CN111299834B - 一种316ln和gh4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法 - Google Patents

一种316ln和gh4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法，属于激光焊接技术领域。该方法适用于奥氏体不锈钢和高温合金之间的可靠连接。本发明的焊接方法主要是在采用激光窄间隙焊的基础上，将窄间隙的坡口型式设为非对称结构，同时采用激光束偏置或扫描激光束的方式来对焊接过程中熔池的热输入进行控制，而且可以有效的抑制气孔、未熔合、裂纹以及成形不良等焊接缺陷的产生。

Description

一种316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体为一种316LN不锈钢和GH4169高温合金异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法。
背景技术
316LN奥氏体不锈钢由于其在低温条件下，具有较高的强度和韧性、良好的塑性和抗腐蚀性能，以及固溶处理后的全奥氏体组织使其完全没有磁性。因此，被广泛应用于核聚变实验堆磁体线圈盒的制造，聚变堆磁体线圈盒是为了保护超导线圈在服役情况下抵制复杂强电磁力的作用而设计制造的。316LN奥氏体不锈钢其4.2K的屈服强度为800MPa～1000MPa，可以满足目前国际热核聚变实验堆对材料性能的要求。然而随着聚变堆规模以及运行参数的不断提升，将产生更大的等离子电流密度、更高的磁场强度及需要更强的磁场约束力，势必将造成大型超导磁体在高磁场、高应力、多场耦合的恶劣条件下运行，因此，需要更高性能指标的材料做支撑(屈服强度>1100MPa)。GH4169高温合金在低温条件下具有更高的屈服强度并保留着一定的韧性，为未来聚变堆结构件潜在的应用材料。对于未来聚变堆超导磁体用线圈盒的制造，为了降低制造成本，其受力较大的部位将采用强度较高的GH4169高温合金，其余部位均采用316LN奥氏体不锈钢。针对316LN奥氏体不锈钢和GH4169高温合金的异种材料的焊接目前大多数采用弧焊的方法，然而弧焊较大的热输入量势必会带来较大的焊接变形。与传统的弧焊方法相比，激光焊具有高能量密度、较大穿透能力、较小热输入量等优点，且其焊接速度快、接头质量高以及焊接变形也较小。但是由于受激光器最大输出功率、激光束的质量以及焊缝成形较难等影响，激光自熔焊在厚板焊接中受到了一定的限制。激光填丝焊接是降低厚板激光焊接对激光功率过度依赖问题的有效途径，通过多层多道的方法逐步实现中厚板的焊接，并可以有效的改善熔池冶金，提高接头质量。但是现有技术采用激光自熔焊工艺焊接厚板奥氏体不锈钢和高温合金时焊缝成形较难，并且受制于激光功率限制。
发明内容
为了解决在采用激光深熔焊工艺焊接厚板奥氏体不锈钢和高温合金时焊缝成形较难以及受制于激光功率限制等问题，通过设计窄间隙坡口结构型式，调节激光填丝焊接工艺参数，控制送丝量，使焊接工艺适应每层的坡口深度以及坡口宽度，使得每层焊缝成形良好，从而逐层实现奥氏体不锈钢和高温合金异种材料厚板的有效连接。本发明提供一种316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法，主要适用于奥氏体不锈钢和高温合金异种材料厚板的激光分层填丝焊接过程。
本发明的技术方案如下：一种316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法，适用于10～30mm厚奥氏体不锈钢316LN和GH4169异种材料厚板的激光分层填丝焊接过程，采用的窄间隙坡口为非对称结构型式，且施焊过程中激光束偏置，或利用激光扫描方式控制热输入量以及焊接缺陷的产生；所述的窄间隙坡口范围为3～5mm。
进一步的，窄间隙坡口两边非对称设计，即两边钝边的宽度不同，且激光束偏置于奥氏体不锈钢一侧。
进一步的，采用振镜聚焦系统使激光束在坡口内摆动，结合激光束扫描路径对熔池的热输入量进行控制，所述的激光束扫描路径为圆形、矩形或三角形路径，防止气孔、侧壁未熔合以及焊缝和高温合金侧热裂纹焊接缺陷的产生。
进一步的，焊接坡口型式采用带钝边的窄间隙坡口，钝边的厚度为4.8～5.2mm，钝边台阶宽度316LN不锈钢侧为1～1.5mm，GH4169高温合金侧为0.5～1mm；打底焊激光功率4.5～10.0kW，正离焦量为4.0～6.0mm，焊接速度为0.8～1.5m/min，送丝速度为1.0～1.8m/min；填充焊激光功率3.5～6.5kW，正离焦量为20～35mm，焊接速度为1.2～1.8m/min，送丝速度为2.0～5.0m/min；盖面焊激光功率3.5～6.0kW，正离焦量为40～50mm，焊接速度为0.5～0.8m/min，送丝速度为2.0～4.0m/min。
进一步的，每道焊缝焊接完成后，利用角磨机磨掉该道焊缝的余高部分、使得该焊缝层焊接位置平整，并采用丙酮对焊接位置清洗干净，以便进行下一层的焊接。
根据本发明的另一方面，提供一种316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法，包括如下步骤：
步骤101：采用丙酮对316LN奥氏体不锈钢和GH4169高温合金对接面的坡口进行清洗并烘干，该去污处理需在焊接前15分钟至1小时内进行；
步骤102：焊丝为HGH4169，直径为1.2mm，焊前24小时之内采用化学清洗并烘干保存，在焊前1小时内安装于送丝机构；
步骤103：在焊接平台上进行试板窄间隙坡口组对，并利用夹具装夹固定；
步骤104：通过控制系统对焊接工艺参数进行设置，包括激光功率、焊接速度、激光束扫描半径，其中扫描路径采用三角形扫描方式；
步骤105：对打底焊进行焊接；
步骤106：钝边层打底焊接完成之后，将焊缝表面打磨并用丙酮清洗窄间隙坡口内壁；
步骤107：对试板进行填充层焊接；
步骤108：填充层第一道焊接完成之后，将焊缝表面打磨并用丙酮清洗窄间隙坡口内壁；并继续采用填充层焊接工艺进行焊接，每层焊完结束后均对焊缝表面进行打磨并用丙酮清洗窄间隙坡口内壁，直至焊缝填充至距离试板表面1-2mm为止；
步骤109：对试板进行盖面层焊接；
步骤110：焊接结束后，试板冷却至室温时从工装上取下焊接试板。
进一步的，所述步骤105：对打底焊进行焊接，具体包括：打底焊激光功率4.5～10.0kW，正离焦量为4.0～6.0mm，焊接速度为0.8～1.5m/min，送丝速度为1.0～1.8m/min，保护气流量为15～25L/min，背保护气流量为15～25L/min，三角形扫描半径为0.5～1.0mm。
进一步的，所述步骤107对试板进行填充层焊接具体包括：填充焊激光功率3.5～6.5kW，正离焦量为20～35mm，焊接速度为1.2～1.8m/min，送丝速度为2.0～5.0m/min，保护气流量为15～25L/min，三角形扫描半径为1.0～1.2mm。
进一步的，所述步骤109对试板进行盖面层焊接具体为：盖面焊激光功率3.5～6.0kW，正离焦量为40～50mm，焊接速度为0.5～0.8m/min，送丝速度为2.0～4.0m/min，保护气流量为15～25L/min，三角形扫描半径为1.5～2.0mm。
本发明的优点为：
(1)发明的焊接工艺成功实现了316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接，焊接过程稳定可控，焊缝成形美观，且可有效的抑制焊缝中脆性相的生成，保证焊缝质量可靠。
(2)发明的焊接工艺采用的非对称窄间隙坡口、较小的焊接热输入量以及激光扫描熔池，能有效的抑制焊接缺陷的产生及控制焊接变形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实例的窄间隙坡口型式和焊道分布示意图；
图2为激光束扫描路径示意图；
图3为20mm厚度316LN和GH4169异种材料激光窄间隙焊接接头横截面形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法，该方法能够实现奥氏体不锈钢和高温合金异种材料厚板的可靠连接。
图1为本发明实施例316LN和GH4169异种材料厚板的非对称型激光窄间隙焊坡口型式，材料的厚度为T(单位：mm)，采用逐层(1～n层)填丝焊接的方式实现异种材料厚板的有效连接，具体示意图如图1所示。
本发明适用于10～30mm厚奥氏体不锈钢316LN和GH4169异种材料厚板的激光分层填丝焊接过程，采用的窄间隙坡口为非对称结构型式，且施焊过程中激光束偏置，或利用激光扫描方式控制热输入量以及焊接缺陷的产生；所述的窄间隙坡口范围为3～5mm。
进一步的，窄间隙坡口两边非对称设计，即两边钝边的宽度不同，且激光束偏置于奥氏体不锈钢一侧。
进一步的，采用振镜聚焦系统使激光束在坡口内摆动，结合激光束扫描路径对熔池的热输入量进行控制，所述的激光束扫描路径为圆形、矩形或三角形路径，防止气孔、侧壁未熔合以及焊缝和高温合金侧热裂纹焊接缺陷的产生。
进一步的，焊接坡口型式采用带钝边的窄间隙坡口，钝边的厚度为4.8～5.2mm，钝边台阶宽度316LN不锈钢侧为1～1.5mm，GH4169高温合金侧为0.5～1mm；打底焊激光功率4.5～10.0kW，正离焦量为4.0～6.0mm，焊接速度为0.8～1.5m/min，送丝速度为1.0～1.8m/min；填充焊激光功率3.5～6.5kW，正离焦量为20～35mm，焊接速度为1.2～1.8m/min，送丝速度为2.0～5.0m/min；盖面焊激光功率3.5～6.0kW，正离焦量为40～50mm，焊接速度为0.5～0.8m/min，送丝速度为2.0～4.0m/min。
进一步的，每道焊缝焊接完成后，利用角磨机磨掉该道焊缝的余高部分、使得该焊缝层焊接位置平整，并采用丙酮对焊接位置清洗干净，以便进行下一层的焊接
本发明实施例提供的316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法具体包括以下步骤。
步骤101：采用丙酮对316LN奥氏体不锈钢和GH4169高温合金对接面的坡口进行清洗并烘干，该去污处理需在焊接前15分钟至1小时内进行；
步骤102：焊丝为HGH4169，直径为1.2mm，焊前24小时之内采用化学清洗并烘干保存，在焊前1小时内安装于送丝机构；
步骤103：在焊接平台上进行试板窄间隙坡口组对，并利用夹具装夹固定；
步骤104：通过控制系统对焊接工艺参数进行设置，主要包括激光功率、焊接速度、激光束扫描半径等，其中扫描路径本实施例采用三角形扫描方式，如图2所示。
步骤105：对打底焊进行焊接，打底焊激光功率4.5～10.0kW，正离焦量为4.0～6.0mm，焊接速度为0.8～1.5m/min，送丝速度为1.0～1.8m/min，保护气流量为15～25L/min，背保护气流量为15～25L/min，三角形扫描半径为0.5～1.0mm；
步骤106：钝边层打底焊接完成之后，将焊缝表面打磨并用丙酮清洗窄间隙坡口内壁；
步骤107：对试板进行填充层焊接，填充焊激光功率3.5～6.5kW，正离焦量为20～35mm，焊接速度为1.2～1.8m/min，送丝速度为2.0～5.0m/min，保护气流量为15～25L/min，三角形扫描半径为1.0～1.2mm；
步骤108：填充层第一道焊接完成之后，将焊缝表面打磨并用丙酮清洗窄间隙坡口内壁；并继续采用填充层焊接工艺进行焊接，每层焊完结束后均对焊缝表面进行打磨并用丙酮清洗窄间隙坡口内壁，直至焊缝填充至距离试板表面1-2mm为止。
步骤109：对试板进行盖面层焊接，盖面焊激光功率3.5～6.0kW，正离焦量为40～50mm，焊接速度为0.5～0.8m/min，送丝速度为2.0～4.0m/min，保护气流量为15～25L/min，三角形扫描半径为1.5～2.0mm；
步骤110：焊接结束后，试板冷却至室温时从工装上取下焊接试板；
参见图3，焊后对焊缝端面进行金相观察，没有发现焊接缺陷存在。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法，其特征在于：适用于10～30mm厚316LN奥氏体不锈钢和GH4169高温合金异种材料厚板的激光分层填丝焊接过程，采用的窄间隙坡口为非对称结构型式，即两边钝边的宽度不同，且施焊过程中激光束偏置于奥氏体不锈钢一侧，利用激光扫描方式控制热输入量以及焊接缺陷的产生；采用振镜聚焦系统使激光束在坡口内摆动，结合激光束扫描路径对熔池的热输入量进行控制，所述的激光束扫描路径为三角形路径，防止气孔、侧壁未熔合以及焊缝和高温合金侧热裂纹焊接缺陷的产生；
焊接坡口型式采用带钝边的窄间隙坡口，钝边的厚度为5.2mm，钝边台阶宽度316LN不锈钢侧为1～1.5mm，GH4169高温合金侧为0.5～1mm；
打底焊激光功率4.5～10.0kW，正离焦量为6.0mm，焊接速度为1.5m/min，送丝速度为1.8m/min；填充焊激光功率6.5kW，正离焦量为20mm，焊接速度为1.8m/min，送丝速度为5.0m/min；盖面焊激光功率3.5kW，正离焦量为40mm，焊接速度为0.5m/min，送丝速度为2.0m/min。
2.根据权利要求1所述的一种316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法，其特征在于：
每道焊缝焊接完成后，利用角磨机磨掉该道焊缝的余高部分、使得该焊缝层焊接位置平整，并采用丙酮对焊接位置清洗干净，以便进行下一层的焊接。
3.一种316LN和GH4169异种材料厚板的激光窄间隙焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤101：采用丙酮对316LN奥氏体不锈钢和GH4169高温合金对接面的坡口进行清洗并烘干，该去污处理需在焊接前15分钟至1小时内进行；采用的窄间隙坡口为非对称结构型式，即两边钝边的宽度不同，且施焊过程中激光束偏置于奥氏体不锈钢一侧，焊接坡口型式采用带钝边的窄间隙坡口，钝边的厚度为4.8～5.2mm，钝边台阶宽度316LN不锈钢侧为1～1.5mm，GH4169高温合金侧为0.5～1mm；
步骤102：焊丝为HGH4169，直径为1.2mm，焊前24小时之内采用化学清洗并烘干保存，在焊前1小时内安装于送丝机构；
步骤103：在焊接平台上进行试板窄间隙坡口组对，并利用夹具装夹固定；
步骤104：通过控制系统对焊接工艺参数进行设置，包括激光功率、焊接速度、激光束扫描半径，其中扫描路径采用三角形扫描方式；
步骤105：对打底焊进行焊接；
步骤106：钝边层打底焊接完成之后，将焊缝表面打磨并用丙酮清洗窄间隙坡口内壁；
步骤107：对试板进行填充层焊接；
步骤108：填充层第一道焊接完成之后，将焊缝表面打磨并用丙酮清洗窄间隙坡口内壁；并继续采用填充层焊接工艺进行焊接，每层焊完结束后均对焊缝表面进行打磨并用丙酮清洗窄间隙坡口内壁，直至焊缝填充至距离试板表面1-2mm为止；
步骤109：对试板进行盖面层焊接；
步骤110：焊接结束后，试板冷却至室温时从工装上取下焊接试板；
所述步骤105：对打底焊进行焊接，具体包括：
打底焊激光功率4.5～10.0kW，正离焦量为6.0mm，焊接速度为1.5m/min，送丝速度为1.8m/min；
保护气流量为15～25L/min，背保护气流量为15～25L/min；
所述步骤107对试板进行填充层焊接具体包括：填充焊激光功率6.5kW，正离焦量为20mm，焊接速度为1.8m/min，送丝速度为5.0m/min，保护气流量为15～25L/min；
所述步骤109对试板进行盖面层焊接具体为：激光功率3.5kW，正离焦量为40mm，焊接速度为0.5m/min，送丝速度为2.0m/min，保护气流量为15～25L/min。
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