CN103320800B - 一种提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法及装置，首先制备一种纳米级金属腐蚀抑制剂颗粒，其次采用二氧化碳激光器将纳米级金属腐蚀抑制剂颗粒注入不锈钢焊缝中形成一层防腐蚀层，再用纳秒激光器对不锈钢焊缝表面进行冲击强化处理，从而在不锈钢焊缝区域形成一定深度的高幅残余压应力层。实施该方法的装置包括计算机控制系统，送粉器，氩气保护装置，二氧化碳激光器，全反光镜，透射镜，送粉喷嘴，不锈钢焊接件，夹紧装置，三轴数控工作台，柔性贴膜，纳秒激光器。本发明可以很大程度上降低不锈钢焊缝在腐蚀环境中的腐蚀敏感性，提高其使用寿命，适应于各种不锈钢焊缝耐腐蚀性的提高，也可以拓展到铝合金、钛合金等焊缝耐腐蚀性的提高。

Description

一种提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法和装置

技术领域

本发明涉及提高金属表面特性的领域，具体涉及一种提高不锈钢焊缝耐腐蚀性技术。

背景技术

不锈钢焊接件由于良好的机械性能和低价格而被广泛用于化学化工、沿海、石油化工等领域，但不锈钢焊接件在焊接接头处容易发生晶间腐蚀、点蚀和应力腐蚀开裂，这严重制约了不锈钢焊接件在腐蚀环境下的应用。因此提高焊缝的耐腐蚀性能成为迫切需要解决的问题。为了提高不锈钢焊缝的耐腐蚀性，国内外也进行了不少的研究，其中激光冲击强化作为一种新兴技术被广泛用于提高不锈钢焊缝耐腐蚀性能。

激光冲击强化技术是最重要的一种表面改性技术，它可以在材料表面产生两三百兆帕的残余压应力，并使不锈钢表面组织发生晶粒细化，在两者的双重作用下使得不锈钢焊缝的耐腐蚀性能得到提高。

目前国内对如何提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的报道比较少，主要有专利申请号为200610166256.5的发明专利，发明名称为：一种提高奥氏体不锈钢焊接接头耐腐蚀方法，提出了一种用重熔工艺来提高不锈钢焊接接头的耐腐蚀性。尚未发现通过激光熔化注入金属腐蚀抑制剂颗粒结合激光冲击强化的方法来提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法和装置。为了能在不锈钢焊缝区域增加一层具有防腐蚀性的涂层和在不锈钢焊缝区域形成较深的晶粒细化层、深度超过1mm的高幅残余压应力层，大幅提高不锈钢焊缝的耐腐蚀性能。

为了解决以上这些问题，本发明采用的技术方案如下。

一种提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1，选取一块带有焊缝的不锈钢焊接件，对其进行预处理，并将预处理好的不锈钢焊接件固定在三轴数控工作台上；

步骤2，将20-50nm金属腐蚀抑制剂颗粒放入送粉器内，调节送粉喷嘴相对于不锈钢焊缝表面法线的角度至30°，通过移动送粉喷嘴从而确定金属腐蚀抑制剂颗粒注入熔池的位置与连续激光照射在不锈钢焊缝上位置之间的距离为5-10mm；

步骤3，用计算机控制系统控制二氧化碳激光器发出激光束直接照射不锈钢焊缝表面，在不锈钢焊缝表面形成1000-1500℃熔池，间隔3秒后通过送粉喷嘴向熔池喷射金属腐蚀抑制剂颗粒，从而在不锈钢焊缝的表面形成一层致密性良好的防腐蚀层；

步骤4，对形成的防腐蚀层进行抛光，使其表面光滑平稳，降低防腐蚀层的表面粗糙度，抛光后的防腐蚀层厚度大于0；

步骤5，在抛光后带有防腐蚀层的不锈钢焊接件上贴有柔性贴膜，再根据不锈钢焊接件的厚度和材料特性设置脉冲激光参数：脉宽、重复频率、脉冲能量及光斑直径，从而实现对不锈钢焊缝以及整个热影响区域进行激光冲击强化。

所述的金属腐蚀抑制剂颗粒为磷酸钾镁、磷酸钠镁和磷酸氢镁中任一种；所述金属腐蚀抑制剂颗粒直径大小为20-50nm。

所述的抛光后的防腐蚀层厚度为0.2-0.4mm。

所述的步骤3中进行激光熔化注入时，二氧化碳激光器参数为：激光功率为3-6kw，扫描速度为0.2-1.0m/min，送粉量为60-150mg/s，光斑尺寸为1-5mm，在步骤5中进行激光冲击强化时，纳秒激光器脉冲激光参数为：脉宽8‐30ns，重复频率为10‐20Hz，脉冲能量为5‐15J，光斑直径为1‐5mm。

一种所述的提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法的装置，其特征在于：包括计算机控制系统(1)、送粉器(2)、氩气保护装置(3)、二氧化碳激光器(4)、全反光镜(5)、透射镜(6)、送粉喷嘴(7)、连续激光(8)、不锈钢焊接件(9)、夹紧装置(10)、三轴数控工作台(11)、柔性贴膜(12)、脉冲激光(13)、透射镜(14)、全反光镜(15)和纳秒激光器(16)；三轴数控工作台(11)、送粉器(2)、二氧化碳激光器(4)、纳秒激光器(16)、透射镜(6)和透射镜(14)分别与计算机控制系统(1)相连；二氧化碳激光器(4)出光前方装有全反光镜(4)，全反光镜(5)正下方设有透射镜(6)；纳秒激光器(16)出光前方装有全反光镜(15)，全反光镜(15)正下方设有透射镜(14)；夹紧装置(10)被固定在三轴数控工作台(11)上；送粉器(2)和氩气保护器(3)为送粉喷嘴(7)提供金属腐蚀抑制剂颗粒与氩气；柔性贴膜(12)贴在不锈钢焊接件(9)上。

工作时首先利用计算机控制系统(1)控制二氧化碳激光器(4)发射出连续激光(8)在不锈钢焊缝上形成熔池，接着控制送粉器(2)为送粉喷嘴(7)提供金属腐蚀抑制颗粒，金属腐蚀抑制颗粒在氩气的作用下通过送粉喷嘴(7)喷射到熔池中形成一层防腐蚀层，然后对带有防腐蚀层的不锈钢焊接件(9)进行抛光，最后利用纳秒激光器(16)在计算机控制系统(1)控制下对防腐蚀层进行激光冲击强化。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明选用纳米级金属腐蚀抑制剂颗粒可以在不锈钢焊缝区域形成一层致密性良好的防腐蚀层，可以在很大程度上降低不锈钢焊缝在腐蚀环境下的腐蚀敏感性，起到第一重保护作用。

(2)本发明提出使用激光熔化注入技术形成防腐蚀层，首先使用二氧化碳激光器熔化焊缝，形成一个高温的熔池，随后进行纳米级的金属抑制剂颗粒的喷射，纳米级金属腐蚀抑制剂颗粒注入熔池的位置与引导激光束照射在不锈钢焊缝上位置之间的距离为5-10mm，可以有效地避免熔池的温度过高或过低而导致不能形成致密的防腐蚀层。

(3)本发明根据不锈钢焊接件的厚度和材料特性设置脉冲激光参数，脉宽、重复频率、脉冲能量及光斑直径，对不锈钢焊缝以及热影响区的表面进行激光冲击强化，可以消除不锈钢焊缝区域存在的拉应力状态，并在不锈钢焊缝以及热影响区形成一定深度的高幅残余压应力层，起到了第二重保护作用，进一步提高不锈钢焊缝的耐腐蚀性，本发明不仅适用于各种不锈钢焊缝耐蚀性的提高，也可以应用于提高铝合金、钛合金等焊缝的耐蚀性。

附图说明

图1为激光表面处理不锈钢焊缝的结构示意图；

图2为激光熔化注入颗粒放大示意图；

图3为激光冲击焊缝放大示意图；

图4为不锈钢焊缝表面处理前后的残余应力对比图；

图5为不锈钢焊缝表面处理前后的腐蚀寿命变化图。

图中：1-计算机控制系统  2-送粉器  3-氩气保护装置  4-二氧化碳激光器5-全反光镜  6-透射镜  7-送粉喷嘴  8-连续激光  9-不锈钢焊接件  10-夹紧装置  11-三轴数控工作台  12-柔性贴膜  13-脉冲激光  14-透射镜  15-全反光镜  16-纳秒激光器  17-不锈钢焊缝  18-金属腐蚀抑制剂颗粒。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3、图4和图5详细说明本发明提出的具体装置的细节与工作情况。

实施例一

本发明的装置如图1，包含激光熔化注入单元、激光冲击强化单元、计算机控制系统和数控工作系统。激光熔化注入单元包括二氧化碳激光器4，全反光镜5、透射镜6、氩气保护装置3、送粉器2和送粉喷嘴7；激光冲击强化单元包括纳秒激光器16、全反光镜15、透射镜14；数控工作系统包括三轴数控工作台11和夹紧装置10。

计算机控制装置1控制三轴数控工作台11、纳秒激光器3、送粉器和二氧化碳激光器12，分别完成对不锈钢焊缝注入金属腐蚀抑制剂颗粒和激光冲击强化。连续激光8和脉冲激光13的光斑直径分别通过透射镜6和透射镜14调节，也是由计算控制系统1控制。

图2所示为图1中激光熔化注入颗粒放大示意图，包括连续激光8，送粉喷嘴7，金属腐蚀抑制剂颗粒18，不锈钢焊接件9，不锈钢焊缝17。连续激光8照射不锈钢焊缝17在前，送粉喷嘴7喷射金属腐蚀抑制剂17在后。

图3所示为图1中激光冲击不锈钢焊缝放大示意图，包括脉冲激光13，不锈钢焊接件9，不锈钢焊缝17。

实施例二

实施一种提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法的具体步骤为：

(1)首先对待处理的AISI304不锈钢焊接件9试样表面磨削并抛光处理，达到表面粗糙度Ra1.6，接着用丙酮清洗吹干，将经过处理的不锈钢焊接件9放置在三轴数控工作台11上；

(2)选用20nm的磷酸钾镁颗粒，将磷酸钾镁颗粒放入送粉器2内，调节送粉喷嘴7与不锈钢焊接件9表面法线的角度，使得连续激光8在不锈钢焊缝上的光斑位置与磷酸钾镁颗粒注入熔池的位置之间的距离为5mm；

(3)采用DL-HL-T5000二氧化碳激光器4，预设功率为3kw，激光模式为TEM00，光斑直径为1mm，由计算机控制系统1操纵三轴数控工作台11移动，扫描速度为0.2m/min，在不锈钢焊缝表面形成温度很高的熔池，紧接着采用PEL-1A送粉器2，送粉速率由送粉器2控制在60mg/s左右，在氩气保护下经送粉喷嘴7喷入熔池中，待冷却后在不锈钢焊缝表面形成一层致密性良好的防腐蚀层；

(4)不锈钢焊缝表面形成一层防腐蚀层后，从三轴数控工作台11上取下不锈钢焊接件9，对处理过的不锈钢焊接件9试样表面进行磨削并抛光处理，使其表面粗糙度达到Ra1.6，抛光后的防腐蚀层厚度为0.2mm。

(5)在不锈钢焊接件9表面贴上柔性贴膜12，将贴有柔性贴膜12的不锈钢焊接件9固定在三轴数控工作台11上，通过计算机控制系统1设定纳秒激光器16的工艺参数和控制三轴数控工作台11移动到脉冲激光13下方，采用Nd：YAG激光器，激光波长为1064nm，脉宽为8ns，光斑半径为1mm，脉冲能量为5J，重复频率10Hz，搭接率为50％，由纳秒激光器16发出脉冲激光13，经过全反光镜与透射镜，照射在待加工表面，实施激光冲击强化；

AISI304不锈钢焊缝在表面处理前后的残余应力分布情况如图4所示，可以看出，在一定深度范围内，残余应力由原来的拉应力转变为压应力状态，残余压应力影响层大约为1mm左右，很大程度上抑制了不锈钢焊缝在腐蚀环境中的腐蚀敏感性，延长了不锈钢焊缝的腐蚀寿命，AISI304不锈钢焊缝表面处理前后腐蚀寿命如图5所示。

实施例三：

将实施例二中的纳秒激光器16参数改变为脉冲能量为10J，光斑半径为3mm，脉宽为20ns和重复频率为15Hz；二氧化碳激光器4参数改变为光斑直径为3mm，激光功率为5kw，扫描速率为0.6m/min和送粉速率为100mg/s；金属腐蚀抑制剂颗粒选用35nm的磷酸钠镁；抛光后的防腐蚀层厚度为0.3mm。

实施例四：

将实施例二中的纳秒激光器16参数改变为脉冲能量为15J，光斑半径为5mm，脉宽为30ns和重复频率为20Hz；二氧化碳激光器4参数改变为光斑直径为5mm，激光功率为6kw，扫描速率为1m/min和送粉速率为150mg/s；金属腐蚀抑制剂颗粒选用50nm的磷酸氢镁；抛光后的防腐蚀层厚度为0.4mm。

Claims (3)

1.一种提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1，选取一块带有焊缝的不锈钢焊接件，对其进行预处理，并将预处理好的不锈钢焊接件固定在三轴数控工作台上；

步骤2，将20-50 nm金属腐蚀抑制剂颗粒放入送粉器内，调节送粉喷嘴相对于不锈钢焊缝表面法线的角度至30o，通过移动送粉喷嘴从而确定金属腐蚀抑制剂颗粒注入熔池的位置与连续激光照射在不锈钢焊缝上位置之间的距离为5-10 mm；

步骤3，用计算机控制系统控制二氧化碳激光器发出激光束直接照射不锈钢焊缝表面，在不锈钢焊缝表面形成温度1000-1500℃熔池，间隔3秒后通过送粉喷嘴向熔池喷射金属腐蚀抑制剂颗粒，从而在不锈钢焊缝的表面形成一层致密性良好的防腐蚀层；

步骤4，对形成的防腐蚀层进行抛光，使其表面光滑平稳，降低防腐蚀层的表面粗糙度，抛光后的防腐蚀层厚度大于0；

步骤5，在抛光后带有防腐蚀层的不锈钢焊接件上贴有柔性贴膜，再根据不锈钢焊接件的厚度和材料特性设置脉冲激光参数：脉宽、重复频率、脉冲能量及光斑直径，从而实现对不锈钢焊缝以及整个热影响区域进行激光冲击强化；

所述的金属腐蚀抑制剂颗粒为磷酸钾镁、磷酸钠镁和磷酸氢镁中任一种；所述金属腐蚀抑制剂颗粒直径大小为20-50 nm。

2.一种如权利要求1所述的提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法，其特征在于，所述的抛光后的防腐蚀层厚度为0.2-0.4 mm。

3.一种如权利要求1所述的提高不锈钢焊缝耐腐蚀性的方法，其特征在于，所述的步骤3中进行激光熔化注入时，二氧化碳激光器参数为：激光功率为3-6 kw，扫描速度为0.2-1.0 m/min，送粉量为60-150 mg/s，光斑尺寸为1-5mm，在步骤5中进行激光冲击强化时，纳秒激光器脉冲激光参数为：脉宽8-30 ns，重复频率为10-20 Hz，脉冲能量为5-15 J，光斑直径为1-5 mm。