种用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料的使用方法，步骤如下：

A.将Si02、MnO、CaO和B2O3按以下重量百分比混合均匀得到氧化物吸热涂料的粉末颗粒：Si02为25-30％、MnO为5-8％、CaO为16-20％、B2O3为余量；

B.将步骤A中制得氧化物吸热涂料的粉末颗粒加入粘结剂混合均匀，粒化和低温(400℃以下)烘干后再次粉碎，筛选其中的粒径20－50μm氧化物吸热涂料颗粒；

C.将步骤B中的粒径20－50μm氧化物吸热涂料颗粒喷涂于待焊的超高强度钢结构件的焊接接头表面，之后采用激光焊焊接。

下述实施例如以上步骤将制备的氧化物吸热涂料用于超高强度钢的激光焊接，激光焊机为CO₂激光器，焊接功率P＝1.0kw，焊接速度V＝2000mm/min，离焦量F＝0mm，侧吹气为纯Ar，流量为30L/min。

实施例1-9见表1：

表1 氧化物吸热涂料配比及其焊后接头性能

结果显示：本发明所述的用于提高超高强度钢激光焊焊缝熔深的吸热涂料及其使用方 法，按照上述氧化物吸热涂料以及工艺步骤所达到的技术指标：

(1)相同技术参数条件下，超高强度钢结构件焊接接头表面喷涂氧化物吸热涂料进行激光焊接，一次焊接焊缝熔深增大14-21％；

(2)激光焊接得到的焊缝表面成型美观。