CN111230306A - 一种双金属穿透激光焊复层组织f/a比例同步调控方法 - Google Patents

一种双金属穿透激光焊复层组织f/a比例同步调控方法 Download PDF

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Abstract

一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，采用激光焊接工艺对待焊层状双金属工件进行穿透焊接；在待焊层状双金属工件激光焊接过程中，在激光束后方施加辅助热源，通过辅助热源的热作用实现激光焊缝组织的同步优化。本发明在对层状双金属材料激光焊接过程中，在激光束后方施加辅助热源，通过热源的再加热作用，改变焊接过程中的热循环，使焊缝复层DSS组织在奥氏体转化温度区间停留更多时间，从而提高奥氏体含量，对焊缝双相钢侧进行同步组织优化，使因奥氏体含量下降而失衡的组织重新接近于1：1的平衡比例。

Description

一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法。
背景技术
层状双金属复合材料以成本低廉的碳钢作为基层，以耐蚀性能良好的不锈钢等耐腐蚀材料作为复层，兼得满足要求的力学性能与耐腐蚀性能，与不锈钢、镍合金等纯耐蚀合金钢相比，大大降低了在工业生产、运输过程中抗腐蚀的成本，在许多领域得到广泛应用。
双相不锈钢具有铁素体(F)+奥氏体(A)的双相组织结构，F/A比例接近1∶1，性能上结合了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，具有优于铁素体不锈钢的韧性和优于奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳性能。以双相不锈钢DSS2205为例，其在中性氯化物和H2S溶液中具有优于304L和306L奥氏体不锈钢以及18-5Mo型不锈钢的耐腐蚀性能；屈服强度约为标准奥氏体不锈钢的2倍，线性膨胀系数低于奥氏体不锈钢，与碳钢相近，被应用于油气输送管道中所使用的纯金属管道或双金属复合管道。
以双相不锈钢作为复层的层状双金属复合材料，以X65/DSS2205双金属复合板为例，其基层X65管线钢与复层双相不锈钢DSS2205在化学成分、热导率、熔点和力学性能等方面都有较大差异，在焊接中存在复层合金元素稀释、碳元素迁移、裂纹、HAZ两相比例失衡等问题，尤其是使用激光穿透焊方法对双金属材料进行焊接的过程中，由于过快的冷却速度，双金属穿透激光焊接接头复层双相不锈钢焊缝奥氏体(A)含量较母材急剧降低，F/A两相比例严重失衡。
双相不锈钢优良的耐腐蚀性能很大程度上取决于其具有的大量合金元素和平衡组织的成分组织特点，以DSS2205为例，根据ASTM标准和使用要求，其焊接接头焊缝区和热影响区的铁素体含量应该控制在35％-65％的范围内，如果接头焊缝区和热影响区中的铁素体含量和奥氏体含量比率为1:1左右则为最佳，两相比例失衡将导致其耐腐蚀性能，尤其是耐点蚀性能急剧降低，从而影响其服役性能。
因此，从提高双金属穿透激光焊接接头耐腐蚀性能的角度出发，开发一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，以解决双金属材料穿透激光焊焊缝复层双相不锈钢(DSS)铁素体(F)、奥氏体(A)比例失衡导致的接头耐腐蚀性能下降的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，采用激光焊接工艺对待焊层状双金属工件进行穿透焊接；在待焊层状双金属工件激光焊接过程中，在激光束后方施加辅助热源，通过辅助热源的热作用实现激光焊缝组织的同步优化。
本发明进一步的改进在于，通过串联MIG焊或TIG焊实现辅助热源的施加。
本发明进一步的改进在于，通过调节辅助热源热输入以及辅助热源与激光束的间距使奥氏体的体积含量为35-65％。
本发明进一步的改进在于，对于DSS2205/X65层状双金属复合材料，辅助热源的热输入范围为1.34～1.51kJ/cm。
本发明进一步的改进在于，辅助热源与激光束的间距范围为20～40mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，在对层状双金属材料激光焊接过程中，在激光束后方施加辅助热源，通过热源的再加热作用，改变焊接过程中的热循环，使焊缝复层DSS组织在奥氏体转化温度区间停留更多时间，从而提高奥氏体含量，对焊缝双相钢侧进行同步组织优化，使因奥氏体含量下降而失衡的组织重新接近于1：1的平衡比例，在保证穿透焊接完成的条件下解决层状双金属穿透激光焊缝DSS复层组织组成奥氏体比例失衡导致的接头耐腐蚀性能下降的问题。
附图说明
图1为辅助热源施加方案示意图。
图2a为实施例1试板形状与尺寸立体图。
图2b为实施例1试板形状与尺寸侧视图。
图3为实施例1焊缝组织。
图4a为激光-热源距离为20mm时焊缝奥氏体统计结果。
图4b为激光-热源距离为30mm时焊缝奥氏体统计结果。
图4c为激光-热源距离为40mm时焊缝奥氏体统计结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的一种层状双金属穿透激光焊DSS复层组织组成同步调控方法为：采用激光焊接工艺对待焊工件进行穿透焊接，在对层状双金属材料激光焊接过程中，在激光束后方对双金属复合材料的焊接路径施加辅助热源，通过辅助热源的热作用实现激光焊缝组织的同步优化；通过串联MIG焊或TIG焊实现辅助热源的施加；最后通过调节辅助热源热输入及辅助热源与激光束的间距使组织优化效果达到期望值(期望值即奥氏体的体积含量为35-65％)。其中，所述的激光焊接工艺是指依据复合材料的性质、厚度选取合适的功率、焊接速度、离焦量、坡口可以实现对复合材料的穿透焊接。
所述的穿透焊接是指选取合适的焊接工艺，使待焊工件完全焊透成型良好，且无明显缺陷。
所施加的辅助热源置于激光束后方。
本发明施加辅助热源的热输入及其与激光束的间距包括以下几个原则：
1)辅助热源装置于激光束后方，其与激光束之间的距离依据复合板的材料、厚度选择，保证“激光-热源”间距与待焊工件特征大体匹配。
2)依据复合板的材料、厚度选定辅助热源的热输入，即保证辅助热源热输入与待焊工件特征大体匹配。
所述的“激光-热源”间距与工件特征大体匹配，以及辅助热源热输入与待焊工件特征大体匹配，是指所施加的热输入大小以及其与激光束的间距应该能够使热源的再加热作用对层状双金属材料激光焊缝双相钢侧组织的影响达到期望的调控奥氏体比例，即令奥氏体体积含量为35％～65％范围内，并尽可能接近50％的效果。必要时可通过理论计算或实验验证确定热输入与“激光-热源”间距。
本发明提供的双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，是一种在激光焊接过程中，激光束后方施加辅助热源，通过热源的再加热作用，改变焊接过程中的热循环，使焊缝组织在奥氏体转化温度区间停留更多时间，从而对层状双金属材料复层DSS组织进行同步优化，提高奥氏体含量，使因奥氏体含量下降而失衡的组织接近于1：1的平衡比例，在保证穿透焊接完成的条件下解决层状双金属材料焊缝双相钢侧奥氏体比例失衡导致的接头耐腐蚀性能下降问题的方法。
本发明在现有的层状双金属复合材料激光穿透焊接的基础上，通过在激光束后方串联MIG焊或TIG焊施加辅助热源，具体施加方式如图1所示，热源施加于激光束后方，对位于前方的激光焊缝起到再加热作用，使得前方激光接头区的冷却速度减慢，促使更多的奥氏体从铁素体晶间和晶内生成和长大，达到所期望的两相平衡状态。热源的热输入范围为1.34～1.51kJ/cm，热源与激光束的间距范围为20～40mm。须根据待焊工件材料性能、尺寸形状以及焊接工艺参数适当调节，以获得较好的组织调控效果。
下面为具体的实施例。
实施例1
本实施例采用串联MIG焊枪的YLS-4000型光纤激光器对DSS2205/X65层状双金属复合板进行激光焊接，具体操作步骤如下：
(1)将作为试样的厚度为18mm的DSS2205/X65层状双金属复合板加工处理。加工处理后试板尺寸与形状如图2a和图2b所示，靠近复合板复层DSS2205一侧，对基层材料X65保留1mm的厚度，其余2mm厚的复层组成总厚度为3mm“I”型坡口，在“I”型坡口上方，考虑到MIG焊枪空间需求、焊接效率和焊缝成型质量等因素，采用倒梯形坡口形式，坡口底部宽度为3mm，坡口开口角度为60°；
(2)在对步骤(1)中的“I”型坡口实施对接焊前，采用水砂纸对试板进行逐级打磨，去掉其表面氧化皮，并通过夹持装置，保证坡口无错边或错边很小，以及无对接间隙或对接间隙小于激光光斑直径。
(3)在激光束后方串联MIG焊枪，选取1.34kJ/cm、1.42kJ/cm、1.51kJ/cm三个热输入，20mm、30mm、40mm三个MIG电弧与激光束的间距，进行3×3共计9组实验。
(4)依据步骤(1)中的I型坡口厚度，选择激光焊接工艺为：激光功率为3000W，焊接速度为2.5m/min，离焦量为-1mm。
(5)依据步骤(4)中的焊接工艺对试板进行焊接，实现穿透焊接。
对比例1
更换与实施例1相同材料、结构、尺寸的试板，重复实施例1中的步骤(1)、步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)，进行无辅助热源条件下的熔透焊接。
对得到的焊接接头距离焊缝下表面不同位置处的焊缝区进行拍摄，图3为实施例1中具有典型特征的实验组的焊缝复层侧显微组织，其中F为铁素体，GBA和GIA分别指代在铁素体晶间和晶内析出的奥氏体。选取5个视场，通过Photoshop软件拍摄得到的图片进行处理，提取奥氏体A相并对其含量进行定量分析，求5个视场的平均值，最终确定铁素体F和奥氏体A含量比例，通过与无MIG焊条件下得到的接头双相钢侧奥氏体含量进行对比，对本发明的合理性和可行性进行评价。
图4a、图4b、图4c分别为实施例1中施加与激光束距离分别为20mm、30mm、40mm的热源后得到的焊缝双相钢侧奥氏体含量统计测算结果，对比例1中未施加热源得到接头测算结果已在图中标记。由图4a-4c可得，在合适的热源热输入以及热源-激光间距条件下，焊缝复层区奥氏体比例可提升至满足ASTM标准的35～65％范围内，部分区域奥氏体比例已接近50％，即奥氏体：铁素体比例已接近1:1的最优比例。证明在辅助热源的作用下，焊缝双相钢侧奥氏体比例得到同步优化。
本实施例仅用以说明本发明方法，并非限定方法所涉及的工艺、参数范围，本领域工作人员对本发明的做的其它修改或同等替换，只要不脱离本发明的精神范围，均应涵盖在本发明的专利的权利要求范围之中。

Claims (5)

1.一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，其特征在于，采用激光焊接工艺对待焊层状双金属工件进行穿透焊接；在待焊层状双金属工件激光焊接过程中，在激光束后方施加辅助热源，通过辅助热源的热作用实现激光焊缝组织的同步优化。
2.根据权利要求1所述的一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，其特征在于，通过串联MIG焊与TIG焊实现辅助热源的施加。
3.根据权利要求1所述的一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，其特征在于，通过调节辅助热源热输入以及辅助热源与激光束的间距使奥氏体的体积含量为35-65％。
4.根据权利要求1所述的一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，其特征在于，对于DSS2205/X65层状双金属复合材料，辅助热源的热输入范围为1.34～1.51kJ/cm。
5.根据权利要求4所述的一种双金属穿透激光焊复层组织F/A比例同步调控方法，其特征在于，辅助热源与激光束的间距范围为20～40mm。
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