CN106834659A - 纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的方法，采用激光沿“S”先冲击焊缝，后沿平行焊缝方向冲击焊缝外区域，消除焊接接头的拉应力。通过合理选择功率密度，既能不发生相变，同时可以消除残余拉应力，从而避免了焊接接头抗应力腐蚀性能的下降。本发明采用纳秒脉冲的激光冲击工件表面，无明显的机械力，加工速度快，易实现自动化，可以冲击复杂的型面。

Description

纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的方法
技术领域
本发明涉及表面加工技术领域，具体是一种纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的方法。
背景技术
激光冲击强化是最近几十年发展起来的一种新型表面强化技术。它利用高功率脉冲激光诱导产生等离子体冲击波对金属材料作用，不仅能在零件表层形成数百MPa的残余压应力，而且可以提高零件表层硬度并使表面晶粒细化，从而显著改善不锈钢焊接件的抗疲劳性、耐磨损及抗应力腐蚀性能。日本东芝公司已经将激光冲击处理技术用于原子反应堆压力容器焊缝的应力腐蚀问题，对核反应堆压力容器、管道接头等焊缝进行了激光冲击处理，取得了很好的耐应力腐蚀效果。国内，南京工业大学、江苏大学等单位先后研究了激光冲击光斑搭接率对不锈钢焊接接头应力腐蚀的影响，初步分析了激光冲击产生的残余压应力对焊接接头应力腐蚀抗性的提高作用。
现有技术虽然可以对不锈钢焊接构件进行激光冲击强化，但激光冲击强化时容易发生奥氏体向马氏体转变，致使构件抗应力腐蚀性能下降，严重影响构件的使用寿命和装备的安全可靠性。中国发明专利CN1995410A提出一种奥氏体不锈钢焊接接头耐腐蚀方法，通过调整焊接工艺提高耐蚀性，抗腐蚀性能提高有限，无法解决焊接本身的残余拉应力问题。中国专利CN103160664A，公开了一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法。即利用表面机械研磨技术处理不锈钢焊接接头，在不锈钢焊接接头的表面制备出超细晶和超细孪晶结构，从而使其具有高的表面硬度，但对构件的尺寸和形状有要求，无法满足复杂型面的处理，同时不能控制奥氏体不锈钢的奥氏体组织向马氏体转变。中国发明专利ZL200510094763.8,提出了“提高不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能的玻璃喷丸处理工艺”，是一种降低奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀开裂敏感性的表面处理方法，解决钢丸喷丸残留引起的电化学腐蚀降低奥氏体不锈钢焊接接头抗应力腐蚀。中国发明专利CN102127630A介绍了采用激光冲击强化X70管线钢焊接接头的处理CN200910027130.3公开了一种基于激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击材料表面强化方法及装置，可防止材料表面产生有害的残余拉应力，消除焊接应力和提高抗应力腐蚀。激光表面处理属非接触加工，无明显机械力，工具损耗，加工速度快，热影响区小，可达高精度加工，易实现自动化，功率密度高，不受材料限制，能源消耗少，无处理污染，在节能、环保等方面有较大优势。现有技术虽然可以对不锈钢焊接构件进行激光冲击强化，但没有解决奥氏体不锈钢焊接接头容易发生奥氏体向马氏体转变，相变使得奥氏体不锈钢由单相变为两相，由于两相之间的电极电位差异大，加剧电化学腐蚀，致使构件抗应力腐蚀性能下降，严重影响构件的使用寿命和装备的安全可靠性。
发明内容
为解决奥氏体不锈钢焊接接头激光冲击强化抗应力腐蚀性能下降的不足，本发明提出了一种纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的方法。
本发明的具体步骤为：
步骤1，粘贴吸收保护层。以厚度为0.05mm～0.1mm的铝箔作为吸收保护层。将铝箔粘贴在试件的焊缝表面和焊缝两侧各5mm～10mm的区域内，所述铝铂的厚度≤0.1mm。
步骤2，形成约束层。在所述吸收保护层表面形成1mm～2mm厚的去离子水层作为约束层并保持。
步骤3，激光冲击焊缝。利用纳秒脉冲激光对所述焊缝进行冲击。冲击时，光斑的移动路径为“S”形。光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。完成对焊缝表面的激光冲击。激光冲击功率密度为3GW/cm2～5GW/cm2。激光的脉冲时间为10ns～30ns。
所述光斑的直径为2.0～2.4mm。
所述激光冲击焊缝时，光斑以所述焊缝一端表面一侧为起点，沿该焊缝的宽度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向正交。当光斑移动至所述焊缝表面另一侧边沿时，光斑的移动路径与焊缝的方向平行向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的宽度反方向移动至该光斑起点的下方；光斑继续以与焊缝方向平行的路径向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至该焊缝的另一端。
步骤4，激光冲击焊缝外区域。在激光冲击焊缝外区域时，移动光斑至焊缝外任意一侧。移动光斑沿焊缝的长度方向进行激光冲击。冲击时，光斑的移动路径为“S”形。光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。完成对焊缝表面的激光冲击。激光冲击功率密度为4GW/cm2。激光的脉冲时间为20ns。
当完成对该焊缝外一侧区域的冲击后，移动光斑至该焊缝外另一侧区域，沿焊缝的长度方向进行激光冲击。
在激光冲击焊缝外区域时，光斑以所述焊缝外一端的一侧为起点，贴着该焊缝边缘沿该焊缝的长度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向平行。当光斑移动至所述焊缝边缘另一端时，光斑的移动路径沿该焊缝的宽度方向平行向该外侧移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的长度反方向移动至该光斑起点的外侧；光斑继续沿焊缝的宽度方向向该焊缝的外侧移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至焊缝该侧以外5mm～10mm，完成对该焊缝外一侧区域的冲击。
在对该焊缝外另一侧区域进行冲击时，光斑的移动路径如上所述。
步骤5，重复冲击。重复所述步骤3和步骤4，对试件进行第二次激光冲击强化加工。
步骤6，表面清理，将试件表面铝箔去除，进行表面附着物清理。
与现有技术相比较，本发明取得了以下有益效果：
应力腐蚀机理是指敏感金属或合金在一定的拉应力和一定腐蚀介质环境下共同作用所引起的腐蚀断裂过程。由于拉应力的作用使金属表面腐蚀钝化膜不断破坏，从而加速腐蚀断裂过程。选择功率密度过大，使得焊接接头的奥氏体组织剧烈塑性变形，发生奥氏体向马氏体的转变，材料的组织由单相变为双相，由于两者电极电位差异，加速了腐蚀，从而使得抗应力腐蚀性能下降；功率密度过低，无法消除残余拉应力，导致焊接接头的抗应力腐蚀性能就下降。采用适当的激光功率密度，既能不发生相变，同时可以消除残余拉应力，从而避免了焊接接头抗应力腐蚀性能的下降。
采用激光沿“S”先冲击焊缝，后沿平行焊缝方向冲击焊缝外区域，消除焊接接头的拉应力。
采用纳秒脉冲的激光冲击工件表面，无明显的机械力，加工速度快，易实现自动化，可以冲击复杂的型面。
附图说明
图1是焊缝冲击路径示意图；
图2是焊缝外冲击路径示意图；
图3是347不锈钢不同功率密度冲击后的XRD图；
图4是347不锈钢焊接接头冲击强化前后的XRD图，其中a是未经过激光冲击的焊接接头，b是焊接后经过激光冲击强化的焊接接头。
图5是本发明的流程图。图中：
1.焊缝；2.光斑；3.路径；4.焊缝外区域；5.马氏体；6.奥氏体；7.经过6.63GW/cm2激光冲击的焊接接头；8.未经过激光冲击的焊接接头；
具体实施方式
本发明实施例提供了纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的工艺包括粘贴吸收保护层，形成约束层、激光冲击焊缝、激光冲击焊缝外区域、重复冲击、表面清理等全部步骤。
实施例1
本实施例是一种纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的工艺。本实施例中的试件是316L不锈钢焊接接头。
具体步骤为：
步骤1，粘贴吸收保护层。以厚度为0.05mm～0.1mm的铝箔作为吸收保护层。将铝箔粘贴在试件的焊缝表面和焊缝两侧各7mm的区域内，所述铝铂的厚度≤0.1mm。
本实施例中，所述吸收保护层的粘贴厚度为0.05mm。
步骤2，形成约束层。采用常规方法在所述吸收保护层表面形成1mm～2mm厚的去离子水层作为约束层并保持。
步骤3，激光冲击焊缝。利用纳秒脉冲激光对所述焊缝进行冲击。冲击时，光斑的移动路径为“S”形。移动时，光斑以所述焊缝一端表面一侧为起点，沿该焊缝的宽度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向正交。当光斑移动至所述焊缝表面另一侧边沿时，光斑的移动路径与焊缝的方向平行向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的宽度反方向移动至该光斑起点的下方；光斑继续以与焊缝方向平行的路径向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至该焊缝的另一端。
光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。完成对焊缝表面的激光冲击。激光冲击功率密度为5GW/cm2。激光的脉冲时间为20ns。
本实施例中，光斑的直径为2.4mm。
步骤4，激光冲击焊缝外区域。
在激光冲击焊缝外区域时，移动光斑至焊缝外任意一侧。移动光斑沿焊缝的长度方向进行激光冲击。
冲击时，光斑的移动路径为“S”形。移动时，光斑以所述焊缝外一端的一侧为起点，贴着该焊缝边缘沿该焊缝的长度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向平行。当光斑移动至所述焊缝边缘另一端时，光斑的移动路径沿该焊缝的宽度方向平行向该外侧移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的长度反方向移动至该光斑起点的外侧；光斑继续沿焊缝的宽度方向向该焊缝的外侧移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至焊缝该侧以外7mm，完成对该焊缝外一侧区域的冲击。
光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。完成对焊缝表面的激光冲击。激光冲击功率密度为4GW/cm2。激光的脉冲时间为20ns。
当完成对该焊缝外一侧区域的冲击后，移动光斑至该焊缝外另一侧区域，沿焊缝的长度方向进行激光冲击。
在对该焊缝外另一侧区域进行冲击时，光斑的移动路径如上所述。
步骤5，重复冲击。重复所述步骤3和步骤4，对试件进行第二次激光冲击强化加工。
步骤6，表面清理，将试件表面铝箔去除，进行表面附着物清理。
通过本实施例，316L不锈钢焊接接头激光冲击强化后表层晶粒细化，消除了焊接接头表面约300Mpa的残余拉应力，在材料表层形成-10Mpa以上残余压应力，同时激光冲击强后的316L不锈钢焊接接头没有发生马氏体相变，抗应力腐蚀性能显著提高。
实施例2
本实施例是一种纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的工艺。本实施例中的试件是304不锈钢焊接接头。
具体步骤为：
具体步骤为：
步骤1，粘贴吸收保护层。以厚度为0.05mm～0.1mm的铝箔作为吸收保护层。将铝箔粘贴在试件的焊缝表面和焊缝两侧各6mm的区域内，所述铝铂的厚度≤0.1mm。
本实施例中，所述吸收保护层的粘贴厚度为0.1mm。
步骤2，形成约束层。采用常规方法在所述吸收保护层表面形成1mm～2mm厚的去离子水层作为约束层并保持。
步骤3，激光冲击焊缝。利用纳秒脉冲激光对所述焊缝进行冲击。冲击时，光斑的移动路径为“S”形。移动时，光斑以所述焊缝一端表面一侧为起点，沿该焊缝的宽度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向正交。当光斑移动至所述焊缝表面另一侧边沿时，光斑的移动路径与焊缝的方向平行向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的宽度反方向移动至该光斑起点的下方；光斑继续以与焊缝方向平行的路径向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至该焊缝的另一端。
光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。完成对焊缝表面的激光冲击。激光冲击功率密度为3GW/cm2。激光的脉冲时间为20ns。
本实施例中，光斑的直径为2mm。
步骤4，激光冲击焊缝外区域。
在激光冲击焊缝外区域时，移动光斑至焊缝外任意一侧。移动光斑沿焊缝的长度方向进行激光冲击。
冲击时，光斑的移动路径为“S”形。移动时，光斑以所述焊缝外一端的一侧为起点，贴着该焊缝边缘沿该焊缝的长度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向平行。当光斑移动至所述焊缝边缘另一端时，光斑的移动路径沿该焊缝的宽度方向平行向该外侧移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的长度反方向移动至该光斑起点的外侧；光斑继续沿焊缝的宽度方向向该焊缝的外侧移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至焊缝该侧以外6mm，完成对该焊缝外一侧区域的冲击。
光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。完成对焊缝表面的激光冲击。激光冲击功率密度为4.5GW/cm2。激光的脉冲时间为20ns。
当完成对该焊缝外一侧区域的冲击后，移动光斑至该焊缝外另一侧区域，沿焊缝的长度方向进行激光冲击。
在对该焊缝外另一侧区域进行冲击时，光斑的移动路径如上所述。
步骤5，重复冲击。重复所述步骤3和步骤4，对试件进行第二次激光冲击强化加工。
步骤6，表面清理，将试件表面铝箔去除，进行表面附着物清理。
通过本实施例，304不锈钢焊接接头激光冲击强化后表层晶粒细化，消除了焊接接头表面残余拉应力，在材料表层形成-100Mpa以上残余压应力，同时激光冲击强后的304不锈钢焊接接头没有发生马氏体相变，抗应力腐蚀性能显著提高。
实施例3
本实施例是一种纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的工艺。本实施例中的试件是304不锈钢焊接接头。
具体步骤为：
具体步骤为：
步骤1，粘贴吸收保护层。以厚度为0.05mm～0.1mm的铝箔作为吸收保护层。将铝箔粘贴在试件的焊缝表面和焊缝两侧各7mm的区域内，所述铝铂的厚度≤0.1mm。
本实施例中，所述吸收保护层的粘贴厚度为0.08mm。
步骤2，形成约束层。采用常规方法在所述吸收保护层表面形成1mm～2mm厚的去离子水层作为约束层并保持。
步骤3，激光冲击焊缝。利用纳秒脉冲激光对所述焊缝进行冲击。冲击时，光斑的移动路径为“S”形。移动时，光斑以所述焊缝一端表面一侧为起点，沿该焊缝的宽度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向正交。当光斑移动至所述焊缝表面另一侧边沿时，光斑的移动路径与焊缝的方向平行向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的宽度反方向移动至该光斑起点的下方；光斑继续以与焊缝方向平行的路径向该焊缝的下方移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至该焊缝的另一端。
光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。完成对焊缝表面的激光冲击。激光冲击功率密度为4.6GW/cm2。激光的脉冲时间为20ns。
本实施例中，光斑的直径为2.2mm。
步骤4，激光冲击焊缝外区域。
在激光冲击焊缝外区域时，移动光斑至焊缝外任意一侧。移动光斑沿焊缝的长度方向进行激光冲击。
冲击时，光斑的移动路径为“S”形。移动时，光斑以所述焊缝外一端的一侧为起点，贴着该焊缝边缘沿该焊缝的长度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向平行。当光斑移动至所述焊缝边缘另一端时，光斑的移动路径沿该焊缝的宽度方向平行向该外侧移动半个光斑的直径。继而，该光斑沿所述焊缝的长度反方向移动至该光斑起点的外侧；光斑继续沿焊缝的宽度方向向该焊缝的外侧移动半个光斑的直径。重复上述过程，直至光斑移动至焊缝该侧以外7mm，完成对该焊缝外一侧区域的冲击。
光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％。完成对焊缝表面的激光冲击。激光冲击功率密度为4.42GW/cm2。激光的脉冲时间为20ns。
当完成对该焊缝外一侧区域的冲击后，移动光斑至该焊缝外另一侧区域，沿焊缝的长度方向进行激光冲击。
在对该焊缝外另一侧区域进行冲击时，光斑的移动路径如上所述。
步骤5，重复冲击。重复所述步骤3和步骤4，对试件进行第二次激光冲击强化加工。
步骤6，表面清理，将试件表面铝箔去除，进行表面附着物清理。
通过本实施例，347不锈钢焊接接头激光冲击强化后表层晶粒细化，消除了焊接接头表面残余拉应力，在材料表层形成-130Mpa以上残余压应力，同时激光冲击强后的347不锈钢焊接接头没有发生马氏体相变，抗应力腐蚀性能显著提高。

Claims (4)

1.一种纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1，粘贴吸收保护层：以厚度为0.05mm～0.1mm的铝箔作为吸收保护层；将铝箔粘贴在试件的焊缝表面和焊缝两侧各5mm～10mm的区域内，所述铝铂的厚度≤0.1mm；
步骤2，形成约束层：在所述吸收保护层表面形成1mm～2mm厚的去离子水层作为约束层并保持；
步骤3，激光冲击焊缝：利用纳秒脉冲激光对所述焊缝进行冲击；冲击时，光斑的移动路径为“S”形；光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％；完成对焊缝表面的激光冲击；激光冲击功率密度为3GW/cm2～5GW/cm2；激光的脉冲时间为10ns～30ns；
步骤4，激光冲击焊缝外区域：在激光冲击焊缝外区域时，移动光斑至焊缝外任意一侧；移动光斑沿焊缝的长度方向进行激光冲击；冲击时，光斑的移动路径为“S”形；光斑在移动中，每移动半个光斑的直径即对焊缝表面进行一次冲击，使相邻的光斑之间的搭接率为50％；完成对焊缝表面的激光冲击；激光冲击功率密度为4G～4.5GW/cm2；激光的脉冲时间为20ns；
当完成对该焊缝外一侧区域的冲击后，移动光斑至该焊缝外另一侧区域，沿焊缝的长度方向进行激光冲击；
步骤5，重复冲击：重复所述步骤3和步骤4，对试件进行第二次激光冲击强化加工；
步骤6，表面清理：将试件表面铝箔去除，进行表面附着物清理。
2.如权利要求1所述纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的方法，其特征在于，步骤3所述激光冲击焊缝时，光斑以所述焊缝一端表面一侧为起点，沿该焊缝的宽度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向正交；当光斑移动至所述焊缝表面另一侧边沿时，光斑的移动路径与焊缝的方向平行向该焊缝的下方移动半个光斑的直径；继而，该光斑沿所述焊缝的宽度反方向移动至该光斑起点的下方；光斑继续以与焊缝方向平行的路径向该焊缝的下方移动半个光斑的直径；重复上述过程，直至光斑移动至该焊缝的另一端。
3.如权利要求1所述纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的方法，其特征在于，在激光冲击焊缝外区域时，光斑以所述焊缝外一端的一侧为起点，贴着该焊缝边缘沿该焊缝的长度方向移动，并使光斑与该焊缝的方向平行；当光斑移动至所述焊缝边缘另一端时，光斑的移动路径沿该焊缝的宽度方向平行向该外侧移动半个光斑的直径；继而，该光斑沿所述焊缝的长度反方向移动至该光斑起点的外侧；光斑继续沿焊缝的宽度方向向该焊缝的外侧移动半个光斑的直径；重复上述过程，直至光斑移动至焊缝该侧以外5mm～10mm，完成对该焊缝外一侧区域的冲击；
在对该焊缝外另一侧区域进行冲击时，光斑的移动路径如上所述。
4.如权利要求1所述纳秒脉冲激光冲击不锈钢焊接接头抗应力腐蚀的方法，其特征在于，所述光斑的直径为2.0～2.4mm。
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