專利名稱：一種薄不銹鋼復合板的激光焊接方法

　　技術領域：

　　本發明涉及一種薄不銹鋼復合板的激光焊接方法，屬金屬材料板材焊接及應用的技術領域。

　　背景技術：

　　不銹鋼板由于具有強度好、硬度高、耐腐蝕、表面光潔等特點，具有廣泛的用途，常在石油、化工、輕工、電力及鍋爐耐壓容器中應用；但由于不銹鋼價格較貴，常在普通碳素鋼板上外包覆一層薄不銹鋼板，覆層不銹鋼材料用以阻止介質的腐蝕，基體碳鋼材料承受載荷，其價格為普通不銹鋼的1/2左右；將這些不銹鋼復合板做成容器、管材等產品，必然要使用焊接技術。對于包覆層厚度O. 8mm的不銹鋼復合板的焊接工藝已經成熟，然而對于包覆層厚度< O. 8mm，特別是< O. 5mm的薄不銹鋼復合板的焊接仍然存在較大問題，一是不銹鋼與碳素鋼在晶體學特征、熱膨脹性、導熱性、力學性能方面存在較大差異，所以不銹鋼復合板焊接要比同種鋼困難；二是薄層不銹鋼復合板的焊接工藝較難控制，尤其是雙面薄不銹鋼復合板，由于包覆層厚度較薄，不能分基層、過渡層和包覆層分別焊接；三是因為基層碳素鋼非常容易稀釋包覆層不銹鋼焊縫區，使焊縫區Cr、Ni含量降低，造成焊縫區的耐腐蝕性能嚴重下降，從而制約了薄不銹鋼復合板的廣泛應用。

　　發明內容

　　發明目的本發明的目的是針對薄層不銹鋼復合板難以對接焊接問題，采用激光焊接法，使用鉻鎳合金粉，在激光焊接機上進行焊接，經打磨、退火處理，即成為焊接成品，以使薄層不銹鋼復合板焊接成為可能，以大幅度提高薄不銹鋼復合板的耐腐蝕性能和焊接質量。技術方案本發明使用的化學物質材料為薄不銹鋼復合板、鉻鎳合金粉、乙醇、氬氣、砂紙、研磨膏，其組合準備用量如下以毫米、克、毫升、厘米3為計量單位薄不鎊鋼復合板200_X 80_X 1_ 2塊中間碳素鋼板厚度O. 8mm 包覆層不銹鋼板單面厚度O. Imm鉻鎳合金粉500g±10g鉻Cr36-37%

　　鎳Ni16-17%

　　碳C0.03%

　　硅Si0.70%成分組成

　　錳Mn1.40% 憐P0.020%

　　硫S0.020%

　　鐵 Fe 43.83-45.83%こ醇C2H6O1000ml±10ml気氣ArIOOOOcm3 ± IOOcm3砂紙300mmX 200mm X Imm, 400 目 2 張研磨膏(D50mmX100mm，800目 I 塊激光焊接方法如下(I)精選化學物質材料對激光焊接使用的化學物質材料要進行精選，并進行質量純度控制薄不銹鋼復合板固態板形鉻鎳合金粉固態粉體こ醇液態液體 99.99%氬氣氣態氣體 99.99%砂紙固態紙狀研磨膏固態固體(2) Cr、Ni粉末配制計算利用杠桿定律，填充材料在舍弗勒圖中位置，得出鉻當量Creq和鎳當量Nieq分別為36-37%和 16-17% ；(3)預處理薄不銹鋼復合板①薄不銹鋼復合板厚度為Imm,中間碳素鋼板厚度為O. 8mm,單面不銹鋼包覆層厚度為O. Imm ；②被焊接薄不銹鋼復合板為兩塊，尺寸、規格一祥，呈矩形板狀；③將被焊接薄不銹鋼復合板用夾具分別固定，確定被焊接部位，兩塊板之間留有間隙 O. 1-0. 2mm ；④被焊接板材固定后，用こ醇清洗被焊表面污潰，然后晾干；(4)預處理鉻鎳合金粉①將鉻鎳合金粉置于球磨機中，進行球磨，轉速200r/min，球磨300min后用300目篩網過篩，反復進行，細粉顆粒直徑< O. 05mm ；②將研磨后的鉻鎳合金粉置于干燥箱內干燥，干燥溫度110°C ±2°C，干燥時間240min + 5min ；

　　(5)激光焊接薄不銹鋼復合板薄不銹鋼復合板的焊接是在激光焊接機上進行的，是在激光束照射、送粉器送粉、氬氣保護下完成的，激光束照射輸出功率、送粉量、焊接速度均是由計算機程序控制完成的；①將工作平板置于激光焊接機的工作臺上并固定；將被焊接的薄不銹鋼復合板分左右對稱安裝在工作平板上，正面向上，兩被焊接的薄不銹鋼復合板平行對齊，平行度(20 μ m,中間間隙為O. 1-0. 2mm,然后用夾具螺栓固定；②將盛有焊粉的送粉器的送粉頭對準被焊接部位；③將氬氣管對準被焊接部位；④將激光器的激光束垂直對準被焊接部位；⑤開啟送粉器調控器，向被焊接部位輸送焊粉，送粉量由激光焊接機的送粉調控器程序控制，送粉速率為25-30g/min ；⑥開啟IS氣閥，向被焊接部位輸送IS氣，IS氣輸送速度為600cm3/min ；⑦開啟激光器，激光束對準被焊接部位進行激光焊接，激光束光斑直徑O. 1mm、離焦量+1mm、脈沖頻率30Hz、電壓80V，焊接速度5mm/s ；⑧焊接結束后，關閉激光器、送粉器、氬氣閥，使其自然冷卻至25°C ；⑨將被焊接薄不銹鋼復合板拆下，重新安裝不銹鋼復合板，反面向上，用同一工藝流程焊接反面；⑩焊接完成后，關閉激光器、送粉器、氬氣閥，使其自然冷卻至25°C，然后拆下薄不銹鋼復合板；(6)清理薄不銹鋼復合板焊縫表面將焊接后的薄不銹鋼復合板置于平板上，用400目砂紙打磨焊接表面，消除焊瘤，使其平整；(7)清洗將焊接并清理的薄不銹鋼復合板用乙醇擦洗，使其潔凈；(8)中溫回火將焊接清理后的薄不銹鋼復合板置于中溫回火爐中，進行回火處理，回火溫度150。?！?°C，回火時間 60min±5min ；(9)表面清理對中溫回火后的薄不銹鋼復合板用400目砂紙打磨，然后用800目研磨膏研磨，使表面光潔；(10)清洗將打磨、研磨后的不銹鋼復合板用乙醇擦洗，使其潔凈；(11)檢測、分析、表征對激光焊接后的薄不銹鋼復合板的金相組織、耐腐蝕性能、抗拉強度、延伸率、顯 微硬度及化學物理性能進行檢測、分析、表征；用光學顯微鏡對焊縫的微觀組織進行觀察分析；用硫酸-硫酸銅溶液對焊縫進行晶間腐蝕試驗；用電化學腐蝕設備對焊縫的耐腐蝕性能進行測試分析；

　　用顯微硬度儀對焊縫的硬度進行測試分析；用拉伸試驗機對焊縫的抗拉強度進行測試；結論薄不銹鋼復合板激光焊接后焊縫平整、牢固，接近母材的耐腐蝕性，抗拉強度為450. 9MPa，為母材的98. 2%0有益效果

　　本發明與背景技術相比具有明顯的先進性，是針對薄不銹鋼復合板的結構特征，包覆面為不銹鋼板，中間為碳素鋼板，二者物理化學性能及力學性能相差較大，薄且面積大，給焊接造成了很大困難，采用激光焊接，先對薄不銹鋼復合板進行預處理，精確安裝，配制焊粉，氬氣保護，用計算機程序控制激光束焊接參數及軌跡，并用計算機程序控制焊粉送給量，使薄不銹鋼復合板的焊接成為可能，此對接焊接方法エ藝先迸，安全穩定可靠，焊接質量高，接近母材的耐蝕性能，焊縫強度高，焊縫的抗拉強度為450. 9MPa為母材的98. 2%,填補了薄不銹鋼復合板的對接焊接空白，是十分理想的薄不銹鋼復合板的激光焊接方法。

　　圖I為薄不銹鋼復合板激光對接焊接狀態2為薄不銹鋼復合板結構3為單面焊接熔池橫截面4為試板對接焊接示意5為焊縫舍弗勒6為薄不銹鋼復合板激光對接焊縫橫切面金相組織7為薄不銹鋼復合板激光對接焊縫的晶間腐蝕形貌8為薄不銹鋼復合板激光對接接頭晶間腐蝕后彎曲形貌9為薄不銹鋼復合板母材和激光對接焊縫電化學腐蝕極化曲線10為薄不銹鋼復合板母材與激光對接焊接試件拉伸曲線對比11為薄不銹鋼復合板激光對接接頭橫斷面顯微硬度分布曲線中所示，附圖標記清單如下I、激光焊接機，2、顯示屏，3、指示燈，4、送粉器調控器，5、激光束調控器，6、電源開關，7、工作臺，8、工作平板，9、左固定板，10、右固定板，11、左固定螺栓，12、右固定螺栓，13、送粉器，14、送粉盒，15、支架，16、氬氣管，17、氬氣閥，18、氬氣瓶，19、激光器，20、激光束，21、左薄不銹鋼復合板，22、右薄不銹鋼復合板，23、送粉管。

　　具體實施例方式以下結合附圖對本發明做進ー步說明圖I所示，為薄不銹鋼復合板激光對接焊接狀態圖，各部位置、聯接關系要正確，按量輸送焊粉、通氬氣，按序操作。焊接使用的化學物質材料的量值，是按預先設置的范圍確定的，以毫米、克、毫升、厘米3為計量単位。薄不銹鋼復合板的對接焊接是在激光焊接機上進行的，是在激光束照射、送粉器送粉、氬氣保護下完成的，激光束照射功率、送粉速率、焊接速度均是由計算機程序控制完成的；激光焊接機I為臥式，在激光焊接機I的上部為工作臺7，在工作臺7上部為工作平板8，在工作平板8上部分左右對稱安裝薄不銹鋼復合板21、22，薄不銹鋼復合板21、22之間留有縫隙O. 1-0. 2_，并分別由左固定螺栓11、右固定螺栓12固定；在激光焊接機I的右部設有送粉器13及送粉盒14，并聯接送粉管23，送粉管23的出粉口對準兩被焊接薄不銹鋼復合板21、22的焊縫；在激光焊接機I的左上部設有氬氣管16，氬氣管16聯接氬氣閥17及氬氣瓶18，氬氣管16的出氣口對準兩被焊接薄不銹鋼復合板21、22的焊縫；在激光焊接機I的中間上部設有激光器19，并由支架15固定，激光器19的激光束20對準兩被焊接薄不銹鋼復合板的焊縫處；激光焊接機的正面設有顯示屏2、指示燈3、電源開關6、激光束調控器5。對于O. lmm+0. 8mm+0. Imm的雙面薄不銹鋼復合板,利用Cr、Ni粉體材料做填加材

　　料，依據熔池大小，調節Cr、Ni粉末含量，使焊縫金屬Cr、Ni含量與覆層不銹鋼中的Cr、Ni含量一致，可達到同等的抗腐蝕性能。對于O. lmm+0. 8mm+0. Imm的雙面薄不銹鋼復合板,依據激光單面焊熔池橫斷面形狀，設計對接部位，間隙O. 1-0. 2mm ;間隙內應填充的金屬面積為O. 5X0. 2mm2，覆層不銹鋼熔化面積為O. 065mm2，基層碳鋼熔化面積為O. IOOmm2 ;利用杠桿定律，填充材料在舍弗勒圖中的位置，得出Creq和Nieq分別為36-37%和16-17%，考慮到粉末密實度，焊接時粉末高出

　　O.2mm、寬I. 5mm，寬度直接由激光光斑控制。圖2所示，為薄不銹鋼復合板結構圖，圖中可知，中間為碳素鋼板，厚度為O. 8_，兩面由不銹鋼板包覆，單面厚度為O. 1mm，整體厚度為1.0mm。圖3所示，為單面焊接熔池橫截面圖，根據激光單面焊接熔池橫斷面形狀計算填充材料。圖4所示，為試板對接焊接示意圖，為了方便計算，設置焊縫截面為雙梯形，間隙內應填充的金屬面積為O. 5X0. 2mm2，覆層不銹鋼熔化面積為O. 065mm2，基層碳鋼熔化面積為 O. 100mm2。圖5所示，為焊縫舍弗勒圖，利用杠桿定律，可以推算出填充材料在舍弗勒圖中位置，即得出了 CrejP Nieq 分別為 36-37% 和 16_17%，SP IV 點。圖6所示，為薄不銹鋼復合板激光對接焊縫的橫切面金相組織圖，圖中可知，焊縫均勻，邊緣清晰，達到了冶金結合，與被焊薄不銹鋼復合板熔為一體，焊縫成型良好，無氣孔、裂紋缺陷。圖7所示，為薄不銹鋼復合板激光對接焊縫的晶間腐蝕形貌圖，晶間腐蝕后的焊縫表面與腐蝕前沒有明顯變化，仍然光亮如新。圖8所示，為薄不銹鋼復合板激光對接接頭晶間腐蝕后彎曲形貌圖，對雙面薄不銹鋼復合板焊后試板全厚度進行180°彎曲試驗，以檢驗焊縫的耐晶間腐蝕性能，由圖可知，該彎曲試樣無裂紋，說明晶間腐蝕合格。圖9所示，為薄不銹鋼復合板母材與激光對接焊縫電化學腐蝕極化曲線圖，測試結果表明試樣在3. 5wt% NaCl溶液腐蝕后，焊縫表面沒有明顯變化，利用塔菲爾極化曲線外推法可以得出，母材和焊縫的自腐蝕電位Ec^分別為-O. 322V和-O. 319V，自腐蝕電流icorr分別為7. 779 X ICT7A · cm—2和7. 962 X ICT7A · cm—2，根據試樣腐蝕前后的質量差可算出腐蝕速率分別為I. 44X l(T4g · mnT2 · IT1和I. 45 X l(T4g · mnT2 · IT1,說明焊縫與母材的耐腐、蝕性能接近。圖10所示，為薄不銹鋼復合板母材與激光對接焊接試件拉伸曲線對比圖，經測量，母材的平均抗拉強度為459. 2MPa，平均延伸率為47. 6 %，焊縫的平均抗拉強度為450. 9MPa，平均延伸率為19.4%。圖11所示，為薄不銹鋼復合板激光對接焊接接頭橫斷面顯微硬度分布曲線圖，分別沿著a、b、c三線進行測量，取平均值進行分析，經測量可知，母材包覆層組織的平均硬度為236. 2HVai，母材基層組織的平均硬度為200. 2HVai，焊縫組織的平均硬度為325. 8HVai， 明顯高于母材。

　　權利要求

　　1. 一種薄不銹鋼復合板的激光焊接方法，其特征在于使用的化學物質材料為薄不銹鋼復合板、鉻鎳合金粉、乙醇、氬氣、砂紙、研磨膏，其組合用量如下以毫米、克、毫升、毫米3為計量單位 薄不鎊鋼復合板200mm X 80mm X Imm 2塊 中間碳素鋼板厚度0. 8mm 包覆層不銹鋼板單面厚度0. Imm 鉻鎳合金粉500g±10g 鉻 Cr 36-37%鎮Ni16-17% 碳C0.03% 硅Si0.70% 成分組成 錳Mn 1.40% 磷P 0.020% 硫S 0.020%鐵 Fe 43.83-45.83%乙醇:C2H6O 1000ml± IOmlIS氣Ar 10000cm3± IOOcm3砂紙300_X200_Xlmm，400 目 2 張研磨膏①50mmX 100mm,800目I塊 激光焊接方法如下 (1)精選化學物質材料 對激光焊接使用的化學物質材料要進行精選，并進行質量純度控制 薄不銹鋼復合板固態板形 鉻鎳合金粉固態粉體 乙醇液態液體99.99% 氬氣氣態氣體99.99% 砂紙固態紙狀 研磨骨固態固體 (2)Cr、Ni粉末配制計算 利用杠桿定律，填充材料在舍弗勒圖中位置，得出鉻當量Cr^1和鎳當量Nieq分別為.36-37%和 16-17% ； (3)預處理薄不銹鋼復合板 ⑤薄不銹鋼復合板厚度為1mm，中間碳素鋼板厚度為0.8mm,單面不銹鋼包覆層厚度為.0. 1mm ； ⑥被焊接薄不銹鋼復合板為兩塊，尺寸、規格一樣，呈矩形板狀； ⑦將被焊接薄不銹鋼復合板用夾具分別固定，確定被焊接部位，兩塊板之間留有間隙O.1-0. 2mm ; ⑧被焊接板材固定后，用乙醇清洗被焊表面污潰，然后晾干； (4)預處理鉻鎳合金粉 ①將鉻鎳合金粉置于球磨機中，進行球磨，轉速200r/min,球磨300min后用300目篩網過篩，反復進行，細粉顆粒直徑< O. 05mm ； ②將研磨后的鉻鎳合金粉置于干燥箱內干燥，干燥溫度110°C±2°C，干燥時間240min + 5min ； (5)激光焊接薄不銹鋼復合板 薄不銹鋼復合板的焊接是在激光焊接機上進行的，是在激光束照射、送粉器送粉、氬氣保護下完成的，激光束照射輸出功率、送粉量、焊接速度均是由計算機程序控制完成的； ①將工作平板置于激光焊接機的工作臺上并固定；將被焊接的薄不銹鋼復合板分左右對稱安裝在工作平板上，正面向上，兩被焊接的薄不銹鋼復合板平行對齊，平行度< 20 μ m，中間間隙為O. 1-0. 2mm，然后用夾具螺栓固定； ②將盛有焊粉的送粉器的送粉頭對準被焊接部位； ③將氬氣管對準被焊接部位； ④將激光器的激光束垂直對準被焊接部位； ⑤開啟送粉器調控器，向被焊接部位輸送焊粉，送粉量由激光焊接機的送粉調控器程序控制，送粉速率為25-30g/min ； ⑥開啟IS氣閥，向被焊接部位輸送IS氣，IS氣輸送速度為600cm3/min； ⑦開啟激光器，激光束對準被焊接部位進行激光焊接，激光束光斑直徑O.1mm、離焦量+1mm、脈沖頻率30Hz、電壓80V,焊接速度5mm/s ； ⑧焊接結束后，關閉激光器、送粉器、氬氣閥，使其自然冷卻至25°C； ⑨將被焊接薄不銹鋼復合板拆下，重新安裝不銹鋼復合板，反面向上，用同一工藝流程焊接反面； ⑩焊接完成后，關閉激光器、送粉器、氬氣閥，使其自然冷卻至25°C，然后拆下薄不銹鋼復合板； (6)清理薄不銹鋼復合板焊縫表面 將焊接后的薄不銹鋼復合板置于平板上，用400目砂紙打磨焊接表面，消除焊瘤，使其平整； (7)清洗 將焊接并清理的薄不銹鋼復合板用乙醇擦洗，使其潔凈； (8)中溫回火 將焊接清理后的薄不銹鋼復合板置于中溫回火爐中，進行回火處理，回火溫度150。?！?°C，回火時間 60min±5min ； (9)表面清理 對中溫回火后的薄不銹鋼復合板用400目砂紙打磨，然后用800目研磨膏研磨，使表面光潔； (10)清洗 將打磨、研磨后的不銹鋼復合板用乙醇擦洗，使其潔凈；(11)檢測、分析、表征 對激光焊接后的薄不銹鋼復合板的金相組織、耐腐蝕性能、抗拉強度、延伸率、顯微硬度及化學物理性能進行檢測、分析、表征； 用光學顯微鏡對焊縫的微觀組織進行觀察分析； 用硫酸-硫酸銅溶液對焊縫進行晶間腐蝕試驗； 用電化學腐蝕設備對焊縫的耐腐蝕性能進行測試分析； 用顯微硬度儀對焊縫的硬度進行測試分析； 用拉伸試驗機對焊縫的抗拉強度進行測試； 結論薄不銹鋼復合板激光焊接后焊縫平整、牢固，接近母材的耐腐蝕性，抗拉強度為.450. 9MPa，為母材的 98. 2% 0

　　2.根據權利要求I所述屬的一種薄不銹鋼復合板的激光焊接方法，其特征在于薄不銹鋼復合板的對接焊接是在激光焊接機上進行的，是在激光束照射、送粉器送粉、氬氣保護下完成的，激光束照射功率、送粉量控制、焊接速度均是由計算機程序控制完成的；激光焊接機(I)為臥式，在激光焊接機(I)的上部為工作臺(7)，在工作臺(7)上為工作平板(8)，在工作平板(8)上部分左右對稱安裝薄不銹鋼復合板(21)、(22)，薄不銹鋼復合板(21)、(22)之間留存縫隙O. 1-0. 2_，并分別由左固定螺栓(11)、右固定螺栓(12)固定；在激光焊接機(I)的右部設有送粉器(13)及送粉盒(14)，并聯接送粉管(23)，送粉管(23)的出粉口對準兩被焊接薄不銹鋼復合板(21)、(22)的焊縫；在激光焊接機(I)的左上部設有氬氣管(16),1 氣管(16)聯接IS氣閥(17)及IS氣瓶(18),1 氣管(16)的出氣口對準兩被焊薄接不銹鋼復合板的焊縫；在激光焊接機(I)的中間上部設有激光器(19)，并由支架(15)固定，激光器(19)的激光束(20)對準兩被焊接薄不銹鋼復合板的焊縫處；激光焊接機的正面設有顯示屏(2)、指示燈(3)、電源開關(6)、激光束調控器(5)。

　　全文摘要

　　本發明涉及一種薄不銹鋼復合板的激光焊接方法，是針對薄不銹鋼復合板的結構特征，碳素鋼外包覆不銹鋼板，薄且面積大，具有彈性，給雙面焊接造成了很大困難，采用激光焊接法，先對薄不銹鋼板進行預處理，平整安裝，配制焊粉，氬氣保護，用計算機程序控制焊粉給量及激光束強度，使薄不銹鋼復合板的焊接成為可能，此焊接方法工藝先進，數據翔實準確，安全穩定可靠，焊接質量高，腐蝕性能好，焊接強度高，焊縫的平均抗拉強度達450.9MPa，為母材的98.2％，填補了薄不銹鋼復合板的焊接空白，是十分理想的薄不銹鋼復合板的激光焊接方法。

　　文檔編號B23K26/14GK102632339SQ201210081479

　　公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月14日 優先權日2012年3月14日

　　發明者劉冬, 衛朝陽, 崔澤琴, 張亞楠, 張紅霞, 王玢, 榮小明, 馬麗莉 申請人:太原理工大學