CN102632339B - 一种薄不锈钢复合板的激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄不锈钢复合板的激光焊接方法,是针对薄不锈钢复合板的结构特征,碳素钢外包覆不锈钢板,薄且面积大,具有弹性,给双面焊接造成了很大困难,采用激光焊接法,先对薄不锈钢板进行预处理,平整安装,配制焊粉,氩气保护,用计算机程序控制焊粉给量及激光束强度,使薄不锈钢复合板的焊接成为可能,此焊接方法工艺先进,数据翔实准确,安全稳定可靠,焊接质量高,腐蚀性能好,焊接强度高,焊缝的平均抗拉强度达450.9MPa,为母材的98.2%,填补了薄不锈钢复合板的焊接空白,是十分理想的薄不锈钢复合板的激光焊接方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄不锈钢复合板的激光焊接方法,属金属材料板材焊接及应用的技术领域。
背景技术
不锈钢板由于具有强度好、硬度高、耐腐蚀、表面光洁等特点,具有广泛的用途,常在石油、化工、轻工、电力及锅炉耐压容器中应用;但由于不锈钢价格较贵,常在普通碳素钢板上外包覆一层薄不锈钢板,覆层不锈钢材料用以阻止介质的腐蚀,基体碳钢材料承受载荷,其价格为普通不锈钢的1/2左右;将这些不锈钢复合板做成容器、管材等产品,必然要使用焊接技术。
对于包覆层厚度0.8mm的不锈钢复合板的焊接工艺已经成熟,然而对于包覆层厚度<0.8mm,特别是≤0.5mm的薄不锈钢复合板的焊接仍然存在较大问题,一是不锈钢与碳素钢在晶体学特征、热膨胀性、导热性、力学性能方面存在较大差异,所以不锈钢复合板焊接要比同种钢困难;二是薄层不锈钢复合板的焊接工艺较难控制,尤其是双面薄不锈钢复合板,由于包覆层厚度较薄,不能分基层、过渡层和包覆层分别焊接;三是因为基层碳素钢非常容易稀释包覆层不锈钢焊缝区,使焊缝区Cr、Ni含量降低,造成焊缝区的耐腐蚀性能严重下降,从而制约了薄不锈钢复合板的广泛应用。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对薄层不锈钢复合板难以对接焊接问题,采用激光焊接法,使用铬镍合金粉,在激光焊接机上进行焊接,经打磨、退火处理,即成为焊接成品,以使薄层不锈钢复合板焊接成为可能,以大幅度提高薄不锈钢复合板的耐腐蚀性能和焊接质量。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为:薄不锈钢复合板、铬镍合金粉、乙醇、氩气、砂纸、研磨膏,其组合准备用量如下:以毫米、克、毫升、厘米3为计量单位
薄不锈钢复合板:200mm×80mm×1mm 2块
中间碳素钢板厚度0.8mm
包覆层不锈钢板单面厚度0.1mm
铬镍合金粉: 500g±10g
成分组成:铬 Cr 36-37%
乙醇:C2H6O 1000ml±10ml
氩气:Ar 10000cm3±100cm3
砂纸:300mm×200mm×1mm,400目 2张
研磨膏:Ф50mm×100mm,800目 1块
激光焊接方法如下:
(1)精选化学物质材料
对激光焊接使用的化学物质材料要进行精选,并进行质量纯度控制:
薄不锈钢复合板:固态板形
铬镍合金粉:固态粉体
乙醇:液态液体 99.99%
氩气:气态气体 99.99%
砂纸:固态纸状
研磨膏:固态固体
(2)Cr、Ni粉末配制计算
利用杠杆定律,填充材料在舍弗勒图中位置,得出铬当量Creq和镍当量Nieq分别为36-37%和16-17%;
(3)预处理薄不锈钢复合板
①薄不锈钢复合板厚度为1mm,中间碳素钢板厚度为0.8mm,单面不锈钢包覆层厚度为0.1mm;
②被焊接薄不锈钢复合板为两块,尺寸、规格一样,呈矩形板状;
③将被焊接薄不锈钢复合板用夹具分别固定,确定被焊接部位,两块板之间留有间隙0.1-0.2mm;
④被焊接板材固定后,用乙醇清洗被焊表面污渍,然后晾干;
(4)预处理铬镍合金粉
①将铬镍合金粉置于球磨机中,进行球磨,转速200r/min,球磨300min后用300目筛网过筛,反复进行,细粉颗粒直径≤0.05mm;
②将研磨后的铬镍合金粉置于干燥箱内干燥,干燥温度110℃±2℃,干燥时间240min±5min;
(5)激光焊接薄不锈钢复合板
薄不锈钢复合板的焊接是在激光焊接机上进行的,是在激光束照射、送粉器送粉、氩气保护下完成的,激光束照射输出功率、送粉量、焊接速度均是由计算机程序控制完成的;
①将工作平板置于激光焊接机的工作台上并固定;将被焊接的薄不锈钢复合板分左右对称安装在工作平板上,正面向上,两被焊接的薄不锈钢复合板平行对齐,平行度≤20μm,中间间隙为0.1-0.2mm,然后用夹具螺栓固定;
②将盛有焊粉的送粉器的送粉头对准被焊接部位;
③将氩气管对准被焊接部位;
④将激光器的激光束垂直对准被焊接部位;
⑤开启送粉器调控器,向被焊接部位输送焊粉,送粉量由激光焊接机的送粉调控器程序控制,送粉速率为25-30g/min;
⑥开启氩气阀,向被焊接部位输送氩气,氩气输送速度为600cm3/min;
⑦开启激光器,激光束对准被焊接部位进行激光焊接,激光束光斑直径0.1mm、离焦量+1mm、脉冲频率30Hz、电压80V,焊接速度5mm/s;
⑧焊接结束后,关闭激光器、送粉器、氩气阀,使其自然冷却至25℃;
⑨将被焊接薄不锈钢复合板拆下,重新安装不锈钢复合板,反面向上,用同一工艺流程焊接反面;
⑩焊接完成后,关闭激光器、送粉器、氩气阀,使其自然冷却至25℃,然后拆下薄不锈钢复合板;
(6)清理薄不锈钢复合板焊缝表面
将焊接后的薄不锈钢复合板置于平板上,用400目砂纸打磨焊接表面,消除焊瘤,使其平整;
(7)清洗
将焊接并清理的薄不锈钢复合板用乙醇擦洗,使其洁净;
(8)低温回火
将焊接清理后的薄不锈钢复合板置于低温回火炉中,进行回火处理,回火温度150℃±2℃,回火时间60min±5min;
(9)表面清理
对低温回火后的薄不锈钢复合板用400目砂纸打磨,然后用800目研磨膏研磨,使表面光洁;
(10)清洗
将打磨、研磨后的不锈钢复合板用乙醇擦洗,使其洁净;
(11)检测、分析、表征
对激光焊接后的薄不锈钢复合板的金相组织、耐腐蚀性能、抗拉强度、延伸率、显微硬度进行检测、分析、表征;
用光学显微镜对焊缝的微观组织进行观察分析;
用硫酸-硫酸铜溶液对焊缝进行晶间腐蚀试验;
用电化学腐蚀设备对焊缝的耐腐蚀性能进行测试分析;
用显微硬度仪对焊缝的硬度进行测试分析;
用拉伸试验机对焊缝的抗拉强度进行测试;
结论:薄不锈钢复合板激光焊接后焊缝平整、牢固,接近母材的耐腐蚀性,抗拉强度为450.9MPa,为母材的98.2%。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性,是针对薄不锈钢复合板的结构特征,包覆面为不锈钢板,中间为碳素钢板,二者物理化学性能及力学性能相差较大,薄且面积大,给焊接造成了很大困难,采用激光焊接,先对薄不锈钢复合板进行预处理,精确安装,配制焊粉,氩气保护,用计算机程序控制激光束焊接参数及轨迹,并用计算机程序控制焊粉送给量,使薄不锈钢复合板的焊接成为可能,此对接焊接方法工艺先进,安全稳定可靠,焊接质量高,接近母材的耐蚀性能,焊缝强度高,焊缝的抗拉强度为450.9MPa为母材的98.2%,填补了薄不锈钢复合板的对接焊接空白,是十分理想的薄不锈钢复合板的激光焊接方法。
附图说明
图1为薄不锈钢复合板激光对接焊接状态图
图2为薄不锈钢复合板结构图
图3为单面焊接熔池横截面图
图4为试板对接焊接示意图
图5为焊缝舍弗勒图
图6为薄不锈钢复合板激光对接焊缝横切面金相组织图
图7为薄不锈钢复合板激光对接焊缝的晶间腐蚀形貌图
图8为薄不锈钢复合板激光对接接头晶间腐蚀后弯曲形貌图
图9为薄不锈钢复合板母材和激光对接焊缝电化学腐蚀极化曲线图
图10为薄不锈钢复合板母材与激光对接焊接试件拉伸曲线对比图
图11为薄不锈钢复合板激光对接接头横断面显微硬度分布曲线图
图中所示,附图标记清单如下:
1、激光焊接机,2、显示屏,3、指示灯,4、送粉器调控器,5、激光束调控器,6、电源开关,7、工作台,8、工作平板,9、左固定板,10、右固定板,11、左固定螺栓,12、右固定螺栓,13、送粉器,14、送粉盒,15、支架,16、氩气管,17、氩气阀,18、氩气瓶,19、激光器,20、激光束,21、左薄不锈钢复合板,22、右薄不锈钢复合板,23、送粉管。
具体实施方式:
以下结合附图对本发明做进一步说明:
图1所示,为薄不锈钢复合板激光对接焊接状态图,各部位置、联接关系要正确,按量输送焊粉、通氩气,按序操作。
焊接使用的化学物质材料的量值,是按预先设置的范围确定的,以毫米、克、毫升、厘米3为计量单位。
薄不锈钢复合板的对接焊接是在激光焊接机上进行的,是在激光束照射、送粉器送粉、氩气保护下完成的,激光束照射功率、送粉速率、焊接速度均是由计算机程序控制完成的;激光焊接机1为卧式,在激光焊接机1的上部为工作台7,在工作台7上部为工作平板8,在工作平板8上部分左右对称安装薄不锈钢复合板21、22,薄不锈钢复合板21、22之间留有缝隙0.1-0.2mm,并分别由左固定螺栓11、右固定螺栓12固定;在激光焊接机1的右部设有送粉器13及送粉盒14,并联接送粉管23,送粉管23的出粉口对准两被焊接薄不锈钢复合板21、22的焊缝;在激光焊接机1的左上部设有氩气管16,氩气管16联接氩气阀17及氩气瓶18,氩气管16的出气口对准两被焊接薄不锈钢复合板21、22的焊缝;在激光焊接机1的中间上部设有激光器19,并由支架15固定,激光器19的激光束20对准两被焊接薄不锈钢复合板的焊缝处;激光焊接机的正面设有显示屏2、指示灯3、电源开关6、激光束调控器5。
对于0.1mm+0.8mm+0.1mm的双面薄不锈钢复合板,利用Cr、Ni粉体材料做填加材料,依据熔池大小,调节Cr、Ni粉末含量,使焊缝金属Cr、Ni含量与覆层不锈钢中的Cr、Ni含量一致,可达到同等的抗腐蚀性能。
对于0.1mm+0.8mm+0.1mm的双面薄不锈钢复合板,依据激光单面焊熔池横断面形状,设计对接部位,间隙0.1-0.2mm;间隙内应填充的金属面积为0.5×0.2mm2,覆层不锈钢熔化面积为0.065mm2,基层碳钢熔化面积为0.100mm2;利用杠杆定律,填充材料在舍弗勒图中的位置,得出Creq和Nieq分别为36-37%和16-17%,考虑到粉末密实度,焊接时粉末高出0.2mm、宽1.5mm,宽度直接由激光光斑控制。
图2所示,为薄不锈钢复合板结构图,图中可知,中间为碳素钢板,厚度为0.8mm,两面由不锈钢板包覆,单面厚度为0.1mm,整体厚度为1.0mm。
图3所示,为单面焊接熔池横截面图,根据激光单面焊接熔池横断面形状计算填充材料。
图4所示,为试板对接焊接示意图,为了方便计算,设置焊缝截面为双梯形,间隙内应填充的金属面积为0.5×0.2mm2,覆层不锈钢熔化面积为0.065mm2,基层碳钢熔化面积为0.100mm2。
图5所示,为焊缝舍弗勒图,利用杠杆定律,可以推算出填充材料在舍弗勒图中位置,即得出了Creq和Nieq分别为36-37%和16-17%,即Ⅳ点。
图6所示,为薄不锈钢复合板激光对接焊缝的横切面金相组织图,图中可知,焊缝均匀,边缘清晰,达到了冶金结合,与被焊薄不锈钢复合板熔为一体,焊缝成型良好,无气孔、裂纹缺陷。
图7所示,为薄不锈钢复合板激光对接焊缝的晶间腐蚀形貌图,晶间腐蚀后的焊缝表面与腐蚀前没有明显变化,仍然光亮如新。
图8所示,为薄不锈钢复合板激光对接接头晶间腐蚀后弯曲形貌图,对双面薄不锈钢复合板焊后试板全厚度进行180°弯曲试验,以检验焊缝的耐晶间腐蚀性能,由图可知,该弯曲试样无裂纹,说明晶间腐蚀合格。
图9所示,为薄不锈钢复合板母材与激光对接焊缝电化学腐蚀极化曲线图,测试结果表明:试样在3.5wt%NaCl溶液腐蚀后,焊缝表面没有明显变化,利用塔菲尔极化曲线外推法可以得出,母材和焊缝的自腐蚀电位Ecorr分别为-0.322V和-0.319V,自腐蚀电流icorr分别为7.779×10-7A·cm-2和7.962×10-7A·cm-2,根据试样腐蚀前后的质量差可算出腐蚀速率分别为1.44×10-4g·mm-2·h-1和1.45×10-4g·mm-2·h-1,说明焊缝与母材的耐腐蚀性能接近。
图10所示,为薄不锈钢复合板母材与激光对接焊接试件拉伸曲线对比图,经测量,母材的平均抗拉强度为459.2MPa,平均延伸率为47.6%,焊缝的平均抗拉强度为450.9MPa,平均延伸率为19.4%。
图11所示,为薄不锈钢复合板激光对接焊接接头横断面显微硬度分布曲线图,分别沿着a、b、c三线进行测量,取平均值进行分析,经测量可知,母材包覆层组织的平均硬度为236.2HV0.1,母材基层组织的平均硬度为200.2HV0.1,焊缝组织的平均硬度为325.8HV0.1,明显高于母材。
Claims (2)
1.一种薄不锈钢复合板的激光焊接方法,其特征在于:使用的化学物质材料为:薄不锈钢复合板、铬镍合金粉、乙醇、氩气、砂纸、研磨膏,其组合用量如下:以毫米、克、毫升、厘米3为计量单位
薄不锈钢复合板:200mm×80mm×1mm 2块
中间碳素钢板厚度0.8mm
包覆层不锈钢板单面厚度0.1mm
铬镍合金粉: 500g±10g
成分组成:铬 Cr 36-37%
乙醇:C2H6O 1000ml±10ml
氩气:Ar 10000cm3±100cm3
砂纸:300mm×200mm×1mm,400目 2张
研磨膏:Ф50mm×100mm,800目 1块
激光焊接方法如下:
(1)精选化学物质材料
对激光焊接使用的化学物质材料要进行精选,并进行质量纯度控制:
薄不锈钢复合板:固态板形
铬镍合金粉:固态粉体
乙醇:液态液体 99.99%
氩气:气态气体 99.99%
砂纸:固态纸状
研磨膏:固态固体
(2)Cr、Ni粉末配制计算
利用杠杆定律,填充材料在舍弗勒图中位置,得出铬当量Creq和镍当量Nieq分别为36-37%和16-17%;
(3)预处理薄不锈钢复合板
①薄不锈钢复合板厚度为1mm,中间碳素钢板厚度为0.8mm,单面不锈钢包覆层厚度为0.1mm;
②被焊接薄不锈钢复合板为两块,尺寸、规格一样,呈矩形板状;
③将被焊接薄不锈钢复合板用夹具分别固定,确定被焊接部位,两块板之间留有间隙0.1-0.2mm;
④被焊接板材固定后,用乙醇清洗被焊表面污渍,然后晾干;
(4)预处理铬镍合金粉
①将铬镍合金粉置于球磨机中,进行球磨,转速200r/min,球磨300min后用300目筛网过筛,反复进行,细粉颗粒直径≤0.05mm;
②将研磨后的铬镍合金粉置于干燥箱内干燥,干燥温度110℃±2℃,干燥时间240min±5min;
(5)激光焊接薄不锈钢复合板
薄不锈钢复合板的焊接是在激光焊接机上进行的,是在激光束照射、送粉器送粉、氩气保护下完成的,激光束照射输出功率、送粉量、焊接速度均是由计算机程序控制完成的;
①将工作平板置于激光焊接机的工作台上并固定;将被焊接的薄不锈钢复合板分左右对称安装在工作平板上,正面向上,两被焊接的薄不锈钢复合板平行对齐,平行度≤20μm,中间间隙为0.1-0.2mm,然后用夹具螺栓固定;
②将盛有焊粉的送粉器的送粉头对准被焊接部位;
③将氩气管对准被焊接部位;
④将激光器的激光束垂直对准被焊接部位;
⑤开启送粉器调控器,向被焊接部位输送焊粉,送粉量由激光焊接机的送粉调控器程序控制,送粉速率为25-30g/min;
⑥开启氩气阀,向被焊接部位输送氩气,氩气输送速度为600cm3/min;
⑦开启激光器,激光束对准被焊接部位进行激光焊接,激光束光斑直径0.1mm、离焦量+1mm、脉冲频率30Hz、电压80V,焊接速度5mm/s;
⑧焊接结束后,关闭激光器、送粉器、氩气阀,使其自然冷却至25℃;
⑨将被焊接薄不锈钢复合板拆下,重新安装不锈钢复合板,反面向上,用同一工艺流程焊接反面;
⑩焊接完成后,关闭激光器、送粉器、氩气阀,使其自然冷却至25℃,然后拆下薄不锈钢复合板;
(6)清理薄不锈钢复合板焊缝表面
将焊接后的薄不锈钢复合板置于平板上,用400目砂纸打磨焊接表面,消除焊瘤,使其平整;
(7)清洗
将焊接并清理的薄不锈钢复合板用乙醇擦洗,使其洁净;
(8)低温回火
将焊接清理后的薄不锈钢复合板置于低温回火炉中,进行回火处理,回火温度150℃±2℃,回火时间60min±5min;
(9)表面清理
对低温回火后的薄不锈钢复合板用400目砂纸打磨,然后用800目研磨膏研磨,使表面光洁;
(10)清洗
将打磨、研磨后的不锈钢复合板用乙醇擦洗,使其洁净;
(11)检测、分析、表征
对激光焊接后的薄不锈钢复合板的金相组织、耐腐蚀性能、抗拉强度、延伸率、显微硬度进行检测、分析、表征;
用光学显微镜对焊缝的微观组织进行观察分析;
用硫酸-硫酸铜溶液对焊缝进行晶间腐蚀试验;
用电化学腐蚀设备对焊缝的耐腐蚀性能进行测试分析;
用显微硬度仪对焊缝的硬度进行测试分析;
用拉伸试验机对焊缝的抗拉强度进行测试;
结论:薄不锈钢复合板激光焊接后焊缝平整、牢固,接近母材的耐腐蚀性,抗拉强度为450.9MPa,为母材的98.2%。
2.根据权利要求1所述属的一种薄不锈钢复合板的激光焊接方法,其特征在于:薄不锈钢复合板的对接焊接是在激光焊接机上进行的,是在激光束照射、送粉器送粉、氩气保护下完成的,激光束照射功率、送粉量控制、焊接速度均是由计算机程序控制完成的;激光焊接机(1)为卧式,在激光焊接机(1)的上部为工作台(7),在工作台(7)上为工作平板(8),在工作平板(8)上部分左右对称安装薄不锈钢复合板(21)、(22),薄不锈钢复合板(21)、(22)之间留存缝隙0.1-0.2mm,并分别由左固定螺栓(11)、右固定螺栓(12)固定;在激光焊接机(1)的右部设有送粉器(13)及送粉盒(14),并联接送粉管(23),送粉管(23)的出粉口对准两被焊接薄不锈钢复合板(21)、(22)的焊缝;在激光焊接机(1)的左上部设有氩气管(16),氩气管(16)联接氩气阀(17)及氩气瓶(18),氩气管(16)的出气口对准两被焊薄接不锈钢复合板的焊缝;在激光焊接机(1)的中间上部设有激光器(19),并由支架(15)固定,激光器(19)的激光束(20)对准两被焊接薄不锈钢复合板的焊缝处;激光焊接机的正面设有显示屏(2)、指示灯(3)、电源开关(6)、激光束调控器(5)。
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