CN102728950B - 一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法，其先将金属薄板I和金属薄板II整体放置到惰性气体环境中并加热到金属薄板I和金属薄板II的动态应变时效温度，然后采用光纤激光对焊缝区域进行填充焊丝焊接，最后将焊接好的金属薄板置于液氮环境中并发射高能短脉冲激光对覆盖有铝箔的金属薄板进行双面激光冲击。本发明在动态应变时效温度下对金属薄板进行填充焊丝激光焊接，大幅提高金属焊接接头的焊缝质量，使焊缝区域和金属薄板结合紧密；在与工作环境相同的超低温下对焊接接头及金属板进行激光冲击强化处理，显著提高金属焊接构件超低温抗腐蚀能力和机械性能。
Description
技术领域
本发明属于激光加工领域，尤其涉及一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法。
背景技术
激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度焊接方法，它是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊缝。激光束经聚焦后，其功率密度可达106W/cm2，这比普通弧焊的要高数十倍甚至上百倍。与传统焊接方法相比，激光焊接具有深宽比大、热影响区小、焊缝结合强度高、焊缝窄、焊接变形小、对周围组织无影响、容易实现自动化及不产生X射线等特点，这些突出的优点使激光焊接成为未来最有前景的焊接方法之一。
随着世界各国对天然气的需求日益增长，输气管的建设项目越来越多。在液化天然气(LNG)设施的建造和安装工程中，不可避免的要涉及到大量的管道系统，特别是在超低温下服役的奥氏体不锈钢管道。这就要求奥氏体不锈钢及其焊缝在超低温环境下具有优良的机械性能和抗腐蚀能力，以保证在非常低的工作温度下能够有效防止恶性脆性断裂事故的发生。再者，无论是海上的LNG运输船，还是陆地上的LNG储罐，都要求罐体母材及焊缝的低温性能优良。LNG内罐焊接质量是整个低温储罐的关键，LNG内罐钢材直接与LNG液体接触，要求罐体母材及焊缝在-196oC低温下具有较高的强度指标、抗腐蚀性和抗裂纹能力等，极低的服役温度对于母材及焊缝的机械性能和抗腐蚀性能等提出了很高的要求。作为低成本的天然气储运方法，LNG工业正以迅猛的速度递增，对制造LNG的焊接技术及罐体材料强化技术提出了巨大需求。然而这些技术主要依赖于进口，这对LNG工业的发展已形成很大制约，同时对国家的能源安全保障也极为不利。寻求有效的LNG储罐焊接技术及母材强化技术，推动LNG设备的国产化进程是我国能源项目发展的迫切需要。因此，提出一种用于超低温的焊接金属薄板接头及后处理的方法对管道系统的焊接接头及LNG储罐焊接工艺研究具有重要意义。此外，碳钢作为LNG储运设备的主要结构材料将被大量使用，碳钢的焊接及强化作为应用的重要方面，应该受到极大的重视。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是：提供一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法，以增加焊缝区域的位错密度，提高超低温条件下焊接件的韧性、抗腐蚀性以及其他机械性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法，包括：
(1)提供金属薄板I和金属薄板II；
(2)用酒精或丙酮将金属薄板I和金属薄板II的待焊接部位清洗干净；
(3)把金属薄板I和金属薄板II装夹固定，金属薄板I和金属薄板II之间形成有焊缝区域；
(4)将金属薄板I和金属薄板II整体放置到惰性气体环境中并加热到金属薄板I和金属薄板II的动态应变时效温度；
(5)采用光纤激光对焊缝区域进行填充焊丝焊接；
(6)将焊缝区域磨平、抛光、清洗；
(7)在焊接好的金属薄板的上下表面覆盖铝箔作为激光冲击能量吸收层；
(8)将焊接好的金属薄板置于液氮环境中并发射高能短脉冲激光对覆盖有铝箔的金属薄板进行双面激光冲击。
作为本发明的进一步改进，所述金属薄板I和金属薄板II均为奥氏体不锈钢板。
作为本发明的进一步改进，所述焊缝区域的宽度为0.5-9mm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中，所述惰性气体为高纯氩气。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(5)中，所述光纤激光焊接的工艺参数为：光纤激光输出功率2～6KW，激光焊接速度0.2-0.9m/min，光斑直径0.5-3mm，送丝速度0.9-1.8m/min，送丝方向与所述金属薄板I或金属薄板II表面法线方向夹角为45°-60°。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(7)中的铝箔的厚度为0.1mm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(8)中，通过液位计测量控制位于所述焊接好的金属薄板上方的液氮的厚度为1～2mm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(8)中，位于所述焊接好的金属薄板下方的液氮的厚度为1～2mm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(8)中，激光冲击的工艺参数为：波长1064nm，脉宽10-30ns，脉冲能量1-15J，光斑直径0.5-15mm，搭接率50％，重复频率1-100HZ。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(8)中，所述液氮环境控制的温度为-196℃。
本发明的有益效果是：
(1)金属薄板整体位于动态应变时效温度再对金属薄板进行填充焊丝激光焊接，可以加快金属基体位错运动和焊丝金属元素的颗粒扩散，使得焊缝到金属基体的过渡区域加宽，结构和功能逐步过渡。
(2)焊接好的金属薄板位于液氮(-196℃)环境中再对焊缝区域及金属薄板整体进行激光冲击强化，使焊接接头及金属薄板的加工环境温度(-196℃)与工作环境(超低温)一致。
(3)本发明充分利用了温度效应，在动态应变时效温度下进行填充焊丝激光焊接，不锈钢焊接接头的焊缝质量和机械性能能够得到大幅度提升；在与工作环境相同的温度下对焊接好的金属薄板进行双面激光冲击能够有效去除由于焊接导致的残余拉应力以及细化焊缝区域的晶粒，从而显著提高不锈钢焊接构件的超低温抗腐蚀能力和机械性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中光纤激光焊接装置的结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例中高能短脉冲激光焊接装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法，包括：
(1)提供金属薄板I和金属薄板II；
(2)用酒精或丙酮将金属薄板I和金属薄板II的待焊接部位清洗干净；
(3)把金属薄板I和金属薄板II装夹固定，金属薄板I和金属薄板II之间形成有焊缝区域；
(4)将金属薄板I和金属薄板II整体放置到惰性气体环境中并加热到金属薄板I和金属薄板II的动态应变时效温度；
(5)采用光纤激光对焊缝区域进行填充焊丝焊接；
(6)将焊缝区域磨平、抛光、清洗；
(7)在焊接好的金属薄板的上下表面覆盖铝箔作为激光冲击能量吸收层；
(8)将焊接好的金属薄板置于液氮环境中并发射高能短脉冲激光对覆盖有铝箔的金属薄板进行双面激光冲击。
金属薄板整体位于动态应变时效温度再对金属薄板进行填充焊丝激光焊接，可以加快金属基体位错运动和焊丝金属元素的颗粒扩散，使得焊缝到金属基体的过渡区域加宽，结构和功能逐步过渡。
焊接好的金属薄板位于液氮(-196℃)环境中再对焊缝区域及金属薄板整体进行激光冲击强化，使焊接接头及金属薄板的加工环境温度(-196℃)与工作环境(超低温)一致。
本发明充分利用了温度效应，在动态应变时效温度下进行填充焊丝激光焊接，不锈钢焊接接头的焊缝质量和机械性能能够得到大幅度提升；在与工作环境相同的温度下对焊接好的金属薄板进行双面激光冲击能够有效去除由于焊接导致的残余拉应力以及细化焊缝区域的晶粒，从而显著提高不锈钢焊接构件的超低温抗腐蚀能力和机械性能。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1所示为本发明具体实施例中光纤激光装置的结构示意图。
参图1所示，光纤激光焊接装置包括依次相连的计算机控制装置1、光纤激光器2、密封绝热容器3、机械手4、柔性导光管5、焊接监测装置6、K9玻璃窗7、激光头8、活动盖9、连续激光束10、温度传感器11、送丝嘴12、压力传感器13、焊丝14、机械手15、气阀16、金属薄板I 17、金属薄板II 18、五轴工作台19以及加热板20。
采用上述光纤激光焊接装置进行焊接的方法包括：
(1)提供金属薄板I 17和金属薄板II 18；
(2)用酒精或丙酮将金属薄板I 17和II 18的待焊接部位清洗干净；
(3)把金属薄板I 17和金属薄板II 18装夹固定在五轴工作台19上，金属薄板I 17和金属薄板II 18之间的焊缝区域的间隙预留为0.5-9mm；
(4)将五轴工作台19放置到密封绝热容器3内、定位，然后通过机械手15控制送丝嘴12伸入到密封绝热容器3内并定位，再通过机械手4控制激光头8伸入到密封绝热容器3内并定位，关闭密封绝热容器3的活动盖9，然后通过气阀16先把密封绝热容器3抽成真空状态，再通过气阀16将高纯氩气通入密封绝热容器3，通过压力传感器13的示数来控制通入密封绝热容器3中的高纯氩气的量。预热金属薄板I 17和II 18基体，根据温度传感器11所示温度，利用密封绝热容器3底部的加热板20将金属薄板I 17和金属薄板II 18加热到金属基体的动态应变时效温度。
(5)根据焊接要求，确定连续激光束10输出功率2～6KW，激光焊接速度0.2-0.9m/min，光斑直径0.5-3mm，送丝速度0.9-1.8m/min，并输入计算机控制装置1。计算机控制装置1先控制送丝方向与所述金属薄板I或金属薄板II表面法线方向夹角为45°-60°，再通过控制机械手4运动来控制激光头8使连续激光束10入射方向与工件表面垂直并使焊丝14前端位于连续激光束10焦点处。光纤激光器2发出光斑直径为0.5-3mm、功率为2～6KW的连续激光束10，计算机控制装置1控制激光头8来调节连续激光束10的光斑模式；由光纤激光器2发出的连续激光束10由柔性导光管5传导通过激光头8，然后通过激光头8调节聚焦后继续辐照在焊丝14上使焊丝14熔化对金属薄板I 17和金属薄板II 18间焊缝区域进行填充。计算机控制装置1控制光纤激光器2发射连续激光束10及停止发射，同时根据填丝激光焊接的工艺参数控制五轴工作台19的移动，控制金属薄板I 17和金属薄板II 18焊接区域和连续激光束10的相对位置。焊接监测装置6透过K9玻璃窗7监测连续激光束10与工件表面角度、焊丝14的送丝方向与工件表面法线夹角、连续激光束10焦点与焊丝14前端的相对位置、激光头8与工件表面距离，监测数据返回计算机控制装置1作为用来控制五轴工作台19移动、光纤激光器2工艺参数、机械手4运动、机械手15运动、激光头8工作参数的依据。计算机控制装置1控制五轴工作台19移动直到焊接完成。
图2所示为本发明具体实施例中高能短脉冲激光焊接装置的结构示意图。
参图2所示，高能短脉冲激光焊接装置包括依次相连的计算机控制装置21，纳秒激光发生器22、夹具23、密封绝热容器24、液位计25、激光冲击监测装置26、脉冲激光束27、45°半透镜28、脉冲激光束29、脉冲激光束30、上透视窗31、夹具32、加液阀33、45°全反镜34、底座35、下透视窗36、排液阀37、三轴工作台38、45°全反镜39、45°全反镜40、铝箔41、焊接好的金属薄板42(上述步骤(5)中焊接完成的金属薄板I和金属薄板II)以及液氮膜43。
利用上述高能短脉冲激光焊接装置对焊接好的金属薄板42进行处理的方法包括：
(1)将焊接好的金属薄板42焊缝区域磨平、抛光、清洗、干燥；
(2)然后在焊接好的金属薄板42的上下两面覆盖铝箔41作为激光冲击的能量吸收层；
(3)打开上透视窗31用夹具32将焊接好的金属薄板42固定在密封绝热容器24底部，再通过夹具23将密封绝热容器24固定在三轴工作台38上。通过计算机控制装置21控制夹具32与夹具32下部的底座35联动调节底座35上升和下降使焊接好的金属薄板42下表面与密封绝热容器24底部的间隙为1-2mm，以此来控制进行激光冲击时焊接好的金属薄板42下表面的液氮约束层的厚度为1-2mm。关闭密封绝热容器24的上透视窗31并密封，向密封绝热容器24注入液氮，利用液位计25监测焊接好的金属薄板42上方液氮膜43的厚度，通过加液阀门33和排液阀门37来控制焊接好的金属薄板42上方液氮膜43的厚度为1-2mm，监测数据返回计算机控制装置21，同时液氮将充满焊接好的金属薄板42下表面与密封绝热容器24底部的1-2mm间隙。根据焊接好的金属薄板42表面激光冲击区域要求，通过计算机控制装置21编程生成激光冲击轨迹，确定脉冲激光束27光斑直径、脉冲能量等工艺参数。由纳秒激光发生器22发出波长为1064nm、脉宽为10-30ns、脉冲能量为1-15J、光斑直径为0.5-15mm、重复频率1-100HZ的脉冲激光束27，脉冲激光束27由45°半透镜28分成竖直的激光束30和水平的激光束29，激光束30穿过密封绝热容器24上方的上透视璃窗31并继续穿透焊接好的金属薄板42上方的液氮膜43辐照到覆盖于焊接好的金属薄板42表面的铝箔；同时，脉冲激光束29先经45°全反镜34反射到45°全反镜40，然后经45°全反镜40反射到45°全反镜39，最后经45°全反镜39反射穿过密封绝热容器23下部的下透视窗41并继续穿透焊接好的金属薄板42下方的液氮约束层辐照到覆盖于焊接好的金属薄板42表面的铝箔41，焊接好的金属薄板42上下表面的铝箔同时吸收激光束27的能量汽化电离形成冲击波，在上下表面液氮约束层的约束下，冲击波有效去除由于焊接导致的残余拉应力以及细化焊缝区域的晶粒，完成激光冲击。计算机控制装置21控制纳秒激光发生器22发射脉冲激光束27及停止发射，同时根据激光冲击的工艺参数控制三轴工作台38的移动，控制焊接好的金属薄板42表面加工点和脉冲激光束29/30的相对位置。激光冲击监测装置26用来监测焊接好的金属薄板42上方液氮膜43的厚度以及监测脉冲激光束29、脉冲激光束30和覆于焊接好的金属薄板42上下表面的铝箔的夹角，监测数据返回计算机控制装置21，作为用来控制三轴工作台38和调节纳秒激光发生器22的工艺参数的依据。计算机控制装置21控制三轴工作台38控制密封绝热容器24控制焊接好的金属薄板42移动，按区域分片激光冲击，直到整个焊接好的金属薄板42表面加工完成。
综上所述，本发明的有益效果是：
(1)金属薄板整体位于动态应变时效温度再对金属薄板进行填充焊丝激光焊接，可以加快金属基体位错运动和焊丝金属元素的颗粒扩散，使得焊缝到金属基体的过渡区域加宽，结构和功能逐步过渡。
(2)焊接好的金属薄板位于液氮(-196℃)环境中再对焊缝区域及金属薄板整体进行激光冲击强化，使焊接接头及金属薄板的加工环境温度(-196℃)与工作环境(超低温)一致。
(3)本发明充分利用了温度效应，在动态应变时效温度下进行填充焊丝激光焊接，不锈钢焊接接头的焊缝质量和机械性能能够得到大幅度提升；在与工作环境相同的温度下对焊接好的金属薄板进行双面激光冲击能够有效去除由于焊接导致的残余拉应力以及细化焊缝区域的晶粒，从而显著提高不锈钢焊接构件的超低温抗腐蚀能力和机械性能。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，包括：
(1)提供金属薄板I和金属薄板II；
(2)用酒精或丙酮将金属薄板I和金属薄板II的待焊接部位清洗干净；
(3)把金属薄板I和金属薄板II装夹固定，金属薄板I和金属薄板II之间形成有焊缝区域；
(4)将金属薄板I和金属薄板II整体放置到惰性气体环境中并加热到金属薄板I和金属薄板II的动态应变时效温度；
(5)采用光纤激光对焊缝区域进行填充焊丝焊接；
(6)将焊缝区域磨平、抛光、清洗；
(7)在焊接好的金属薄板的上下表面覆盖铝箔作为激光冲击能量吸收层；
(8)将焊接好的金属薄板置于液氮环境中并发射高能短脉冲激光对覆盖有铝箔的金属薄板进行双面激光冲击。
2.根据权利要求1所述的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，所述金属薄板I和金属薄板II均为奥氏体不锈钢板。
3.根据权利要求1所述的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，所述焊缝区域的宽度为0.5-9mm。
4.根据权利要求1所述的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述惰性气体为高纯氩气。
5.根据权利要求1所述的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述光纤激光焊接的工艺参数为：光纤激光输出功率2～6KW，激光焊接速度0.2-0.9m/min，光斑直径0.5-3mm，送丝速度0.9-1.8m/min，送丝方向与所述金属薄板I或金属薄板II表面法线方向夹角为45°-60°。
6.根据权利要求1所述的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，所述步骤(7)中的铝箔的厚度为0.1mm。
7.根据权利要求1所述的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，所述步骤(8)中，通过液位计测量控制位于所述焊接好的金属薄板上方的液氮的厚度为1～2mm。
8.根据权利要求1或7所述的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，所述步骤(8)中，位于所述焊接好的金属薄板下方的液氮的厚度为1～2mm。
9.根据权利要求1所述的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，所述步骤(8)中，激光冲击的工艺参数为：波长1064nm，脉宽10-30ns，脉冲能量1-15J，光斑直径0.5-15mm，搭接率50％，重复频率1-100HZ。
10.根据权利要求1所述的金属薄板的激光焊接方法，其特征在于，所述步骤(8)中，所述液氮环境控制的温度为-196℃。
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