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CN105081574A - 一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法 - Google Patents

一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法 Download PDF

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Abstract

一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法，属于激光焊接技术领域。该方法采用分层脉冲激光控制激光能量，在每一个激光周期内实现预热-焊接-焊后后热，预热激光起到降低焊接温度梯度的作用，焊接激光实现焊缝金属的连接，焊后后热激光起到降低焊后焊缝金属冷却速率的作用。通过调整分层激光功率和脉宽控制分层激光能量来控制预热温度及范围、焊接热输入量和焊后后热能量，结合脉冲频率的控制来调整焊接温度梯度和焊后冷却速度，达到降低殷瓦钢激光焊的焊接应力的目的，以解决殷瓦钢焊接热裂纹的问题。通过该方法可以大幅提高焊接速度并降低殷瓦钢的焊接热裂纹倾向。焊接速度可以达到500-800mm/min，焊后焊缝金属的冷却速率降低了50-80℃/s。

Description

一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法
技术领域
本发明涉及一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法，属于激光焊接技术领域。
背景技术
殷瓦钢（Invar钢，也称殷钢）是FeNi36合金，其常温线膨胀系数低于1.6×10-6k-1，约为低碳钢的十分之一，而且在较大的温度范围内变化很小，因此广泛用于精密测量装置、电子工业以及液化天然气船。随着天然气在能源领域中的地位越来越重要，长途运输天然气的液化天然气船作为一种高难度、高附加值的船型得到了迅速的发展，而由殷瓦钢薄膜焊接而成的液货舱绝缘系统屏蔽层是建造难度最大的部分。
殷瓦钢是单相奥氏体组织，热裂敏感性高，其焊接热裂纹问题严重影响了焊接质量和生产效率。殷瓦钢焊接时容易形成热裂纹和再热裂纹，对于焊接热输入量和焊接工艺都有严格的要求，即使采用热量相对集中、热输入量较小的钨极氩弧焊（TIG焊）时热裂问题仍没有很好的解决，对于焊接工艺和焊接操作者的水平要求十分严格，生产效率和自动化程度低。
焊接热裂纹是指焊接时在高温下产生的裂纹，特征是沿原奥氏体晶界开裂，焊接热裂倾向主要取决于焊缝金属处于液—固相共存脆性温度区间时的塑性和应力。因此，为了降低热裂倾向、解决殷瓦钢的焊接热裂纹问题从而提高生产效率，目前主要有两种方法，一种是改善焊缝金属的塑性，另一种是降低焊接应力。
（1）加入填充材料，防止在殷瓦钢奥氏体晶界处形成S、P的低熔共晶产物导致晶界脆化，以提高材料的塑性降低焊接热裂倾向。加入Mn、Ti、Ca、Nb和C等元素能够降低殷瓦钢的焊接热裂倾向，但是加入的填充材料会使得焊缝处的线膨胀系数增大，破坏殷瓦钢的低膨胀性能，影响焊接接头的低温力学性能和应用价值；
（2）降低焊接应力。严格控制焊接工艺参数，降低焊接热输入量，采用固相连接方法或热量高度集中的高能束焊接方法。采用搅拌摩擦焊方法虽然能够实现殷瓦钢的焊接，但是该方法用于厚度仅0.7mm的殷瓦钢薄膜的连接较为困难，焊接变形等问题使其应用受到了限制。由于激光是高能束热源，采用激光焊接殷瓦钢与采用钨极氩弧焊方法相比焊接热输入量明显降低，能够获得无裂纹的焊接接头，但是焊接速度过慢。
为了提高焊接速度而提高焊接功率时，由于激光焊接能量高度集中（深宽比可达15:1），因此焊缝与周围金属材料之间的温度梯度急剧增大，焊后焊缝金属冷却速度很快，导致焊接应力的问题更为突出，容易形成焊接热裂纹，严重制约了焊接速度的提高。
由上述分析可知，为了不影响殷瓦钢的低膨胀性能，不能采用加入合金元素改善塑性的方法，只能采用降低焊接应力的方法来降低殷瓦钢的焊接热裂倾向。降低焊接热输入量采用高能束焊接方法是殷瓦钢高速高质量焊接的发展方向，但是受到高能束焊接方法焊接温度梯度高、焊后焊缝金属冷却速度快的限制，焊接速度和生产效率难以大幅提高。降低激光焊接时的温度梯度和焊后冷却速率是解决这一问题的关键，尤其是焊后冷却过程中焊缝金属处于液—固相共存的脆性温度区间时的温度梯度和冷却速率。为了解决这一问题，提出一种分层脉冲激光焊接殷瓦钢的方法，在脉冲激光的每个周期内实现激光能量的分层控制，在一个激光周期内实现预热-焊接-焊后后热，预热激光起到降低焊接温度梯度的作用，焊接激光实现焊缝金属的连接，焊后后热激光起到降低焊后焊缝金属冷却速率的作用，从而降低殷瓦钢的焊接热裂倾向。
发明内容
本发明是提供一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法。在激光的每个周期内采用分层脉冲激光控制激光能量，在每一个激光周期内实现预热-焊接-焊后后热，预热激光起到降低焊接温度梯度的作用，焊接激光实现焊缝金属的连接，焊后后热激光起到降低焊后焊缝金属冷却速率的作用。通过调整分层激光功率和脉宽控制分层激光能量来控制预热温度及范围、焊接热输入量和焊后后热能量，结合脉冲频率的控制来调整焊接温度梯度和焊后冷却速度，达到降低殷瓦钢激光焊的焊接应力的目的，以解决殷瓦钢焊接热裂纹的问题。通过该方法可以大幅提高焊接速度并降低殷瓦钢的焊接热裂纹倾向。
本发明采用的技术方案是：一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法，所述方法采用下列步骤：
（1）把切割好的殷瓦钢试件用乙醇清洗连接表面，然后用水冲洗并用风扇吹干，放入焊接工作台的夹具中固定，在焊缝起始端和收尾处用激光点焊固定；
（2）调整激光焊接头高度与殷瓦钢试件表面的距离为80-100mm，激光正离焦3-8mm，调整保护气喷嘴与殷瓦钢试件表面距离10-15mm处并成45度角，保护气流量10-15L/min；
（3）设置分层脉冲激光，分层脉冲激光包括预热激光、焊接激光、焊后后热激光，预热激光功率为80-240瓦，脉宽为0.5-3ms，焊接激光功率为300-550瓦，脉宽为2-5ms，焊后后热激光功率为80-240瓦，脉宽为0.5-3ms；设置预热激光的预热过程、焊接激光的焊接过程、焊后后热激光的焊后后热过程之间的衔接关系；
（4）打开激光焊机，激光脉冲频率20-60赫兹，焊接速度200-800mm/min，调整焊接点直径至0.5mm；
（5）打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，按电脑生成的焊接路径进行焊接；
（6）激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。
所述预热激光的预热过程、焊接激光的焊接过程、焊后后热激光的焊后后热过程之间是依次连续进行的。
所述预热激光的预热过程与焊接激光的焊接过程之间的时间间隔为0.5-3ms，焊接激光的焊接过程与焊后后热激光的焊后后热过程之间的时间间隔为0.5-3ms。
所述预热激光的预热过程与焊接激光的焊接过程之间是连续进行的，焊接激光的焊接过程与焊后后热激光的焊后后热过程之间的时间间隔为0.5-3ms。
所述预热激光的预热过程与焊接激光的焊接过程之间的时间间隔为0.5-3ms，焊接激光的焊接过程与焊后后热激光的焊后后热过程之间是连续进行的。
本发明的有益效果是：
1、通过分层式脉冲激光能量控制，能够降低焊缝金属处于脆性温区时的温度梯度20-55℃/mm；
2、通过分层式脉冲激光能量控制，能够降低焊后焊缝金属的冷却速率50-80℃/s；
3、通过分层式脉冲激光能量控制，焊接速度可以达到500-800mm/min；
4、通过在每个脉冲周期内的激光能量分层控制，把焊前预热、焊接和焊后后热集成在一个脉冲周期内实现，可以根据需要进行工艺参数的设计，参数设计方便灵活、可选择范围大；
5、不需要其他辅助设备，不会增大成本，而且避免了多个设备同时使用时相互协调的问题；
6、降低了焊接温度梯度和焊后冷却速度，从而降低了殷瓦钢的焊接热裂倾向。
附图说明
图1是分层脉冲激光方案1示意图。
图2是分层脉冲激光方案2示意图。
图3是分层脉冲激光方案3示意图。
图4是分层脉冲激光方案4示意图。
图5是分层脉冲激光方案5示意图。
具体实施方式
分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的技术方案示意图如图1-5所示，在每一个脉冲周期内激光能量分为三层：预热激光、焊接激光和焊后后热激光，具体的激光能量分层形式可以是图1-5中的某一种，实际应用时可以根据降低温度梯度和降低焊后冷却速度的需要进行选择。五种技术方案的区别主要是预热激光的预热过程、焊接激光的焊接过程、焊后后热激光的焊后后热过程之间的衔接关系，即是否有时间间隔，还是连续进行的。
图1表示分层脉冲激光方案1：
（1）把切割好的殷瓦钢试件用乙醇清洗连接表面，然后用水冲洗并用风扇吹干，放入焊接工作台的夹具中固定，在焊缝起始端和收尾处用激光点焊固定，以防止焊接过程中发生错边变形；
（2）调整激光焊接头高度与殷瓦钢试件表面的距离为80-100mm，激光正离焦3-8mm，调整保护气喷嘴与殷瓦钢试件表面距离10-15mm处并成45度角，保护气流量10-15L/min；
（3）分别设置分层脉冲激光能量，预热激光功率100-240瓦，脉宽0.5-3ms，焊接激光功率300-550瓦，脉宽2-5ms，焊后后热激光功率80-150瓦，脉宽0.5-3ms，分层脉冲激光之间没有时间间隔，是连续进行的；
（4）打开激光焊机，激光脉冲频率20-60赫兹，焊接速度200-800mm/min，调整焊接点直径至0.5mm；
（5）打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，按电脑生成的焊接路径进行焊接；
（6）激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。
图2表示分层脉冲激光方案2：
（1）把切割好的殷瓦钢试件用乙醇清洗连接表面，然后用水冲洗并用风扇吹干，放入焊接工作台的夹具中固定，在焊缝起始端和收尾处用激光点焊固定，以防止焊接过程中发生错边变形；
（2）调整激光焊接头高度与殷瓦钢试件表面的距离为80-100mm，激光正离焦3-8mm，调整保护气喷嘴与殷瓦钢试件表面距离10-15mm处并成45度角，保护气流量10-15L/min；
（3）分别设置分层脉冲激光能量，预热激光功率80-150瓦，脉宽0.5-3ms，焊接激光功率300-550瓦，脉宽2-5ms，焊后后热激光功率100-240瓦，脉宽0.5-3ms，分层脉冲激光之间没有时间间隔，是连续进行的；
（4）打开激光焊机，激光脉冲频率20-60赫兹，焊接速度200-800mm/min，调整焊接点直径至0.5mm；
（5）打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，按电脑生成的焊接路径进行焊接；
（6）激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。
图3表示分层脉冲激光方案3：
（1）把切割好的殷瓦钢试件用乙醇清洗连接表面，然后用水冲洗并用风扇吹干，放入焊接工作台的夹具中固定，在焊缝起始端和收尾处用激光点焊固定，以防止焊接过程中发生错边变形；
（2）调整激光焊接头高度与殷瓦钢试件表面的距离为80-100mm，激光正离焦3-8mm，调整保护气喷嘴与殷瓦钢试件表面距离10-15mm处并成45度角，保护气流量10-15L/min；
（3）打开激光焊机，激光脉冲频率20-60赫兹，焊接速度200-800mm/min，调整焊接点直径至0.5mm；
（4）分别设置分层脉冲激光能量，预热激光功率80-150瓦，脉宽0.5-3ms，焊接激光功率300-550瓦，脉宽2-5ms，焊后后热激光功率100-240瓦，脉宽0.5-3ms。预热激光与焊接激光之间的时间间隔为0.5-3ms，焊接激光与焊后后热激光的时间间隔为0.5-3ms；
（5）打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，按电脑生成的焊接路径进行焊接；
（6）激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。
图4表示分层脉冲激光方案4：
（1）把切割好的殷瓦钢试件用乙醇清洗连接表面，然后用水冲洗并用风扇吹干，放入焊接工作台的夹具中固定，在焊缝起始端和收尾处用激光点焊固定，以防止焊接过程中发生错边变形；
（2）调整激光焊接头高度与殷瓦钢试件表面的距离为80-100mm，激光正离焦3-8mm，调整保护气喷嘴与殷瓦钢试件表面距离10-15mm处并成45度角，保护气流量10-15L/min；
（3）打开激光焊机，激光脉冲频率20-60赫兹，焊接速度200-800mm/min，调整焊接点直径至0.5mm；
（4）分别设置分层脉冲激光能量，预热激光功率80-150瓦，脉宽0.5-3ms，焊接激光功率300-550瓦，脉宽2-5ms，焊后后热激光功率100-240瓦，脉宽0.5-3ms。预热激光与焊接激光之间的时间间隔为0.5-3ms，焊接激光与焊后后热激光之间没有时间间隔；
（5）打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，按电脑生成的焊接路径进行焊接；
（6）激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。
图5表示分层脉冲激光方案5：
（1）把切割好的殷瓦钢试件用乙醇清洗连接表面，然后用水冲洗并用风扇吹干，放入焊接工作台的夹具中固定，在焊缝起始端和收尾处用激光点焊固定，以防止焊接过程中发生错边变形；
（2）调整激光焊接头高度与殷瓦钢试件表面的距离为80-100mm，激光正离焦3-8mm，调整保护气喷嘴与殷瓦钢试件表面距离10-15mm处并成45度角，保护气流量10-15L/min；
（3）打开激光焊机，激光脉冲频率20-60赫兹，焊接速度200-800mm/min，调整焊接点直径至0.5mm；
（4）分别设置分层脉冲激光能量，预热激光功率80-150瓦，脉宽0.5-3ms，焊接激光功率300-550瓦，脉宽2-5ms，焊后后热激光功率100-240瓦，脉宽0.5-3ms。预热激光与焊接激光之间没有时间间隔，焊接激光与焊后后热激光的时间间隔为0.5-3ms；
（5）打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，按电脑生成的焊接路径进行焊接；
（6）激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。

Claims (5)

1.一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法，其特征是：所述方法采用下列步骤：
（1）把切割好的殷瓦钢试件用乙醇清洗连接表面，然后用水冲洗并用风扇吹干，放入焊接工作台的夹具中固定，在焊缝起始端和收尾处用激光点焊固定；
（2）调整激光焊接头高度与殷瓦钢试件表面的距离为80-100mm，激光正离焦3-8mm，调整保护气喷嘴与殷瓦钢试件表面距离10-15mm处并成45度角，保护气流量10-15L/min；
（3）设置分层脉冲激光，分层脉冲激光包括预热激光、焊接激光、焊后后热激光，预热激光功率为80-240瓦，脉宽为0.5-3ms，焊接激光功率为300-550瓦，脉宽为2-5ms，焊后后热激光功率为80-240瓦，脉宽为0.5-3ms；设置预热激光的预热过程、焊接激光的焊接过程、焊后后热激光的焊后后热过程之间的衔接关系；
（4）打开激光焊机，激光脉冲频率20-60赫兹，焊接速度200-800mm/min，调整焊接点直径至0.5mm；
（5）打开激光焊机自动操作系统的CAD作图功能，按电脑生成的焊接路径进行焊接；
（6）激光焊接后取出殷瓦钢焊接试件进行性能测试。
2.根据权利要求1所述的一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法，其特征是：所述预热激光的预热过程、焊接激光的焊接过程、焊后后热激光的焊后后热过程之间是依次连续进行的。
3.根据权利要求1所述的一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法，其特征是：所述预热激光的预热过程与焊接激光的焊接过程之间的时间间隔为0.5-3ms，焊接激光的焊接过程与焊后后热激光的焊后后热过程之间的时间间隔为0.5-3ms。
4.根据权利要求1所述的一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法，其特征是：所述预热激光的预热过程与焊接激光的焊接过程之间是连续进行的，焊接激光的焊接过程与焊后后热激光的焊后后热过程之间的时间间隔为0.5-3ms。
5.根据权利要求1所述的一种分层脉冲激光降低殷瓦钢焊接热裂倾向的方法，其特征是：所述预热激光的预热过程与焊接激光的焊接过程之间的时间间隔为0.5-3ms，焊接激光的焊接过程与焊后后热激光的焊后后热过程之间是连续进行的。
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