CN105983782A - 高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，包括输气异形管、转接装置、保护气软管和套管；套管通过三维调节装置连接激光焊枪，输气异形管一端封闭，另一端开口并穿过套管与套管形成转动副，其穿过套管的一端通过转接装置与保护气软管密封连接，其中，输气异形管封闭端侧壁上开有与焊接方向平行的气孔阵列；本发明装置简单易装夹，四维可调，跟随焊枪同步运动，保证保护气全面覆盖熔池背面区域，既减少了保护气用量，又达到了保护熔池背面，防止熔池背面氮逸出、表面金属氧化的目的，本发明位于熔池侧下方，不仅有效避免激光穿透工件时将其损伤，延长保护装置的使用寿命，而且避免双侧同吹保护气产生紊流，提高保护效果。

Description

高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，特别是一种高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置。

背景技术

近年来，现代工业对不锈钢的快速需求导致镍资源的紧缺，高氮奥氏体不锈钢利用氮元素部分甚至完全取代合金元素镍。高氮奥氏体不锈钢，不但显著提高了强度、塑韧性，而且获得了更高的耐蚀性。但是高氮奥氏体不锈钢作为一种新型的很有应用前景的工程应用钢，其能否更广泛地投入应用在一定程度上取决于其焊接性。在现有普通熔焊过程中，焊缝区过程中都不可避免地出现氮的损失，直接降低了焊缝中固溶氮的含量，从而降低了接头性能。激光焊接时热影响区很窄，可有效避免焊接热影响区氮化物、碳化物或者碳氮化物等的析出问题，但焊缝区氮气孔、氮逸出、氮化物析出导致的氮的缺失仍是个焊接瓶颈。

在激光深熔焊的过程中，形成了特有的小孔效应。根据小孔与熔池的熔透状态，可分为未熔透、仅熔池透、适度熔透(小孔穿透)、过熔透四种。当处于小孔熔透或者过熔透状态时，熔池贯穿整个工件，那么固溶于熔池中的氮随着液态金属的对流可以从熔池上表面或者熔池下表面逸出，造成固溶氮含量的降低。若选用一般熔焊所采用的纯氩作为保护气，由于氮的不平衡，造成气液界面处氮的直接逸出。当焊速过快，氮未逸出造成的氮气孔会造成焊缝固溶氮含量的减少，使得接头性能骤降。因此，选用氮气作为高氮奥氏体不锈钢激光焊的保护气，不失为一种有效固氮的措施。

专利CN200910012596.6所述装置虽然能对焊缝背面实施保护，但是由于与储气槽相通的出气孔均匀分布于装置两侧面，当储气槽的充气口有保护气流入，从全长不同位置出气孔流出的保护气气流压力不一致，且左右储气槽中的两股气流呈一定角度相遇，容易造成紊流或者流量相抵，降低了保护效果，增加了氮气孔形成的可能性，且存在气体浪费的问题。

其他厚板高氮钢激光焊接中，鲜有采取熔池背面保护措施，那么焊后易出现焊缝氮气孔、氮逸出或者氮化物析出等问题，从而影响焊接接头的性能。

针对这种现状，急需一种高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，可以有效提高焊接过程熔池背面保护效果，并解决焊接过程中的保护气体浪费问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，四维可调，保护气覆盖全面，节约保护气，并且有效避免激光穿透工件时将其损伤的风险和双侧同吹保护气产生紊流的问题，最终获得了焊缝背面成型美观和符合强度要求的高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，包括输气异形管、转接装置、保护气软管和套管；套管通过三维调节装置连接激光焊枪，输气异形管一端封闭，另一端开口并穿过套管与套管形成转动副，其穿过套管的一端通过转接装置与保护气软管密封连接，其中，输气异形管封闭端侧壁上开有与焊接方向平行的气孔阵列。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明结构简单易装夹，四维可调，能够保证保护气全面覆盖熔池背面区域。

(2)本发明的保护气装置跟随焊枪同步运动，实时跟踪熔池位置，既减少了保护气用量，又达到了随时保护熔池背面，防止熔池背面氮逸出、表面金属氧化的目的。

(3)本发明的保护气装置位于熔池侧下方，不仅有效避免激光穿透工件时将其损伤，延长保护装置的使用寿而且能避免双侧同吹保护气产生紊流，提高保护效果。

(4)本发明的气体层流隔板和气体层流挡板能够减缓气体流速，形成层流，在熔池背面的全长方向均匀送气，提高保护效果，防止保护气不均匀，空气侵入。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置的结构示意图。

图2为本发明高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置输气异形管的剖视图。

具体实施方式

结合图1和图2：

本发明一种高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，包括输气异形管1、转接装置2、保护气软管3和套管4；套管4通过三维调节装置连接激光焊枪11，输气异形管1一端封闭，另一端开口并穿过套管4与套管4形成转动副，其穿过套管4的一端通过转接装置2与保护气软管3密封连接，其中，输气异形管1封闭端侧壁上开有与焊接方向平行的气孔阵列。

三维调节装置包括滑块6、竖杆8、伸缩直管9和焊枪固定器10；竖杆8一端为滑槽，滑块6一端与套管4固定连接，另一端与滑槽配合形成滑动副，调节输气异形管1相对于焊缝的横向偏移位置，伸缩直管9一端与竖杆8形成滑动副且与竖杆8垂直，调节输气异形管1相对于焊缝的间距，伸缩直管9调节输气异形管1相对于焊缝的纵向偏移位置；伸缩直管9另一端设置有焊枪固定器10。

输气异形管1内设置有气体层流隔板，气体层流隔板与输气异形管1封闭端管壁围成腔体，气体层流隔板上开有气孔，输气异形管1封闭端侧壁上开有的气孔在气体层流隔板与输气异形管1封闭端管壁围成腔体所对应的侧壁范围内，气体层流隔板靠近输气异形管1的开口端间隔设置有气体层流挡板，间隔设置的气体层流挡板在输气异形管1的径向上不完全重合。

气体层流挡板与输气异形管1轴向垂直，输气异形管1的封闭端设置有与输气异形管1轴向平行的水平隔板，水平隔板上开有气孔阵列，最靠近输气异形管1封闭端的气体层流挡板与水平隔板固定组成气体层流隔板，其中，间隔设置的气体层流挡板在输气异形管1的径向上均分输气异形管1的截面。

输气异形管1管壁上与隔板上开有的气孔阵列均匀分布。

输气异形管1开口端设置螺纹，与转接装置2螺纹连接。

输气异形管1通过穿过套管4的螺栓5固定。

实施例：

一种高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，包括输气异形管1、转接装置2、保护气软管3和套管4；套管4通过三维调节装置连接激光焊枪11，三维调节装置包括滑块6、竖杆8、伸缩直管9和焊枪固定器10；竖杆8一端为燕尾槽7，滑块6一端与套管4固定连接，另一端与滑槽配合形成滑动副，调节输气异形管1相对于焊缝的横向偏移位置，伸缩直管9一端与竖杆8形成滑动副且与竖杆8垂直，调节输气异形管1相对于焊缝的间距，伸缩直管9调节输气异形管1相对于焊缝的纵向偏移位置，伸缩直管9另一端设置有焊枪固定器10；输气异形管1一端封闭，另一端开口并穿过套管4，与套管4形成转动副，其穿过套管4的一端通过转接装置2与保护气软管3密封连接，其中，输气异形管1封闭端侧壁上开有与焊接方向平行的气孔阵列；输气异形管1内设置有三个与输气异形管1轴向垂直的气体层流挡板，分别是第一气体层流挡板1-1、第二气体层流挡板1-2和第三气体层流挡板1-3，还设置有一个与输气异形管1轴向平行的水平隔板1-4，其中第三气体层流挡板1-3和水平隔板1-4固连组成气体层流隔板，气体层流隔板与输气异形管1封闭端管壁围成腔体，输气异形管1封闭端侧壁上开有的气孔在气体层流隔板与输气异形管1封闭端管壁围成腔体所对应的侧壁范围内，水平隔板1-4上开有气孔阵列，间隔设置的气体层流挡板在输气异形管1的径向上均分输气异形管1的截面。

输气异形管1管壁上与隔板上开有的气孔阵列均匀分布。

输气异形管1开口端设置螺纹，与转接装置2螺纹连接。

焊接材料为高氮钢平板，尺寸为200mm×100mm×12mm，焊接方法为不填丝激光对接拼焊，焊接方向为200mm的长度方向。焊接准备，用角磨机清理高氮钢对接面附近的氧化层，并用丙酮清洗干净表面油污等。通过夹具将高氮钢平板固定在工作台上，确保对接平板的缝隙小于0.4mm。调节激光焊枪11距离平板上表面的高度，将焦点聚焦于工件表面。将输气异形管1的非密封端通过转接装置2与保护气软管3进行密封连接，并穿入套管4中，置于对接平板缝隙的侧下方。接着调节保护装置的位置。首先调节伸缩直管9的伸缩长度，即调整输气异形管1相对于缝隙的纵向偏移位置，使得输气异形管1上的气孔阵列位于激光束的下方；然后调节竖杆8，即调整输气异形管1相对于缝隙的间距，使得输气异形管1距离高氮钢平板下表面的距离约为20mm；接着滑动燕尾槽7中的滑块6，即调节输气异形管1相对于缝隙的横向偏移位置，使得输气异形管1横向方向偏于缝隙15mm；转动套管4，进行吹气角度的调节，旋转约50°，使得气孔阵列对准缝隙，保证保护气全面覆盖熔池背面区域；最后转动套管4上的螺栓5，将输气异形管1与三维调节装置紧固。调节完毕保护气装置的位置与吹气角度，打开氮气保护气气瓶，调节流量表，定于20L/min。打开激光器，输入激光功率为8kW，焊接速度为1.7m/min。点击激光发射按钮，进行焊接。焊接完毕，关闭激光器，关闭保护气。移动激光焊枪至合适位置，松开工件夹紧装置，取下工件，进行表面飞溅清理。观察焊缝背面成型情况，焊缝正面成型美观，背面基本无堆高，熔宽均匀，表面呈现金黄色。经X射线无损检测，焊缝中基本无气孔缺陷。对焊缝进行线切割取样、检测。经检测，焊缝中氮的固溶量为0.58％，为母材固溶量(0.64％)的90％以上，大大减少了固溶氮的损失。

Claims (9)

1.一种高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，其特征在于：包括输气异形管(1)、转接装置(2)、保护气软管(3)和套管(4)；套管(4)通过三维调节装置连接激光焊枪(11)，输气异形管(1)一端封闭，另一端开口并穿过套管(4)与套管(4)形成转动副，其穿过套管(4)的一端通过转接装置(2)与保护气软管(3)密封连接，其中，输气异形管(1)封闭端侧壁上开有与焊接方向平行的气孔阵列。

2.根据权利要求1所述的高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，其特征在于：所述的三维调节装置包括滑块(6)、竖杆(8)、伸缩直管(9)和焊枪固定器(10)；竖杆(8)一端为滑槽，滑块(6)一端与套管(4)固定连接，另一端与滑槽配合形成滑动副，伸缩直管(9)一端与竖杆(8)形成滑动副且与竖杆(8)垂直，另一端设置有焊枪固定器(10)。

3.根据权利要求1或2所述的高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，其特征在于：所述的输气异形管(1)内设置有气体层流隔板，气体层流隔板与输气异形管(1)封闭端管壁围成腔体，气体层流隔板上开有气孔，输气异形管(1)封闭端侧壁上开有的气孔在气体层流隔板与输气异形管(1)封闭端管壁围成腔体所对应的侧壁范围内，气体层流隔板靠近输气异形管(1)的开口端间隔设置有气体层流挡板，间隔设置的气体层流挡板在输气异形管(1)的径向上不完全重合。

4.根据权利要求3所述的高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，其特征在于：所述的气体层流挡板与输气异形管(1)轴向垂直，输气异形管(1)的封闭端设置有与输气异形管(1)轴向平行的水平隔板，水平隔板上开有气孔阵列，最靠近输气异形管(1)封闭端的气体层流挡板与水平隔板固定组成气体层流隔板，其中，间隔设置的气体层流挡板在输气异形管(1)的径向上均分输气异形管(1)的截面。

5.根据权利要求1或2或4所述的高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，其特征在于：所述的输气异形管(1)管壁上与隔板上开有的气孔阵列均匀分布。

6.根据权利要求3所述的高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，其特征在于：所述的输气异形管(1)管壁上与隔板上开有的气孔阵列均匀分布。

7.根据权利要求1或2或4或6所述的高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，其特征在于：所述的输气异形管(1)开口端设置螺纹，与转接装置(2)螺纹连接。

8.根据权利要求3所述的高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，其特征在于：所述的输气异形管(1)开口端设置螺纹，与转接装置(2)螺纹连接。

9.根据权利要求5所述的高氮奥氏体不锈钢激光焊接过程熔池背面保护装置，其特征在于：所述的输气异形管(1)开口端设置螺纹，与转接装置(2)螺纹连接。