CN102632339A - 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：
乙醇：C2H6O 1000ml±10ml
氩气：Ar 10000cm3±100cm3
砂纸：300mm×200mm×1mm，400目2张
研磨膏：Φ50mm×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)中温回火
将焊接清理后的薄不锈钢复合板置于中温回火炉中，进行回火处理，回火温度150℃±2℃，回火时间60min±5min；
(9)表面清理
对中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、显微硬度及化学物理性能进行检测、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、毫米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：
乙醇：C2H6O 1000ml±10ml
氩气：Ar 10000cm3±100cm3
砂纸：300mm×200mm×1mm，400目2张
研磨膏：Φ50mm×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
⑤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；
⑥被焊接薄不锈钢复合板为两块，尺寸、规格一样，呈矩形板状；
⑦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；
⑧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)中温回火
将焊接清理后的薄不锈钢复合板置于中温回火炉中，进行回火处理，回火温度150℃±2℃，回火时间60min±5min；
(9)表面清理
对中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、显微硬度及化学物理性能进行检测、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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