低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法与流程

本发明涉及异种材料连接技术，尤其涉及低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法。

背景技术：

低碳钢与铸铁异种金属的搭接接头经常出现在汽车、空调压缩机等产品结构中。由于铸铁含碳量及杂质含量一般较高，对于焊接非常不利，低碳钢与铸铁异种金属焊接极易产生焊接裂纹。如压缩机低碳钢壳体与壳体内部的铸铁泵体的连接，目前多采用填充低碳钢焊丝的焊接方法，如MAG焊，该工艺需要对工件加工塞焊孔和填充焊接材料，成本增加；此外，如果工件对于接头有密封要求，塞焊一旦焊接不良，很容易发生泄漏，而且气保焊焊接线能量较大，对于焊接变形控制不利。

激光焊接是一种高能量密度的焊接方法，具有焊接斑点小、热输能量集中、热影响区小、冷却速度快等特点。对于控制焊接变形十分有利，但由于其冷却速度较快，当采用自熔焊接时，焊缝极易形成马氏体组织而发生开裂。另一方面，由于激光焊缝通常具有较小的成形系数(即焊缝深且窄)，进一步增加了开裂倾向。而如果通过采用激光填丝焊方法，在激光焊接的同时，用送丝装置将焊丝送至焊缝处，焊丝被激光束熔化后与两侧母材熔合形成焊缝，虽然可以明显改善了焊缝成分及组织，降低焊缝开裂，但仍然需要采用较大的热量输入，而且相对传统MAG焊接工艺，并无明显进步。因此，很有必要开发一种低碳钢与铸铁异种材料的自熔激光焊接方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，能够降低焊接成本，提高焊缝抗裂性能。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

低碳钢与铸铁的异种金属焊接方法，包括如下步骤：

S1、准备母材：低碳钢含碳量≤0.6wt％，所述低碳钢的厚度为0.5～8mm；铸铁含碳量为2～4wt％，所述铸铁的厚度均≥1mm；

S2、母材表面清理及装配：清理母材，去除表面的氧化物、油污，将经过表面清理的待焊接低碳钢与铸铁搭接装配，采用工装夹具固定，组成待焊件，所述低碳钢与铸铁搭接接头装配间隙≤0.5mm；

S3、焊接工艺：采用振镜激光焊接头，焊接过程中摆动和自熔焊接，激光焊接将低碳钢全部熔透，并将铸铁侧表面部分熔融，使低碳钢与铸铁接触面自熔形成焊缝固定连接。

进一步地，所述步骤S3中，主要焊接参数为：焊接激光功率为1000～5000W；焊接速度为0.2～1m/min；离焦量：-3～+3mm；摆动幅度为±1～±4mm，摆动频率30～500Hz；保护气体为Ar，气体流量为8～20L/min。

进一步地，所述低碳钢含碳量≤0.1wt％，所述低碳钢的厚度为2～4mm；铸铁含碳量为2.5～3.5wt％，所述铸铁的厚度均≥3mm。

进一步地，所述低碳钢与铸铁搭接接头装配间隙≤0.2mm。

进一步地，使得最终焊缝总面积中通过铸铁自熔形成的面积占比10～30％。

进一步地，通过所述的焊接参数搭配，使得最终焊缝总面积中通过铸铁自熔形成的面积占比20％。

进一步地，所述摆动焊接摆动轨迹为直线型。

进一步地，所述摆动焊接摆动轨迹为8字型曲线，或圆环形，或锯齿形。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)采用摆动激光焊头，从低碳钢侧进行穿透焊接，并通过激光功率、速度匹配，控制铸铁侧金属熔深，使最终焊缝金属主要为低碳钢自熔形成，从而降低了焊缝金属中的碳、硫等杂质元素含量，提高焊缝抗裂性能。

(2)与传统低碳钢与铸铁异种金属搭接接头的激光焊相比，通过摆动焊接，焊缝宽度较传统激光焊接方法大大增加，不再受制于激光斑点大小，从而改善了焊缝成形系数，进一步降低了焊缝开裂倾向，成功解决了焊缝开裂问题；而且焊缝宽度增加，单位长度焊缝的承载能力增加。

(3)与传统MAG等弧焊相比，采用本发明的激光焊接方法为自熔焊接，不需要填充焊接材料，也不需要预先开坡口或孔，无预热及后热，成本更低；此外，由于激光焊接热影响小的特点，焊接接头变形小。

附图说明

图1为现有低碳钢与铸铁异种金属弧焊塞焊技术焊接前的结构示意图；

图2为现有低碳钢与铸铁异种金属弧焊塞焊技术焊接后的结构示意图；

图3为本发明焊接前的结构示意图；

图4为本发明焊接后的结构示意图。

图中：1、低碳钢；11、低碳钢侧预孔；2、铸铁；21、铸铁侧预孔；3、焊缝金属；4、装配间隙。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

图1-4中，l为装配中心线。图3中，g为待焊位置中心线。图4中，激光摆动中心线为h，激光中心位于激光摆动中心线h上。

图1及2所示为现有低碳钢与铸铁异种金属弧焊塞焊技术，对于低碳钢1工件与铸铁2工件形成的搭接接头，需要分别在工件上加工低碳钢侧预孔11和铸铁侧预孔21。然后通过熔化极气体保护焊或者焊条电弧焊方法进行焊接，焊接材料通常为低碳钢焊材，通过低碳含量的焊接材料填充到低碳钢侧预孔11和铸铁侧预孔21，及工件之间的装配间隙4，形成焊缝金属3，将低碳钢1工件与铸铁2工件固定连接。由于铸铁侧熔合比较小，焊缝金属3主要由低碳焊接材料形成，故大大降低了焊缝中碳及杂质含量，焊缝裂纹倾向降低。该方法的主要缺点在于工艺较复杂，需要加工塞焊孔，还需要填充焊接材料，不利于降低成本；另一方面，焊接热量输入大，接头容易产生焊接变形。图2中，低碳钢侧焊缝金属面积为A，铸铁侧焊缝金属面积为B。

对此，本发明给出了解决上述问题的三种具体实施方式。

实施例1：

低碳钢与铸铁的异种金属激光搭接焊方法，包括如下步骤：

S1、准备母材：低碳钢1含碳量0.07wt％，低碳钢的厚度为0.5mm；铸铁2含碳量在2wt％，铸铁2的厚度为1mm；

S2、母材表面清理及装配：清理母材，去除表面的氧化物，即清理待焊接区域的油污、铁锈等，将经过表面清理的待焊接低碳钢1与铸铁2上下搭接装配，采用工装夹具固定，组成待焊件，低碳钢1与铸铁2搭接接头装配间隙4为0mm；

S3、焊接工艺：采用振镜激光焊接头，焊接过程中摆动和自熔焊接，激光从低碳钢侧入射，激光焊接将低碳钢全部熔透，并将铸铁侧表面部分熔融，使低碳钢与铸铁接触面自熔形成焊缝固定连接。主要焊接参数为：焊接激光功率为1000W；焊接速度为1m/min；离焦量：+3mm；摆动幅度为2mm，摆动频率30Hz；焊接保护气体为Ar，气体流量为8L/min。

优选地，摆动焊接摆动轨迹为直线型，或8字型曲线，或圆环形，或锯齿形。焊接采用摆动和自熔焊接，不填充焊接材料。激光焊接前不需要预热，焊接后无需热处理。

通过上述激光焊接方法，通过激光自熔焊接参数搭配，铸铁自熔形成的面积占焊缝总面积比例30％。焊缝成形优良，焊缝未发现裂纹、未熔合等缺陷。

实施例2：

低碳钢与铸铁的异种金属激光搭接焊方法，包括如下步骤：

S1、准备母材：低碳钢1含碳量0.3wt％，低碳钢的厚度为4mm；铸铁2含碳量在2.5wt％，铸铁2的厚度为10mm；

S2、母材表面清理及装配：清理母材，去除表面的氧化物，即清理待焊接区域的油污、铁锈等，将经过表面清理的待焊接低碳钢1与铸铁2上下搭接装配，采用工装夹具固定，组成待焊件，低碳钢1与铸铁2搭接接头装配间隙4为0.2mm；

S3、焊接工艺：采用振镜激光焊接头，焊接过程中摆动和自熔焊接，激光从低碳钢侧入射，激光焊接将低碳钢全部熔透，并将铸铁侧表面部分熔融，使低碳钢与铸铁接触面自熔形成焊缝固定连接。主要焊接参数为：焊接激光功率为3000W；焊接速度为0.5m/min；离焦量：0mm；摆动幅度为4mm，摆动频率100Hz；焊接保护气体为Ar，气体流量为14L/min。

优选地，摆动焊接摆动轨迹为直线型，或8字型曲线，或圆环形，或锯齿形。焊接采用摆动和自熔焊接，不填充焊接材料。激光焊接前不需要预热，焊接后无需热处理。

通过上述激光焊接方法，通过激光自熔焊接参数搭配，铸铁自熔形成的面积占焊缝总面积比例20％。焊缝成形优良，焊缝未发现裂纹、未熔合等缺陷。

实施例3：

低碳钢与铸铁的异种金属激光搭接焊方法，包括如下步骤：

S1、准备母材：低碳钢1含碳量0.6wt％，低碳钢的厚度为8mm；铸铁2含碳量在4wt％，铸铁2的厚度为30mm；

S2、母材表面清理及装配：清理母材，去除表面的氧化物，即清理待焊接区域的油污、铁锈等，将经过表面清理的待焊接低碳钢1与铸铁2上下搭接装配，采用工装夹具固定，组成待焊件，低碳钢1与铸铁2搭接接头装配间隙4为0.5mm；

S3、焊接工艺：采用振镜激光焊接头，焊接过程中摆动和自熔焊接，激光从低碳钢侧入射，激光焊接将低碳钢全部熔透，并将铸铁侧表面部分熔融，使低碳钢与铸铁接触面自熔形成焊缝固定连接。主要焊接参数为：焊接激光功率为5000W；焊接速度为0.2m/min；离焦量：-3mm；摆动幅度为8mm，摆动频率500Hz；焊接保护气体为Ar，气体流量为20L/min。

优选地，摆动焊接摆动轨迹为直线型，或8字型曲线，或圆环形，或锯齿形。焊接采用摆动和自熔焊接，不填充焊接材料。激光焊接前不需要预热，焊接后无需热处理。

通过上述激光焊接方法，通过激光自熔焊接参数搭配，铸铁自熔形成的面积占焊缝总面积比例10％。焊缝成形优良，焊缝未发现裂纹、未熔合等缺陷。

综上，如图3及图4所示，由于采用激光自熔焊接，母材低碳钢1工件与铸铁2工件不需要预制塞焊孔，也不需要焊接材料，工序大大简化，成本也相应降低。为避免熔池在焊接过程中坍塌形成焊穿或凹度过大的焊缝，工件之间的装配间隙4需要尽可能的小，通常要求装配间隙不大于0.2mm，对于摆动激光焊，该间隙可以适当放宽。激光功率和焊接速度、离焦量等参数直接决定激光焊缝的熔深，对于搭接接头，直接决定底层工件的熔透深度，即决定最终形成的焊缝中底层工件金属形成焊缝的比例。因此，在低碳钢1工件与铸铁2工件形成的搭接焊缝金属3的过程中，需要通过匹配相关焊接参数，确保底层的铸铁2工件熔深在一定范围，既不会过大而导致焊缝熔入过多铸铁，而造成焊缝碳及杂质含量过高，导致焊缝开裂；同时，熔深也不能过小，以避免形成虚焊或熔合不良。即控制最终焊缝金属3中低碳钢侧焊缝金属面积A与铸铁侧焊缝金属面积B之间的比例在一定的范围。本发明中要求最终通过铸铁2自熔形成的焊缝面积B占总焊缝面积占比10～30％。

另一方面，本发明通过采用摆动激光焊头对待焊件进行焊接，增加焊缝宽度，改善焊缝成形系数(焊缝宽度与深度比例)，降低应力集中，进一步降低不利因素，避免焊缝开裂。因此，对于焊缝摆动幅度及频率参数控制也极为重要，对于焊缝宽度、焊缝外观均有影响。

本发明至少具有以下有益效果：

(1)采用摆动激光焊头，从低碳钢侧进行穿透焊接，并通过激光功率、速度匹配，控制铸铁侧金属熔深，使最终焊缝金属主要为低碳钢自熔形成，从而降低了焊缝金属中的碳、硫等杂质元素含量，提高焊缝抗裂性能。

(2)与传统低碳钢与铸铁异种金属搭接接头的激光焊相比，通过摆动焊接，焊缝宽度较传统激光焊接方法大大增加，不再受制于激光斑点大小，从而改善了焊缝成形系数，进一步降低了焊缝开裂倾向，成功解决了焊缝开裂问题；而且焊缝宽度增加，单位长度焊缝的承载能力增加。

(3)与传统MAG等弧焊相比，采用本发明的激光焊接方法为自熔焊接，不需要填充焊接材料，也不需要预先开坡口或孔，无预热及后热，成本更低；此外，由于激光焊接热影响小的特点，焊接接头变形小。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。