CN114178698B - 一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法，包括以下步骤:步骤一：确定焊接坡口尺寸，并对焊接坡口进行冷加工和清洁，将填丝材料放入干燥箱烘干，并存储于保温箱中备用；步骤二：将9Ni薄板整体放入焊接试验机并固定，采用高纯氩气作保护气体；打底焊道焊接时不填丝，使激光以深熔焊模式进行焊接，在进行填充、盖面焊道的焊接时填丝，使激光以热导焊模式进行焊接；激光功率大小与焊接速度大小的比值取5～8，送丝速度大小与激光功率大小的比值为0.5～0.8；步骤三：每焊完一道焊缝，使用钢刷对坡口侧壁及焊道表面的焊渣进行清理，直到焊接完成，实现9Ni钢焊接效率高、焊接质量好、生产成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法。
背景技术
9Ni钢是LNG等低温储罐的主要原材料，低温储罐制造生产中9Ni钢焊接方法通常有手工电弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)、钨极氩弧焊(TIG)、熔化极惰性气体保护电弧焊(MIG)等，且以SMAW和SAW为主。
一方面，这些传统的弧焊方法，焊接坡口尺寸较大，随着低温储罐尺寸及其所用9Ni钢板厚度的增加，焊接道次、焊材消耗量增加，导致焊接成本明显提高；
另一方面，由于这些传统的弧焊方法本身的热源特性，其焊接接头热影响区宽度、焊接残余应力、焊接变形均较大。此外，由于9Ni钢本身易被磁化的特性，在弧焊过程中容易产生磁偏吹现象，严重影响了焊接过程的稳定性，从而严重影响焊接质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法，利用高能量密度的激光作为主要热源，减少焊接热影响区宽度和焊接变形，并通过往焊接坡口填入镍基成分的焊丝，获得高镍成分的焊缝，以保证焊缝韧性；由于焊接坡口侧壁金属依靠激光能量熔化，焊丝以填丝形式伸入焊接熔池，并不以电弧形式进行焊接，因此不受钢板剩磁影响，不会引起磁偏吹；此外，通过优化焊接坡口设计，减少焊丝消耗，提高焊接生产效率，大幅度降低生产成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法，包括以下步骤:
步骤一：焊前准备：确定焊接坡口尺寸，并对焊接坡口进行冷加工和清洁，将填丝材料放入干燥箱烘干，并存储于保温箱中备用；
步骤二：焊接：将9Ni薄板整体放入焊接试验机并固定，采用纯氩气作保护气体；
打底焊道焊接时不填丝，采用-5～5mm的离焦量,使激光以深熔焊模式进行焊接，充分熔透坡口钝边，激光功率与焊接速度的比值取1.5～3；
在进行填充、盖面焊道的焊接时填丝，采用+15～+25mm的离焦量,使激光以热导焊模式进行焊接，以增加焊接过程中熔池流动的稳定性，保证焊接坡口的侧壁熔合；
根据板厚和激光器的最大输出功率选择激光功率，激光功率大小与焊接速度大小的比值取5～8，送丝速度大小与激光功率大小的比值为0.5～0.8；
步骤三：每焊完一道焊缝，使用钢刷对坡口侧壁及焊道表面的焊渣进行清理，直到焊接完成。
作为本发明进一步的方案：所述纯氩气采用后置侧吹的方式，且气体流量20～30L/min。
作为本发明进一步的方案：所述填丝材料采用镍基成分体系的实心焊丝。
作为本发明进一步的方案：步骤二的焊接过程中，控制道间、层间温度在150℃以内。
作为本发明进一步的方案：步骤一中，焊接坡口的角度α为0.5～8°，坡口钝边的尺寸P为0～5mm。
作为本发明进一步的方案：在焊接坡口上开设一个阶梯状坡口，阶梯状坡口的角度为β，0≤β≤α，所述阶梯状坡口的高度b取4～10mm,阶梯状坡口的底部扩展宽度c取1～2mm。
作为本发明进一步的方案：所述9Ni钢的背面能够使用焊接衬垫。
作为本发明进一步的方案：激光作用于母材形成熔池，使焊丝送入熔池后依靠熔池热量而熔化。
作为本发明进一步的方案：以焊丝在前激光在后为正，激光在前焊丝在后为负，光丝间距为0.5～3mm。
作为本发明进一步的方案：坡口清洁通过丙酮试剂进行擦拭。
作为本发明进一步的方案：所述高纯氩气的浓度为99.99％。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用高能量密度的激光作为主要热源，减少焊接热影响区宽度和焊接变形，并通过往焊接坡口填入镍基成分的焊丝，获得高镍成分的焊缝，以保证焊缝韧性；由于焊接坡口侧壁金属依靠激光能量熔化，焊丝以填丝形式伸入焊接熔池，并不以电弧形式进行焊接，因此不受钢板剩磁影响，不会引起磁偏吹；
(2)本发明通过优化坡口设计，采用8°以下的坡口角度，从而获得较窄的焊接接头间隙，坡口间隙减小，降低了焊材消耗量，提高了焊接效率，即保证了优质的焊接接头、较高的焊接效率和较低的焊丝填充量；其中，对于薄厚较大的钢板，增加阶梯坡口，且阶梯坡口角度存在β≤α。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明窄间隙激光填丝焊接坡口示意图；
图2是本发明阶梯状坡口的示意图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明为一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法，包括以下步骤:
步骤一：焊前准备：确定焊接坡口尺寸，并对焊接坡口进行加工和清洁，将填丝材料放入干燥箱烘干，并存储于保温箱中备用；
其中，采用冷加工方式焊接坡口，并对焊接坡口进行机械打磨以去除加工痕迹，用丙酮试剂擦拭对接表面及坡口侧壁，保证待焊区域的清洁，以防止表面油污对焊缝金属带来污染，影响焊接质量；
采用镍基成分体系并严格控制S、P含量的实心焊丝作为填丝材料，能够降低焊缝开裂倾向，焊丝干燥能够防止因水分随焊丝加入焊缝而增加焊缝氢含量，产生气孔；
步骤二：焊接：将9Ni薄板整体放入焊接试验机并固定，采用纯氩气作保护气体；
打底焊道焊接时不填丝，采用-5～5mm的离焦量,使激光以深熔焊模式进行焊接，充分熔透坡口钝边，激光功率与焊接速度的比值取1.5～3，其中焊接速度的单位为m/min，激光功率的单位为kW；
在进行填充、盖面焊道的焊接时填丝，采用15-25mm的离焦量,使激光以热导焊模式进行焊接，以增加焊接过程中熔池流动的稳定性，保证焊接坡口的侧壁熔合；
根据板厚和激光器的最大输出功率选择激光功率，激光功率大小与焊接速度大小的比值取5～8，送丝速度大小与激光功率大小的比值为0.5～0.8，其中焊接速度和送丝速度的单位为m/min，激光功率的单位为kW；
其中，光丝间距取0.5～3mm，能够保证激光能几乎全部作用于母材形成熔池，激光不直接照射焊丝，焊丝送入熔池后依靠熔池热量而熔化；
步骤三：每焊完一道焊缝，使用钢刷对坡口侧壁及焊道表面的焊渣进行清理，直到焊接完成，以免焊接接头出现夹渣和未熔合等缺陷。
步骤二中，纯氩气采用后置侧吹的方式，保持气体流量20～30L/min，能够抑制等离子体和保护焊接熔池
步骤一中，实心焊丝选择镍基成分体系是因为采用镍基焊材可以获得与母材热膨胀系数相近的焊缝，在严格控制S、P含量，可以大幅度降低焊缝热裂纹倾向；此外，焊缝中较高的镍含量，可以降低马氏体的转变温度，在较低的温度范围内，冷却速度慢，镍含量高的焊缝中形成的马氏体更容易发生自回火，焊后冷却周期内形成的回火马氏体和残余奥氏体提高了接头的低温韧性；选择实心焊丝是因为与药芯焊丝相比，实心焊丝焊道几乎没有渣壳，易于焊道清理，且焊接过程更加稳定，飞溅相对较小；
焊丝化学成分如下(wt％)：C0.01-0.02、Si0.02-0.04、Mn0.02-0.05、P≤0.002、S≤0.001、Ni68-72、Cr1.5-2.5、Mo18-21、W2.5-4、Fe5-7。
步骤二的焊接过程中，控制道间、层间温度在150℃以内，以避免层间温度过高、冷却速度减慢，焊接接头组织粗大而降低低温韧性，焊后自然冷却，无需进行焊后热处理。
步骤一中，在坡口设计上，考虑到激光焊高能量密度、可产生大熔深的特点，采用8°以下的坡口角度，从而能够获得较窄的焊接接头间隙，参见图1，由于坡口间隙大大减小，降低了焊材消耗量，提高了焊接效率；
其中，坡口角度α的大小由板厚决定，保证优质的焊接接头、较高的焊接效率和较低的焊丝填充量，因此α取0.5～8°；
其中p为坡口钝边尺寸，由板厚、激光功率和是否加焊接衬垫决定，应保证焊透，且不焊漏，若钢板背面使用焊接衬垫，可保证单面焊双面成形，钝边可尽可能小，p取0～5mm；
对于板厚较大的9Ni钢的焊接，为了降低气孔和未熔合等缺陷，保证焊接质量，可以在小角度坡口上方增加一个阶梯状坡口，参阅图2，阶梯状坡口的角度为β，为了保证较小的坡口截面积，从而尽可能减小焊丝用量，取0≤β≤α；b为阶梯状坡口的高度，取4～10mm，c为阶梯状坡口的底部扩展宽度，b、c均由板厚决定，c取1～2mm，二者的确定原则是保证良好的侧壁熔合，无气孔和夹渣等缺陷；
其中，a为板材厚度。
步骤二中，在焊接参数上，在获得优质焊接接头的前提下，尽量采用较大的激光功率和焊接速度，以提高焊接生产效率，降低生产成本；
激光功率由激光器的最大输出功率决定，激光功率与焊接速度、送丝速度共同决定焊接质量和焊缝成形；
D1：激光功率与焊接速度的比值过大，则会导致焊接热影响区过热、产生粗大组织而导致韧性显著下降；
D2：激光功率与焊接速度的比值过小，则热输入不足，焊缝冷却速度过快，产生过多硬脆组织，且焊缝质量、焊缝成形差；
D3：在进行填丝焊时，送丝速度过大，则焊丝带走过多激光热量，坡口侧壁熔合不良，出现未熔合、夹渣、气孔等缺陷；
D4：送丝速度过小，激光热量除小部分用于熔化焊丝外，大部分用于熔化坡口两侧的母材，导致熔深过大甚至焊穿，此外，过多熔化母材，会导致熔合比过大，焊接接头韧性因焊材被过度稀释而达不到使用要求。
步骤二中，离焦量大小决定激光焊接模式，采用零离焦和负离焦时，激光焊接为深熔焊模式，深熔焊能够充分熔透坡口底部；
采用正离焦时，激光焊接为热导焊模式，热导焊模式能够增加焊接过程中熔池流动的稳定性，保证焊接坡口的侧壁熔合。
步骤二中，进行填丝焊时，在焊接平面上，焊丝尖端与激光光斑中心的距离，称为光丝间距，焊接过程中，应避免激光直接照射焊丝，因为焊丝被熔化后形成的熔滴，在滴落到坡口底部的过程中容易形成飞溅，会造成焊丝金属损失，且熔滴在滴落过程会散失热量，增加未熔合几率；此外，熔滴容易挂在坡口侧壁，无法顺利落入坡口底部，影响焊接质量；为了保证激光几乎全部作用于母材形成熔池，激光不直接照射焊丝，焊丝送入熔池后依靠熔池热量而熔化；在焊接方向上，若规定以焊丝在前激光在后为正、激光在前焊丝在后为负。
实施例1
采用10kW固体激光焊接8mm厚的9Ni钢板，坡口角度α取6°，钝边p取1mm；不开阶梯状坡口；焊接坡口背面采用陶瓷衬垫，以防焊漏并保证良好的单面焊双面成形，焊材化学成分如下(wt％)：C0.01-0.02、Si0.02-0.04、Mn0.02-0.05、P≤0.002、S≤0.001、Ni68-72、Cr1.5-2.5、Mo18-21、W2.5-4、Fe 5-7；
焊前点焊钢板两端，防止焊接过程中因热收缩导致错边、翘曲等影响坡口间隙，从而保证坡口尺寸始终保持一致；
焊满坡口需要2层，即1层打底焊道+1层盖面焊道，打底焊道焊接参数如下：不填丝(即送丝速度为0，光丝间距不限)，激光功率4kW，焊接速度2.5m/min，离焦量0mm；盖面焊道焊接参数如下：激光功率4kW，焊接速度0.8m/min，送丝速度3m/min，光丝间距3mm，离焦量+20mm。
焊接过程中，每焊完一道都对坡口内部进行清理后方可进行下一道焊接，以减少焊缝夹渣；并严格控制层间温度在150℃以内。
上述方法可以获得平整的焊接接头，焊缝无裂纹、气孔、未熔合等缺陷，力学性能良好；焊缝金属的室温抗拉强度大于650MPa，屈服强度大于446MPa；-196℃试验温度下焊接接头的焊缝金属、熔合线及热影响区的V形缺口冲击试验的冲击功均大于67J；4a冷弯试验合格。
实施例2
采用10kW固体激光焊接14mm厚的9Ni钢板，坡口角度α取6°，钝边p取2mm；开1个阶梯状坡口，阶梯坡口角度β取4°，阶梯状坡口的高度b取6mm，阶梯状坡口的底部扩展宽度c取0.5mm；焊接坡口背面采用陶瓷衬垫,以防焊漏并保证良好的单面焊双面成形，焊材化学成分如下(wt％)：C0.01-0.02、Si0.02-0.04、Mn0.02-0.05、P≤0.002，S≤0.001，Ni68-72、Cr1.5-2.5、Mo18-21、W2.5-4、Fe5-7；
焊前点焊钢板两端，防止焊接过程中因热收缩导致错边、翘曲等影响坡口间隙，从而保证坡口尺寸始终保持一致；
焊满坡口需要4层，即1层打底焊道+2层填充焊道+1层盖面焊道。打底焊道焊接参数如下：不填丝(即送丝速度为0，光丝间距不限)，激光功率6kW，焊接速度3.5m/min，离焦量-2mm；填充、盖面焊道焊接参数如下：激光功率6kW，焊接速度1.2m/min，送丝速度3m/min，光丝间距3mm，离焦量+22mm；
焊接过程中，每焊完一道都对坡口内部进行清理后再进行下一道焊接，以减少焊渣作为夹杂进入焊缝；并严格控制层间温度在150℃以内。
上述方法可以获得平整的焊接接头，焊缝无裂纹、气孔、未熔合等缺陷，力学性能良好；焊缝金属的室温抗拉强度大于642MPa，屈服强度大于428MPa；-196℃试验温度下焊接接头上表面以下2mm、中间厚度位置、下表面以上2mm的焊缝金属、熔合线及热影响区的V形缺口冲击试验的冲击功均大于67J；4a冷弯试验合格。
实施例3
采用10kW固体激光焊接23mm厚的9Ni钢板，坡口角度α取6°，钝边p取4mm，焊接坡口背面采用无需采用陶瓷衬垫；开2个阶梯状坡口，阶梯坡口角度β从下往上依次取4°、3°，2个阶梯状坡口的高度均取6mm，阶梯状坡口的底部扩展宽度均取1mm，焊材化学成分如下(wt％)：C0.01-0.02，Si0.02-0.04，Mn0.02-0.05，P≤0.002，S≤0.001，Ni68-72，Cr1.5-2.5，Mo18-21，W2.5-4，Fe5-7；
焊前点焊钢板两端，防止焊接过程中因热收缩导致错边、翘曲等影响坡口间隙，从而保证坡口尺寸始终保持一致。
焊满坡口需要7层，即1层打底焊道+5层填充焊道+1层盖面焊道。打底焊道焊接参数如下：不填丝(即送丝速度为0，光丝间距不限)，激光功率8kW，焊接速度4.5m/min，离焦量-3mm；填充、盖面焊道焊接参数如下：激光功率8kW，焊接速度1.5m/min，送丝速度4.2m/min，光丝间距3mm，离焦量+25mm；
焊接过程中，每焊完一道都对坡口内部进行清理后再进行下一道焊接，以减少焊渣作为夹杂进入焊缝；并严格控制层间温度在150℃以内。上述方法可以获得平整的焊接接头，焊缝无裂纹、气孔、未熔合等缺陷，力学性能良好；焊缝金属的室温抗拉强度大于625MPa，屈服强度大于430MPa；-196℃试验温度下焊接接头上表面以下2mm、中间厚度位置、下表面以上2mm的焊缝金属、熔合线及热影响区的V形缺口冲击试验的冲击功均大于67J；4a冷弯试验合格。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一：焊前准备：确定焊接坡口尺寸，并对焊接坡口进行冷加工和清洁，将填丝材料放入干燥箱烘干，并存储于保温箱中备用；
步骤二：焊接：将9Ni薄板整体放入焊接试验机并固定，采用高纯氩气作保护气体；
打底焊道焊接时不填丝，采用-5～5mm的离焦量,使激光以深熔焊模式进行焊接，充分熔透坡口钝边，激光功率与焊接速度的比值取1.5～3，其中焊接速度的单位为m/min，激光功率的单位为kW；
在进行填充、盖面焊道的焊接时填丝，采用+15～+25mm的离焦量,使激光以热导焊模式进行焊接，以增加焊接过程中熔池流动的稳定性，保证焊接坡口的侧壁熔合；
根据板厚和激光器的最大输出功率选择激光功率，激光功率大小与焊接速度大小的比值取5～8，送丝速度大小与激光功率大小的比值为0.5～0.8，其中焊接速度和送丝速度的单位为m/min，激光功率的单位为kW；
步骤三：每焊完一道焊缝，使用钢刷对坡口侧壁及焊道表面的焊渣进行清理，直到焊接完成。
2.根据权利要求1所述的一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法,其特征在于，所述高纯氩气采用后置侧吹的方式，且气体流量20～30L/min。
3.根据权利要求1所述的一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法,其特征在于，所述填丝材料采用镍基成分体系的实心焊丝。
4.根据权利要求1所述的一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法,其特征在于，步骤二的焊接过程中，控制道间、层间温度在150℃以内。
5.根据权利要求1所述的一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法,其特征在于，步骤一中，焊接坡口的角度α为0.5～8°，坡口钝边的尺寸P为0～5mm。
6.根据权利要求5所述的一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法,其特征在于，在焊接坡口上开设一个阶梯状坡口，阶梯状坡口的角度为β，0≤β≤α，所述阶梯状坡口的高度b取4～10mm,阶梯状坡口的底部扩展宽度c取1～2mm。
7.根据权利要求6所述的一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法,其特征在于，所述9Ni钢的背面能够使用焊接衬垫。
8.根据权利要求1所述的一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法,其特征在于，步骤二中，激光作用于母材形成熔池，使焊丝送入熔池后依靠熔池热量而熔化。
9.根据权利要求8所述的一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法,其特征在于，在焊接方向上，以焊丝在前激光在后为正，激光在前焊丝在后为负，光丝间距为0.5～3mm。
10.根据权利要求1所述的一种9Ni钢窄间隙激光填丝焊接方法,其特征在于，步骤一中，坡口清洁通过丙酮试剂进行擦拭。
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