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使用脉冲Nd:YAG激光作为焊接热源可以实现对厚度为0.7mm殷瓦钢薄板的对接焊

本文引自中船第九设计研究工程有限公司 黄震宇发表论文《殷瓦钢脉冲激光焊接头强度及温度测量》。
殷瓦钢,1896年法国物理学家意外发现,成分为镍36%、铁63.8%、碳0.2%的镍铁合金却出现了反常热膨胀现象,在230℃以下的温度范围内,这种合金材料的尺寸几乎不随温度变化而发生改变。但是这种钢与普通钢特性有很大的不同,它的合金含量比一般的钢要高很多,因此就会造成焊接性能差。所以殷瓦钢的焊接,也被称为世界上难度最高的焊接技术。
目前殷瓦钢焊接一般采用钨极氩弧焊,该工艺热输入大,工件变形和热影响区较大,且易产生热裂纹,难以保证焊接接头强度。激光焊与上述方法相比,具有聚焦光斑密度高、热输入小、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小、焊接速度快等优点,因此非常适合热裂倾向大的殷瓦钢的焊接。
激光焊是殷瓦钢薄板焊接的发展方向之一,但激光能量集中,会在焊接过程中产生较大的温度梯度,从而导致较大的焊接应力,影响焊接头的强度。因此从降低焊接温度梯度的角度出发,提出了殷瓦钢的局部预热双光束激光焊接方法:利用分光法获得双光束,前一束激光预热,后一束激光焊接,预热与焊接同步进行。利用双光法降低焊接温度梯度,来提高焊接接头的强度,为实现殷瓦钢的高强度焊接提供实验依据。

试验材料采用厚度为0.7mm的殷瓦钢Invar36薄板。焊接实验前,使用线切割方法将Invar36切割成尺寸30mmx80mmx0.7mm的对焊式样,进行对焊试验。对薄板表面及接头端先用砂纸打磨,再用丙酮清洗。保护气体采用氩气,流量为15L/min。焊接速度为200mm/min。试验所用焊接设备采用Nd:YAG型固体毫秒脉冲激光器,功率0~1300W连续可调,可以进行单光束和双光束激光脉冲焊接。
采用SatHY-G90型红外热成像仪,对不同焊接工艺参数下的焊接温度场进行测量,测温档位设定范围为900~2000°C,测温数据采集界面如图1所示。在拉伸试验中,将焊件用线切割的方法要求加工成标准试件,再放置于CSS-2205电子万能试验机进行试验,如图2所示,焊接工艺参数见表2。

试验结果:使用脉冲Nd:YAG激光作为焊接热源可以实现对厚度为0.7mm殷瓦钢薄板的对接焊。在一定范围内,激光焊接后试件的抗拉强度与屈服强度基本上随着激光的频率、功率和脉宽的增加而提高。

采用合适参数的双光束激光焊接可以进一步提高试件的抗拉强度与屈服强度。试验中,当参数为:功率390W,脉宽2.5ms,频率30Hz,离焦量0mm和焊接速度为200mm/min时,获得了最高的抗拉强度与屈服强度,分别为487.84,257.70MPa,达到了母材强度的94.18%和92.00%。

采用合适参数的双光束激光焊接可以有效降低焊接过程中的温度梯度,使焊件在焊接过程中受热更趋于均匀,从而提高焊接接头的强度。

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