CN116689963B - 一种高强度钢管的激光焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高强度钢管的激光焊接工艺。该工艺包括以下步骤：加热清洗、预热、深熔焊接、保温和焊道挤压整平。首先，使用低功率激光对焊道位置进行加热清洗，将杂质燃烧清除，并喷出惰性保护气体进行清洁。接下来，通过预热和镍焊丝定位使钢管温度接近400℃。然后，利用激光头对焊道位置进行照射，形成匙孔，将镍焊丝部分填充到匙孔内，同时采用压力机对焊道两侧进行挤压，实现熔融状态下的结合。焊接后进行保温，避免焊道冷却过快引起冷裂现象。最后，利用耐高温硬质合金对焊道进行挤压整平，以获得平整的焊道表面。该工艺能够在不提升焊接功率的前提下实现高强度钢管的高效焊接，并提高焊接质量和强度。

Description

一种高强度钢管的激光焊接工艺

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及了一种高强度钢管的激光焊接工艺。

背景技术

激光焊接分为热传导焊和深熔焊两种方式，深熔焊的主要特征在于焊接过程中形成深熔池，即焊接区域的深度大于其宽度。在深熔焊中，高能激光束焦聚在工件表面，产生的高温使得材料迅速熔化并蒸发形成一个称为“匙孔”的小孔。激光能量主要通过这个匙孔进入材料内部，从而实现深入材料的焊接。热传导焊其与深熔焊的主要区别在于焊接过程中的热量主要通过热传导的方式进入材料内部，因此焊接区域的宽度一般大于其深度，形成浅熔池。在热传导焊中，激光束照射在工件表面，通过热传导使得材料熔化，形成浅熔池，实现工件的焊接。

深熔焊能产生深而窄的焊道，因为焊道窄，所以需要的热量较少，这可以减小热影响区，从而降低材料变形的风险，即相对于热传导焊，深熔焊能显著提升焊接的表面质量，此外，深熔焊速度快，生产效率高，并且由于焊道深，能提供较好的结构强度，要比热传导焊更加适用于高强度钢管的焊接。

但我们在对高强度钢管进行深熔焊的实际应用过程中，还遇到了以下几个难点：

一、孔洞缺陷，在深熔焊的过程中，激光束的高能量集中在材料的一个小区域，使其迅速加热到极高的温度。这种高温足以使材料熔化并进一步蒸发，形成"匙孔"。匙孔的形成是由于材料在极高温度下迅速蒸发，形成高压蒸汽。这种高压蒸汽就是深熔焊过程中产生的"蒸汽压"。这个过程有助于激光焊接的深熔效果，因为蒸汽压使得匙孔保持开放，允许更多的激光能量进入材料内部，实现更深的焊接。在实际应用过程中，为了追求焊接速度，一般是通过加大激光功率来实现的，然而，激光功率过高，会导致匙孔内部的蒸汽压过大，使得

蒸汽从匙孔迅速喷出，高压蒸汽冲击到焊道表面就会在焊道中形成孔洞缺陷，影响焊道的质量。

二、热应力与热裂纹：如果为了提高焊接速度，而将深熔焊的激光焊接功率设置的过高，会使得焊接过程中温度变化过于剧烈，短时间的巨大温度会在钢管中引发热应力，钢在经过快速加热和冷却后，会发生硬化，降低其韧性，且钢管本身就处于弯卷状态，如果热应力超过了钢材的韧性极限，就会在钢管表面形成热裂纹。

为了克服以上的难点，我们目前采用的做法是降低激光焊接的功率，来减小短时间内的温升，但这就严重影响了激光焊管的焊接速度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提出了一种高强度钢管的激光焊接工艺，可以在较低焊接功率的前提下，保证焊接质量的同时显著提升激光焊管的焊接速度。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高强度钢管的激光焊接工艺，包括有如下步骤：

一、加热清洗工序，使用低功率激光对高强度钢管的焊道位置进行加热清洗，将焊道位置材料面上的水渍、油污、金属粉末、杂质进行燃烧“清洗”，然后利用气枪喷出惰性保护气体将材料面吹干净；

二、预热工序，通过感应线圈对高强度钢管进行预热加工，使得整根高强度钢管的温度接近400℃；同时进行镍焊丝定位，在接近激光头的焊道位置上方准备镍焊丝，镍焊丝与焊道中心正对；

三、深熔焊接工序，激光头对准对焊道位置进行照射，使得焊道位置的高强度钢管发生熔融并在激光束焦点位置形成了匙孔，匙孔是一个由蒸汽压力维持的穴洞，镍焊丝在此过程中先于高强度钢管熔化并部分填充到匙孔内部，同时，焊道两侧采用压力机进行对向挤压，使得焊道两侧在熔融状态下结合在一起；

四、保温工序，在焊接后采用感应线圈对焊道进行二次升温，同时利用感应线圈提升高强度钢管其他位置的温度，避免快速的热传导导致焊道位置冷却速度过快，从而避免冷裂现象的发生；

五、焊道挤压整平工序，利用耐高温硬质合金在焊道的高温位置进行挤压，以在焊道未冷却的状态下挤压平整焊道表面。

作为本发明的改进，在步骤二中，感应线圈套设在加热芯棒上，所述加热芯棒伸入高强度钢管的内部，感应线圈的外径接近但小于所述高强度钢管的内径，感应线圈通过对高强度钢管进行预热加工，使得整根钢管的温度接近400℃。

作为本发明的进一步改进，所述感应线圈由多圈绕组螺旋缠绕在加热芯棒上制成，在所述感应线圈与所述高强度钢管的内壁之间形成有间距，在每一圈绕组之间均插接有一个由陶瓷制成的间隔器，所述间隔器两侧形成有能容纳绕组嵌入的凹槽，各圈绕组对应的间隔器通过连杆相连，在所述加热芯棒内部设置有冷却管。

作为本发明的进一步改进，在步骤二中，采用送料机构将镍焊丝送入所述焊道中，所述送料机构包括驱动轮和张紧轮，镍焊丝缠绕在所述驱动轮和张紧轮上，镍焊丝的自由端在重力作用下向焊道延伸，当镍焊丝伸入焊道时，感应线圈产生的电磁场能将所述镍焊丝向下吸引。

作为本发明的更进一步改进，所述高强度钢管在所述焊道的两侧加工形成有坡面段和竖直段，所述竖直段连接在所述坡面段的下方，所述坡面段的下方连接着竖直段，当焊道的两侧抵靠在一起时，焊道两侧的竖直段贴合在一起，焊道两侧的坡面段形成了V形槽，激光聚焦点位于所述V形槽的槽底。

作为本发明的具体技术方案，所述送料机构安装在激光头的侧部。

作为本发明的改进，所述送料机构配有感应线圈产生的电磁场反馈装置，所述的电磁场反馈装置包括一感应器和一个微处理器，感应器设于所述驱动轮和张紧轮之间，用于实时检测并获取镍焊丝在焊道中的位置信息和电磁场强度，所述微处理器用于接收感应器的信号并处理，根据处理结果调整驱动轮的转速，以确保镍焊丝在焊道中的准确位置和稳定供给。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过预热工序，预热后的高强度钢管在焊接过程中需要吸收的热量较少，因此焊接速度可以相应提高。同时，预热也有助于减小焊接过程中产生的应力和变形。因为预热可以使工件在焊接过程中的温度分布更均匀，从而减小温度梯度，降低由于热膨胀和收缩造成的应力和变形；另外，本发明的激光焊接工艺还包括加热清洗、预热、深熔焊接、保温和焊道挤压整平等步骤，可以有效降低焊接过程中瑕疵的产生，提高了焊接产品的整体质量。最后，本发明的激光焊接工艺利用感应线圈产生的电磁场反馈装置，能够实时调整驱动轮的转速，确保镍焊丝在焊道中的准确位置和稳定供给，从而稳定匙孔，减少孔洞缺陷，进一步保障了焊接质量。

附图说明

图1为本发明实施例中高强度钢管的高效高质量激光焊接机构的结构示意图；

图2为图1中激光头侧部的送料机构的结构示意图；

图3为感应线圈加热高强度钢管内壁的结构示意图；

图4为本发明实施例中高强度钢管的截面图。

附图标记：

1、高强度钢管；2、焊道；3、感应线圈；4、激光头；5、加热芯棒；6、驱动轮；7、张紧轮；8、竖直段；9、坡面段；10、V形槽；11、感应器；12、冷却管；13、挤压轮；14、电机；31、绕组；32、间隔器；33、凹槽；34、连杆；35、螺母。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本实施例中公开了一种高强度钢管1的高效高质量激光焊接工艺，包括有如下步骤：

一、加热清洗工序，使用低功率激光(小于1KW)对高强度钢管1的焊道2位置进行加热清洗，将焊道2位置材料面上的水渍、油污、金属粉末、杂质进行燃烧“清洗”，然后利用气枪喷出惰性保护气体将材料面吹干净；

二、预热工序，通过感应线圈3对高强度钢管1进行预热加工，使得整根钢管的温度达到400℃；同时进行镍焊丝定位，在低于激光头4的焊道2位置的上方准备镍焊丝，镍焊丝与焊道中心正对；

三、深熔焊接工序，激光头4对准对焊道2位置进行照射，使得焊道2位置的高强度钢管1发生熔融并在激光束焦点位置形成了匙孔，匙孔是一个由蒸汽压力维持的穴洞，镍焊丝在此过程中先于钢管熔化并部分填充到匙孔内部，同时，焊道2两侧采用压力机驱动挤压轮13进行对向挤压，使得焊道2两侧在熔融状态下结合在一起；

四、保温工序，如图1和图3所示，在焊接后采用感应线圈3对焊道2进行二次升温，同时利用感应线圈3提升高强度钢管1其他位置的温度，避免快速的热传导导致焊道位置冷却速度过快，从而避免冷裂现象的发生；

五、焊道挤压整平工序，利用耐高温硬质合金在焊道2的高温位置进行挤压，以在焊道2未冷却的状态下挤压平整焊道2表面。

在加热清洗工序中，我们的目标是去除高强度钢管1焊道位置的水渍、油污、金属粉末和杂质，而不是熔化钢材。因此，我们选择的激光加热温度既要有效地燃烧掉这些污染物，但又不会对钢管产生损伤。一般来说，水的沸点是100℃，而油和大部分有机物质的闪点通常在200℃至300℃之间。这意味着，如果我们把钢管加热到这个范围，就可以燃烧掉大部分污染物。但是，我们还需要考虑到金属粉末和其他杂质可能需要更高的温度才能被有效清除。因此，在本实施例中，加热清洗工序的温度优选设定在300℃至500℃之间。这样的温度可以有效地清除大部分污染物，同时又不会对钢管产生过大的热应力或损伤。

在预热工序中，采用感应线圈3对高强度钢管1进行加热，感应线圈3可以套设在高强度钢管1的外部，也可以穿设在高强度钢管1的内部，本实施例中优选地将感应线圈3设置在高强度钢管1的内部，将感应线圈3放置在高强度钢管1的内部相对于外部而言，能显著提升加热均匀性，因为感应加热是利用交流电通过感应线圈3产生的变化磁场来加热导电材料。在这个过程中，磁场会在导电材料内部产生涡电流，也称为感应电流。这些电流随着电阻产生热量，从而加热材料。当感应线圈3位于高强度钢管1的内部时，由于感应线圈3距离高强度钢管1的内壁更近，磁场强度在高强度钢管1的内壁会更强，从而产生的感应电流也更强，产生的热量也更多，可以更直接和均匀地向高强度钢管1的内壁传递热量。另一方面，感应加热的深度（热量可以渗透到材料内部的距离）通常由频率决定，低频导致更深的加热深度，高频导致更浅的加热深度。对于内部感应线圈3而言，由于其更靠近高强度钢管1的内壁，即使使用较高频率也可能实现较深的加热深度，因此有助于改善温度分布和均匀性。此外，设置在内部的感应线圈3可以减少热量向外部空气散发，减少能量损失。

不过，如何将感应线圈3放置到高强度钢管1内部是一大难点，本实施例中是预先将感应线圈3套设在加热芯棒5，加热芯棒5的直径要小于高强度钢管1的内径，使得加热芯棒5可以伸入高强度钢管1的内部，感应线圈3的外径接近但小于高强度钢管1的内径，感应线圈3通过对高强度钢管1进行预热加工，使得整根高强度钢管1的温度接近400℃。

预热的目的是减少焊接过程中的热应力和热裂现象。热应力是由于焊接过程中热量迅速输入和输出引起的，而热裂则是由于冷却速度过快导致的。预热可以使材料的整体温度提高，从而降低焊接区与未焊接区之间的温差，减少焊接过程中的热应力和冷却过快引起的热裂。具体预热温度的选择，需要考虑材料的熔点、韧性、化学成分等因素。钢的熔点通常在1500℃至1600℃之间，但是当温度达到钢的相变点（通常是在727℃左右，这是钢从面心立方结构转变为体心立方结构的临界温度）时，钢的微观结构会发生变化，影响其韧性。为了保持钢的良好韧性，避免在焊接过程中产生热裂，预热温度通常选择在相变点以下。感应线圈3为铜制线圈，铜的相变点为450-600℃，考虑到能量损耗，故在本实施例中优选400℃以下作为预热温度。这个温度既可以提高焊接速度，降低热应力，又不会使钢的微观结构发生太大变化，保持了钢的良好韧性，同时还能确保感应线圈3不会过热。

因为感应线圈3一般使用铜管，如果不进行冷却的话，那么本实施例需要的预热温度可能会导致铜管在400°C或更高的温度下被氧化并损坏。现有技术中的感应线圈一般是通过水冷或者风冷的方式进行冷却，为防止感应线圈3过热，需要将水或空气通过铜管内部进行冷却，这会导致加热材料的环境温度大幅下降，从而需要提供更多的电流以补偿温度下降。另外，本实施例设想的是将感应线圈3内置到高强度钢管1的内部进行加热，这使得感应线圈3的尺寸会小于外置式的感应线圈，相对的，水冷结构的尺寸也会更小，会大幅降低冷却效果。故在本实施例中，对感应线圈3的结构进行了针对性改进，使其不再需要设置冷却结构。具体来说，如图3所示，感应线圈3由多圈绕组31螺旋缠绕在加热芯棒5上制成，在感应线圈3与高强度钢管1的内壁之间形成有间距，在每一圈绕组31之间均插接有一个由陶瓷制成的间隔器32，间隔器32两侧形成有能容纳绕组31嵌入的凹槽33，各圈绕组31对应的间隔器32通过连杆34相连，每一个间隔器32的尺寸均一致，这可以确保每一圈绕组31之间的间距相等，有利于实现均匀加热，另外，间隔器32距离高强度钢管1内壁的距离要显著近于绕组31与高强度钢管1内壁之间的距离，可以通过间隔器的导热性能帮助改善被加热的高强度钢管1各位置的温度均匀性。

间隔器32抵靠在加热芯棒5上，可以将热量传导至加热芯棒5上，在加热芯棒5内部设置有冷却管12，为了使得间隔器32能保持固定位置，各个间隔器32贴靠设置，在各个间隔器32上还形成有通孔，各个间隔器32上的通孔孔径一致且同心正对，在通孔中插接有连杆34，连杆34的两端向外凸出延伸且形成有外螺纹，可以通过拧入螺母35压紧间隔器32。

在预热工序中，还需要对镍焊丝进行定位，可以在激光头4的侧部安装送料机构，如图2所示，送料机构包括驱动轮6和张紧轮7，驱动轮6由电机14驱动，镍焊丝从料筒中伸出后同时缠绕在驱动轮6和张紧轮7上，然后镍焊丝的自由端从驱动轮6伸出后在自身重力作用下向焊道2垂下，为了对镍焊丝进行引导，镍焊丝的直径要显著小于焊道2的宽度，如图4所示，焊道2的两侧加工形成有竖直段8和坡面段9，竖直段8连接在坡面段9的下方，当焊道2的两侧抵靠在一起时，焊道2两侧的竖直段8贴合在一起，焊道2两侧的坡面段9形成了V形槽10，镍焊丝能沿着V形槽10向下滚动至槽底，激光聚焦点位于V形槽10的槽底，即匙孔形成在V形槽的槽底。但V形槽10的槽壁与镍焊丝也存在着摩擦，镍焊丝仅在自身重力下并不一定能保证滚落到V形槽10的槽底，为了进一步确保对镍焊丝的精确定位，以提高焊接质量，可以利用感应线圈3形成的电磁场向下吸引镍焊丝，因为镍焊丝是一种导磁材料。在送料机构上配有与感应线圈3适配的电磁场反馈装置，电磁场反馈装置包括一感应器11和一个微处理器，感应器11设于驱动轮6和张紧轮7之间，用于实时检测并获取镍焊丝在焊道2中的位置信息和电磁场强度，微处理器用于接收感应器11的信号并处理，根据处理结果发送指令给电机来调整驱动轮6的转速，以确保镍焊丝在焊道2中的准确位置和稳定供给。

举例来说，假设我们已经设置了一个感应器11来监测焊接过程中镍焊丝的位置和电磁场强度的变化。首先，我们需要校准感应器11，以便知道在没有镍焊丝存在时电磁场的基线强度。假设这个基线强度是100单位。现在，当镍焊丝被送入焊道2时，感应器11开始检测到电磁场强度的变化。假设当镍焊丝完全进入焊道2时，感应器11检测到的电磁场强度为120单位。这意味着电磁场强度增加了20%，这个变化可以被感应器11检测到，并发送给微处理器。微处理器收到这个信息后，会比较当前的电磁场强度和基线强度，然后计算出镍焊丝的位置。如果微处理器判定镍焊丝已经完全进入焊道2，那么微处理器会根据这个信息调整驱动轮6的转速，以保持镍焊丝的稳定供给。如果检测到的电磁场强度在100-120之间，则意味着没有完全到位，则需要加快驱动轮6的转速将镍焊丝更快地输入焊道2中。

之所以要添加镍焊丝作为焊接填料，是为了消除孔洞缺陷。这里先解释两个概念：熔池是指在激光焊接过程中，激光束照射在基材表面，使基材局部区域升温至熔化状态，形成的熔融金属池。匙孔则是在熔池中形成的高温蒸汽区，位于熔池的底部，并随着激光束的移动而移动，匙孔的存在和稳定性对焊接质量有着重要影响。一方面，匙孔的存在使得激光能量能够更深入地传入材料中，实现深熔焊接。另一方面，如果匙孔的稳定性差，比如过度膨胀或者崩溃，都可能导致熔池内的金属液出现剧烈的流动，进而形成孔洞、裂纹等焊接缺陷。

钢的熔点温度在1500℃左右，而镍的熔点温度在1450℃左右，这意味着焊道2中的镍会先于钢熔化，这样，镍焊丝在熔化后会先行填充到匙孔中，有助于稳定匙孔，防止其过度膨胀或崩溃。其次，镍焊丝的熔化产生了额外的熔融金属，使得熔池内的金属总质量增加，可以使熔池更稳定，减少熔池内部的压力波动和流动，另外，熔化后的液态镍可以快速填补熔池中可能出现的空洞，从而减少孔洞和其他缺陷的形成。

在焊接之后会进行保温工序，在保温工序中也是采用感应线圈3对焊道2进行二次升温，同时利用感应线圈3提升高强度钢管1其他位置的温度，避免快速的热传导导致焊道2位置冷却速度过快，从而避免冷裂现象的发生。

最后的焊道2挤压整平工序，是利用耐高温硬质合金在焊道2的高温位置进行挤压，以在焊道2未冷却的状态下挤压平整焊道2表面，提升焊接表面质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高强度钢管的激光焊接工艺，其特征在于：包括有如下步骤：

一、加热清洗工序，使用低功率激光对高强度钢管的焊道位置进行加热清洗，将焊道位置材料面上的水渍、油污、金属粉末、杂质进行燃烧“清洗”，然后利用气枪喷出惰性保护气体将材料面吹干净；

二、预热工序，通过感应线圈对高强度钢管进行预热加工，使得整根高强度钢管的温度接近400℃；同时进行镍焊丝定位，在接近激光头的焊道位置上方准备镍焊丝，镍焊丝与焊道中心正对；

三、深熔焊接工序，激光头对准焊道位置进行照射，使得焊道位置的高强度钢管发生熔融并在激光束焦点位置形成了匙孔，匙孔是一个由蒸汽压力维持的穴洞，镍焊丝在此过程中先于高强度钢管熔化并部分填充到匙孔内部，同时，焊道两侧采用压力机进行对向挤压，使得焊道两侧在熔融状态下结合在一起；

四、保温工序，在焊接后采用感应线圈对焊道进行二次升温，同时利用感应线圈提升高强度钢管其他位置的温度，避免快速的热传导导致焊道位置冷却速度过快，从而避免冷裂现象的发生；

五、焊道挤压整平工序，利用耐高温硬质合金在焊道的高温位置进行挤压，以在焊道未冷却的状态下挤压平整焊道表面；在步骤二中，感应线圈套设在加热芯棒上，所述加热芯棒伸入高强度钢管的内部，感应线圈的外径接近但小于所述高强度钢管的内径，感应线圈通过对高强度钢管进行预热加工，使得整根钢管的温度接近400℃；

所述感应线圈由多圈绕组螺旋缠绕在加热芯棒上制成，在所述感应线圈与所述高强度钢管的内壁之间形成有间距，在每一圈绕组之间均插接有一个由陶瓷制成的间隔器，所述间隔器两侧形成有能容纳绕组嵌入的凹槽，各圈绕组对应的间隔器通过连杆相连，在所述加热芯棒内部设置有冷却管；

在步骤二中，采用送料机构将镍焊丝送入所述焊道中，所述送料机构包括驱动轮和张紧轮，镍焊丝缠绕在所述驱动轮和张紧轮上，镍焊丝的自由端在重力作用下向焊道延伸，当镍焊丝伸入焊道时，感应线圈产生的电磁场能将所述镍焊丝向下吸引；

所述送料机构配有感应线圈产生的电磁场反馈装置，所述的电磁场反馈装置包括一感应器和一个微处理器，感应器设于所述驱动轮和张紧轮之间，用于实时检测并获取镍焊丝在焊道中的位置信息和电磁场强度，所述微处理器用于接收感应器的信号并处理，根据处理结果调整驱动轮的转速，以确保镍焊丝在焊道中的准确位置和稳定供给。

2.根据权利要求1所述的高强度钢管的激光焊接工艺，其特征在于：所述高强度钢管在所述焊道的两侧加工形成有坡面段和竖直段，所述竖直段连接在所述坡面段的下方，当焊道的两侧抵靠在一起时，焊道两侧的竖直段贴合在一起，焊道两侧的坡面段形成了V形槽，激光聚焦点位于所述V形槽的槽底。

3.根据权利要求2所述的高强度钢管的激光焊接工艺，其特征在于：所述送料机构安装在激光头的侧部。