CN102732707B - 一种超低温环境下激光冲击强化焊接件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低温环境下激光冲击强化焊接件的方法和装置，在超低温环境下进行激光冲击强化焊接件提高焊接件的机械性能和抗腐蚀能力。本发明将焊接件放置在液氮超低温环境中，无色透明的液氮作为低温辅助环境，同时作为激光冲击强化过程中的约束层，一方面简化了在超低温下激光冲击强化的装置；另一方面在超低温环境下激光冲击强化焊接件，并在相同的温度环境下服役，保证了焊接件加工环境和服役环境的一致性，从而提高了超低温环境下焊接件的韧性、抗腐蚀性能等其他机械性能。

Description

一种超低温环境下激光冲击强化焊接件的方法和装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，尤其涉及一种超低温环境下激光冲击强化焊接件的方法和装置。

背景技术

随着液化天然气(LNG)的推广应用，对建造新LNG设施的需求也在不断增加。其中，撬装式LNG加气站因其占地少、投资小、建站快和易整体搬迁等优势而倍受关注。在撬装式LNG加气站关键技术组成部分中，受储罐、低温泵和输送管道等处超低温环境下焊接工艺关键技术制约，导致了LNG加气站存在无损储存时间短等不足。而且在非常低的工作温度下，焊接件容易发生恶性脆性断裂事故。因此，有必要提高焊接件在超低温环境下服役时间。

解决上述超低温下焊接件服役时间短的问题，可以从两个方面综合考虑：一方面要提高焊接件的机械性能，如韧性、抗腐蚀性等；另一方面也要考虑实验室进行超低温试验装置的简易性和可行性。激光技术如今被人们所认可并且大规模的开发利用，出现了激光冲击强化、激光熔覆、激光雕刻和激光切割等一些先进的特种加工技术。将激光冲击强化技术运用到改善焊接件在超低温环境下的服役状况，是值得考虑和研究的工作。

中国专利申请第200480012167.4号公开了一种焊接物的受控热膨胀以提高韧性，其通过控制焊接物覆层在冷却过程中的热收缩来提高焊接物类覆层的韧性，提出用金属覆层应用到衬底上，由于金属合金覆层和衬底之间的界面上，衬底金属至少部分熔融，并与该合金结合形成冶金结合，当该金属合金冷却时，则会经历相对热收缩程度，在衬底和合金之间的冶金结合限制了合金在与衬底界面处的收缩，从而在金属合金覆层中引入压应力，阻止裂纹在覆层中的形成。该方法对焊接工艺要求比较严格，没有涉及对超低温环境下已焊接的焊接件进行优化的方法。

有鉴于此，有必要提供一种新的超低温环境下激光冲击强化焊接件方法和装置。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是：提供一种新的超低温环境下激光冲击强化焊接件的方法和装置。以增加焊接件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：

一种超低温环境下激光冲击强化焊接件的方法，包括：

（1）提供一焊接件，该焊接件具有焊缝区域；

（2）将所述焊接件浸入液氮中，对所述焊缝区域进行激光冲击强化处理。

相应地，本发明还公开了一种激光焊接装置，包括：

超低温控制装置，包括液氮收容槽，该液氮收容槽中收容有液氮，所述焊接件浸没于所述液氮中；

激光强化装置，发射激光束，并对所述焊缝区域进行激光冲击强化处理。

作为本发明的进一步改进，所述激光焊接装置还包括：

设于所述液氮收容槽内的工作台系统，该工作台系统包括五轴联动工作台和夹具，所述焊接件承载于所述五轴联动工作台的上表面并被所述夹具固持；

计算机控制系统，控制激光强化装置发射激光束并控制所述工作台系统的移动。

作为本发明的进一步改进，所述激光焊接装置还包括监控探头，该监控探头滑动设于所述液氮收容槽内，所述计算机控制系统控制所述监控探头的移动。

作为本发明的进一步改进，所述液氮收容槽为双层真空隔离设计，包括不锈钢外层和不锈钢内层，所述不锈钢外层和不锈钢内层之间形成有真空腔，所述不锈钢内层的顶端密封有环氧板。

作为本发明的进一步改进，所述超低温控制装置还包括一杜瓦液氮储存容器，所述杜瓦液氮储存容器通过输送管道将液氮提供至所述液氮收容槽内。

作为本发明的进一步改进，所述激光强化装置包括纳秒激光器、准直镜以及连接在所述纳秒激光器和所述准直镜之间的光纤，所述准直镜位于液氮收容槽内且位于所述焊接件的上方。

作为本发明的进一步改进，所述焊接件的上表面设有吸收层，所述吸收层为铝箔。

作为本发明的进一步改进，所述吸收层与所述液氮上表面之间的距离为1～2mm。

本发明的有益效果：

(1)利用超低温环境下的焊接件的激光冲击强化，能够明显增加焊接件焊缝区域的位错密度，提高焊接件焊缝区域的韧性、硬度和抗腐蚀能力。

(2)液氮作为超低温激光冲击的辅助环境和激光冲击强化时的约束层，具有双重作用，巧妙地构建了超低温激光冲击强化焊接件的装置；

(3)在与焊接件相同的工作条件的超低温环境下采用纳秒激光束冲击强化焊接件的焊接件焊缝区域，实现加工环境和服役环境的一致性，最大限度地提高焊接件在超低温环境下的使用寿命。

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激光焊接装置的结构示意图；

图2所示为图1中超低温控制装置结构的放大示意图；

图3所示为图1中工作台系统结构的放大示意图；

图4为常温环境下激光冲击强化获得的奥氏体AISI304不锈钢堆垛层错TEM照片；

图5为超低温环境下激光冲击强化获得的奥氏体AISI304不锈钢堆垛层错的TEM照片；

图6为常温和超低温环境下奥氏体AISI304不锈钢激光冲击强化后获得的XRD曲线图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种超低温环境下激光冲击强化焊接件的方法，包括：

（1）提供一焊接件，该焊接件具有焊缝区域；

（2）将所述焊接件浸入液氮中，对所述焊缝区域进行激光冲击强化处理。

相应地，本发明还公开了一种激光焊接装置，包括：

超低温控制装置，包括液氮收容槽，该液氮收容槽中收容有液氮，所述焊接件浸没于所述液氮中；

激光强化装置，发射激光束，并对所述焊缝区域进行激光冲击强化处理。

将焊接件放置在液氮超低温环境中，液氮作为低温辅助环境，同时作为激光冲击强化过程中的约束层，一方面简化了在超低温下激光冲击强化的装置；另一方面在超低温环境下激光冲击强化焊接件，并在相同的温度环境下服役，保证了焊接件加工环境和服役环境的一致性，从而提高了超低温环境下焊接件的韧性、抗腐蚀性能等其他机械性能。

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激光焊接装置的结构示意图。

参图1所示，激光焊接装置10包括超低温控制装置11、激光强化装置12、工作台系统13以及计算机控制系统14。

图2所示为图1中超低温控制装置结构的放大示意图。

参图2所示，超低温控制装置11包括液氮收容槽112、监控探头113和杜瓦液氮储存容器114。

液氮收容槽112为双层真空隔离设计，起到真空保温作用。液氮收容槽112包括不锈钢外层1121和不锈钢内层1122，不锈钢外层1121和不锈钢内层1122之间形成有真空腔1123，不锈钢内层1122的顶端密封有环氧板115，以减少液氮的挥发。液氮收容槽112底部中心的真空腔1123内，不锈钢外层1121和不锈钢内层1122之间还设有承压支撑座118。液氮收容槽112采用不锈钢材料，具有较高的刚度。

监控探头113通过移动轨道116安装在环氧板115上，监控探头113沿移动轨道116移动来实现在液氮收容槽112中的实时监控，监控探头113用以监视液氮的液体位置以及焊接件131冲击区域的位置，并反馈到计算机控制系统14中去。

杜瓦液氮储存容器114通过输送管道117将液氮提供至所述液氮收容槽112内。通过加压，可将储存在杜瓦液氮储存容器114中的液氮经液氮输送管道117输入到液氮收容槽112。将液氮装入在杜瓦液氮储存容器114中，可使液氮保持超低温状态，具有很好的保温效果。

激光强化装置12包括纳秒激光器121、准直镜122以及连接在纳秒激光器121和准直镜122之间的光纤123，准直镜123位于液氮收容槽112内且位于焊接件131的上方。计算机控制系统14控制纳秒激光器121发出纳秒激光束，该纳秒激光束耦合进入光纤123，远距离传输后，通过准直镜123准直为平行光，穿过液氮，再聚焦在贴有吸收层132的焊接件131表面上进行激光冲击强化，焊接件131上的吸收层132优选为铝箔。液氮液面高出吸收层132表面1～2mm作为激光冲击焊接件131的约束层。

图3所示为图1中工作台系统结构的放大示意图。

参图3所示，工作台系统13由五轴联动工作台133和夹具134组成，工作台系统13位于液氮收容槽112内，五轴联动工作台133受计算机控制系统14控制进行移动，焊接件131承载于五轴联动工作台133的上表面并被夹具134固持。

计算机控制系统14分别电性连接于纳秒激光器121、监控探头113和五轴联动工作台133。计算机控制系统14电性连接于纳秒激光器121用以控制其发射纳秒激光束；计算机控制系统14电性连接于监控探头113，用以控制其沿移动轨道116移动，并接收监控探头113的反馈信息并在显示器上显示；计算机控制系统14电性连接于五轴联动工作台133，用以控制其带动焊接件131进行移动。

利用上述激光焊接装置10进行焊接的方法如下：

（1）将焊接件131焊缝区域的表面打磨抛光，粘贴铝箔作为吸收层132，将焊接件131固定在五轴联动工作台133上；

（2）打开杜瓦液氮储存容器114，让液氮充入液氮收容槽112内，使得液氮没过贴有吸收层铝箔的焊接件131表面1～2mm，一方面为整个系统提供超低温环境，另一方面焊接件131上方的液氮还可以作为激光冲击强化系统中的约束层；

（3）计算机控制系统14控制纳秒激光发生器121发射纳秒激光束，该纳秒激光束耦合进入光纤123，远距离传输后，通过准直镜122准直为平行光，穿过约束层液氮，再聚焦在贴有吸收层132的焊接件131焊缝表面上进行激光冲击强化处理；

（4）计算机控制系统14控制工作台系统13，经监控探头113拍摄工作台系统13上焊接件131与激光束的相对位置，相关信息反馈到计算机控制系统14中，确保激光束与焊接件131待处理表面垂直，同时计算机控制系统14控制纳秒激光发生器121发射纳秒激光束，对焊接件131焊缝区域进行大面积搭接激光冲击强化处理，相邻光斑搭接率为50％，从而完成激光冲击强化的路径。

图4是常温(20℃)环境下激光冲击强化获得的奥氏体AISI304不锈钢焊接件堆垛层错TEM照片。

从图4照片中可以看出，这些堆垛层错尺寸极大，位于孪晶界附近，尺寸超过100nm，最大可达250nm以上，甚至超过孔洞的尺寸，这与孪晶之间存在密切关系。

图5为超低温液氮环境下(-196℃以下)激光冲击强化获得的奥氏体AISI304不锈钢焊接件堆垛层错的TEM照片。

与图4常温环境下的堆垛层错相比，超低温环境下的堆垛层错具有高密度的网格形貌；堆垛层错通过阻碍位错运动，从而达到增强材料的效果，而在超低温(-196℃以下)环境下，激光冲击强化材料获得了高密度的堆垛层错，更有效的增强了材料的机械性能，在常温环境下激光冲击强化时得不到如此高密度的堆垛层错的。

图6为常温(20℃)和超低温(-196℃以下)环境下奥氏体AISI304不锈钢焊接件激光冲击强化后获得的XRD曲线图。

从图6中比较得到超低温(-196℃以下)下激光冲击之后在材料内部相变获得的马氏体要多于常温环境下同激光冲击参数所获得的马氏体。而马氏体在增强材料相发挥着重要的作用，在超低温环境下激光冲击处理获得的马氏体相越多，则意味着材料的强度越好，这有利于材料疲劳性能的增强。

综上所述，本发明的有益效果：

(1)利用超低温环境下的焊接件的激光冲击强化，能够明显增加焊接件焊缝区域的位错密度，提高焊接件焊缝区域的韧性、硬度和抗腐蚀能力。

(2)液氮作为超低温激光冲击的辅助环境和激光冲击强化时的约束层，具有双重作用，巧妙地构建了超低温激光冲击强化焊接件的装置；

(3)在与焊接件相同的工作条件的超低温环境下采用纳秒激光束冲击强化焊接件的焊接件焊缝区域，实现加工环境和服役环境的一致性，最大限度地提高焊接件在超低温环境下的使用寿命。

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 (7)

1.一种用于超低温环境下激光冲击强化焊接件方法的激光焊接装置，其特征在于，包括：

超低温控制装置，含有液氮收容槽，该液氮收容槽中收容有液氮，所述焊接件浸没于所述液氮中，液氮作为超低温辅助环境同时作为激光冲击过程中的约束层；

激光强化装置，发射激光束，并对焊缝区域进行激光冲击强化处理；

所述的激光强化装置包括：纳秒激光器、准直镜以及连接在所述纳秒激光器和所述准直镜之间的光纤，所述准直镜位于液氮收容槽内且位于所述焊接件的上方。

2.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，还包括：

设于所述液氮收容槽内的工作台系统，该工作台系统包括五轴联动工作台和夹具，所述焊接件承载于所述五轴联动工作台的上表面并被所述夹具固持；

计算机控制系统，控制激光强化装置发射激光束并控制所述工作台系统的移动。

3.根据权利要求2所述的激光焊接装置，其特征在于，还包括监控探头，该监控探头滑动设于所述液氮收容槽内，所述计算机控制系统控制所述监控探头的移动。

4.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述液氮收容槽为双层真空隔离设计，包括不锈钢外层和不锈钢内层，所述不锈钢外层和不锈钢内层之间形成有真空腔，所述不锈钢内层的顶端密封有环氧板。

5.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述超低温控制装置还包括一杜瓦液氮储存容器，所述杜瓦液氮储存容器通过输送管道将液氮提供至所述液氮收容槽内。

6.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述焊接件的上表面设有吸收层，所述吸收层为铝箔。

7.根据权利要求6所述的激光焊接装置，其特征在于，所述吸收层与所述液氮上表面之间的距离为1~2mm。

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