一种薄不锈钢复合板的激光焊接方法

摘要

本发明涉及一种薄不锈钢复合板的激光焊接方法，是针对薄不锈钢复合板的结构特征，碳素钢外包覆不锈钢板，薄且面积大，具有弹性，给双面焊接造成了很大困难，采用激光焊接法，先对薄不锈钢板进行预处理，平整安装，配制焊粉，氩气保护，用计算机程序控制焊粉给量及激光束强度，使薄不锈钢复合板的焊接成为可能，此焊接方法工艺先进，数据翔实准确，安全稳定可靠，焊接质量高，腐蚀性能好，焊接强度高，焊缝的平均抗拉强度达450.9MPa，为母材的98.2％，填补了薄不锈钢复合板的焊接空白，是十分理想的薄不锈钢复合板的激光焊接方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄不锈钢复合板的激光焊接方法，属金属材料板材 焊接及应用的技术领域。

背景技术

不锈钢板由于具有强度好、硬度高、耐腐蚀、表面光洁等特点，具 有广泛的用途，常在石油、化工、轻工、电力及锅炉耐压容器中应用； 但由于不锈钢价格较贵，常在普通碳素钢板上外包覆一层薄不锈钢板， 覆层不锈钢材料用以阻止介质的腐蚀，基体碳钢材料承受载荷，其价格 为普通不锈钢的1/2左右；将这些不锈钢复合板做成容器、管材等产品， 必然要使用焊接技术。

对于包覆层厚度0.8mm的不锈钢复合板的焊接工艺已经成熟，然而 对于包覆层厚度＜0.8mm，特别是≤0.5mm的薄不锈钢复合板的焊接仍然 存在较大问题，一是不锈钢与碳素钢在晶体学特征、热膨胀性、导热性、 力学性能方面存在较大差异，所以不锈钢复合板焊接要比同种钢困难； 二是薄层不锈钢复合板的焊接工艺较难控制，尤其是双面薄不锈钢复合 板，由于包覆层厚度较薄，不能分基层、过渡层和包覆层分别焊接；三 是因为基层碳素钢非常容易稀释包覆层不锈钢焊缝区，使焊缝区Cr、Ni 含量降低，造成焊缝区的耐腐蚀性能严重下降，从而制约了薄不锈钢复 合板的广泛应用。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对薄层不锈钢复合板难以对接焊接问题，采用激 光焊接法，使用铬镍合金粉，在激光焊接机上进行焊接，经打磨、退火 处理，即成为焊接成品，以使薄层不锈钢复合板焊接成为可能，以大幅 度提高薄不锈钢复合板的耐腐蚀性能和焊接质量。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：薄不锈钢复合板、铬镍合金粉、乙 醇、氩气、砂纸、研磨膏，其组合准备用量如下：以毫米、克、毫升、 厘米³为计量单位

薄不锈钢复合板：200mm×80mm×1mm    2块

                中间碳素钢板厚度0.8mm

                包覆层不锈钢板单面厚度0.1mm

                铬镍合金粉：500g±10g

成分组成：

乙醇：C₂H₆O  1000ml±10ml

氩气：Ar  10000cm³±100cm³

砂纸：300mm×200mm×1mm，400目2张

研磨膏：Φ50mm×100mm，800目  1块

激光焊接方法如下：

(1)精选化学物质材料

对激光焊接使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制： 薄不锈钢复合板：固态板形

铬镍合金粉：固态粉体

乙醇：液态液体    99.99％

氩气：气态气体    99.99％

砂纸：固态纸状

研磨膏：固态固体

(2)Cr、Ni粉末配制计算

利用杠杆定律，填充材料在舍弗勒图中位置，得出铬当量Cr_eq和镍 当量Ni_eq分别为36-37％和16-17％；

(3)预处理薄不锈钢复合板

①薄不锈钢复合板厚度为1mm，中间碳素钢板厚度为0.8mm，单面 不锈钢包覆层厚度为0.1mm；

②被焊接薄不锈钢复合板为两块，尺寸、规格一样，呈矩形板状；

③将被焊接薄不锈钢复合板用夹具分别固定，确定被焊接部位，两 块板之间留有间隙0.1-0.2mm；

④被焊接板材固定后，用乙醇清洗被焊表面污渍，然后晾干；

(4)预处理铬镍合金粉

①将铬镍合金粉置于球磨机中，进行球磨，转速200r/min，球磨 300min后用300目筛网过筛，反复进行，细粉颗粒直径≤0.05mm；

②将研磨后的铬镍合金粉置于干燥箱内干燥，干燥温度110℃±2℃， 干燥时间240min±5min；

(5)激光焊接薄不锈钢复合板

薄不锈钢复合板的焊接是在激光焊接机上进行的，是在激光束照射、 送粉器送粉、氩气保护下完成的，激光束照射输出功率、送粉量、焊接 速度均是由计算机程序控制完成的；

①将工作平板置于激光焊接机的工作台上并固定；将被焊接的薄不 锈钢复合板分左右对称安装在工作平板上，正面向上，两被焊接的薄不 锈钢复合板平行对齐，平行度≤20μm，中间间隙为0.1-0.2mm，然后用 夹具螺栓固定；

②将盛有焊粉的送粉器的送粉头对准被焊接部位；

③将氩气管对准被焊接部位；

④将激光器的激光束垂直对准被焊接部位；

⑤开启送粉器调控器，向被焊接部位输送焊粉，送粉量由激光焊接 机的送粉调控器程序控制，送粉速率为25-30g/min；

⑥开启氩气阀，向被焊接部位输送氩气，氩气输送速度为 600cm³/min；

⑦开启激光器，激光束对准被焊接部位进行激光焊接，激光束光斑 直径0.1mm、离焦量+1mm、脉冲频率30Hz、电压80V，焊接速度5mm/s；

⑧焊接结束后，关闭激光器、送粉器、氩气阀，使其自然冷却至25 ℃；

⑨将被焊接薄不锈钢复合板拆下，重新安装不锈钢复合板，反面向 上，用同一工艺流程焊接反面；

⑩焊接完成后，关闭激光器、送粉器、氩气阀，使其自然冷却至25 ℃，然后拆下薄不锈钢复合板；

(6)清理薄不锈钢复合板焊缝表面

将焊接后的薄不锈钢复合板置于平板上，用400目砂纸打磨焊接表 面，消除焊瘤，使其平整；

(7)清洗

将焊接并清理的薄不锈钢复合板用乙醇擦洗，使其洁净；

(8)中温回火

将焊接清理后的薄不锈钢复合板置于中温回火炉中，进行回火处理， 回火温度150℃±2℃，回火时间60min±5min；

(9)表面清理

对中温回火后的薄不锈钢复合板用400目砂纸打磨，然后用800目 研磨膏研磨，使表面光洁；

(10)清洗

将打磨、研磨后的不锈钢复合板用乙醇擦洗，使其洁净；

(11)检测、分析、表征

对激光焊接后的薄不锈钢复合板的金相组织、耐腐蚀性能、抗拉强 度、延伸率、显微硬度及化学物理性能进行检测、分析、表征；

用光学显微镜对焊缝的微观组织进行观察分析；

用硫酸-硫酸铜溶液对焊缝进行晶间腐蚀试验；

用电化学腐蚀设备对焊缝的耐腐蚀性能进行测试分析；

用显微硬度仪对焊缝的硬度进行测试分析；

用拉伸试验机对焊缝的抗拉强度进行测试；

结论：薄不锈钢复合板激光焊接后焊缝平整、牢固，接近母材的耐 腐蚀性，抗拉强度为450.9MPa，为母材的98.2％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对薄不锈钢复合板 的结构特征，包覆面为不锈钢板，中间为碳素钢板，二者物理化学性能 及力学性能相差较大，薄且面积大，给焊接造成了很大困难，采用激光 焊接，先对薄不锈钢复合板进行预处理，精确安装，配制焊粉，氩气保 护，用计算机程序控制激光束焊接参数及轨迹，并用计算机程序控制焊 粉送给量，使薄不锈钢复合板的焊接成为可能，此对接焊接方法工艺先 进，安全稳定可靠，焊接质量高，接近母材的耐蚀性能，焊缝强度高， 焊缝的抗拉强度为450.9MPa为母材的98.2％，填补了薄不锈钢复合板的 对接焊接空白，是十分理想的薄不锈钢复合板的激光焊接方法。

附图说明

图1为薄不锈钢复合板激光对接焊接状态图

图2为薄不锈钢复合板结构图

图3为单面焊接熔池横截面图

图4为试板对接焊接示意图

图5为焊缝舍弗勒图

图6为薄不锈钢复合板激光对接焊缝横切面金相组织图

图7为薄不锈钢复合板激光对接焊缝的晶间腐蚀形貌图

图8为薄不锈钢复合板激光对接接头晶间腐蚀后弯曲形貌图

图9为薄不锈钢复合板母材和激光对接焊缝电化学腐蚀极化曲线图

图10为薄不锈钢复合板母材与激光对接焊接试件拉伸曲线对比图

图11为薄不锈钢复合板激光对接接头横断面显微硬度分布曲线图

图中所示，附图标记清单如下：

1、激光焊接机，2、显示屏，3、指示灯，4、送粉器调控器，5、激 光束调控器，6、电源开关，7、工作台，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、氩气管，17、氩气阀，18、氩气瓶，19、激光 器，20、激光束，21、左薄不锈钢复合板，22、右薄不锈钢复合板，23、 送粉管。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为薄不锈钢复合板激光对接焊接状态图，各部位置、联 接关系要正确，按量输送焊粉、通氩气，按序操作。

焊接使用的化学物质材料的量值，是按预先设置的范围确定的，以 毫米、克、毫升、厘米³为计量单位。

薄不锈钢复合板的对接焊接是在激光焊接机上进行的，是在激光束 照射、送粉器送粉、氩气保护下完成的，激光束照射功率、送粉速率、 焊接速度均是由计算机程序控制完成的；激光焊接机1为卧式，在激光 焊接机1的上部为工作台7，在工作台7上部为工作平板8，在工作平板 8上部分左右对称安装薄不锈钢复合板21、22，薄不锈钢复合板21、22 之间留有缝隙0.1-0.2mm，并分别由左固定螺栓11、右固定螺栓12固定； 在激光焊接机1的右部设有送粉器13及送粉盒14，并联接送粉管23， 送粉管23的出粉口对准两被焊接薄不锈钢复合板21、22的焊缝；在激 光焊接机1的左上部设有氩气管16，氩气管16联接氩气阀17及氩气瓶 18，氩气管16的出气口对准两被焊接薄不锈钢复合板21、22的焊缝； 在激光焊接机1的中间上部设有激光器19，并由支架15固定，激光器 19的激光束20对准两被焊接薄不锈钢复合板的焊缝处；激光焊接机的 正面设有显示屏2、指示灯3、电源开关6、激光束调控器5。

对于0.1mm+0.8mm+0.1mm的双面薄不锈钢复合板，利用Cr、Ni 粉体材料做填加材料，依据熔池大小，调节Cr、Ni粉末含量，使焊缝金 属Cr、Ni含量与覆层不锈钢中的Cr、Ni含量一致，可达到同等的抗腐 蚀性能。

对于0.1mm+0.8mm+0.1mm的双面薄不锈钢复合板，依据激光单面 焊熔池横断面形状，设计对接部位，间隙0.1-0.2mm；间隙内应填充的金 属面积为0.5×0.2mm²，覆层不锈钢熔化面积为0.065mm²，基层碳钢熔化 面积为0.100mm²；利用杠杆定律，填充材料在舍弗勒图中的位置，得出 Cr_eq和Ni_eq分别为36-37％和16-17％，考虑到粉末密实度，焊接时粉末高 出0.2mm、宽1.5mm，宽度直接由激光光斑控制。

图2所示，为薄不锈钢复合板结构图，图中可知，中间为碳素钢板， 厚度为0.8mm，两面由不锈钢板包覆，单面厚度为0.1mm，整体厚度为 1.0mm。

图3所示，为单面焊接熔池横截面图，根据激光单面焊接熔池横断 面形状计算填充材料。

图4所示，为试板对接焊接示意图，为了方便计算，设置焊缝截面 为双梯形，间隙内应填充的金属面积为0.5×0.2mm²，覆层不锈钢熔化面 积为0.065mm²，基层碳钢熔化面积为0.100mm²。

图5所示，为焊缝舍弗勒图，利用杠杆定律，可以推算出填充材料 在舍弗勒图中位置，即得出了Cr_eq和Ni_eq分别为36-37％和16-17％，即 IV点。

图6所示，为薄不锈钢复合板激光对接焊缝的横切面金相组织图， 图中可知，焊缝均匀，边缘清晰，达到了冶金结合，与被焊薄不锈钢复 合板熔为一体，焊缝成型良好，无气孔、裂纹缺陷。

图7所示，为薄不锈钢复合板激光对接焊缝的晶间腐蚀形貌图，晶 间腐蚀后的焊缝表面与腐蚀前没有明显变化，仍然光亮如新。

图8所示，为薄不锈钢复合板激光对接接头晶间腐蚀后弯曲形貌图， 对双面薄不锈钢复合板焊后试板全厚度进行180°弯曲试验，以检验焊缝 的耐晶间腐蚀性能，由图可知，该弯曲试样无裂纹，说明晶间腐蚀合格。

图9所示，为薄不锈钢复合板母材与激光对接焊缝电化学腐蚀极化 曲线图，测试结果表明：试样在3.5wt％NaCl溶液腐蚀后，焊缝表面没 有明显变化，利用塔菲尔极化曲线外推法可以得出，母材和焊缝的自腐 蚀电位E_corr分别为-0.322V和-0.319V，自腐蚀电流i_corr分别为 7.779×10^-7A·cm^-2和7.962×10^-7A·cm^-2，根据试样腐蚀前后的质量差可算出 腐蚀速率分别为1.44×10^-4g·mm^-2·h^-1和1.45×10^-4g·mm^-2·h^-1，说明焊缝与 母材的耐腐蚀性能接近。

图10所示，为薄不锈钢复合板母材与激光对接焊接试件拉伸曲线对 比图，经测量，母材的平均抗拉强度为459.2MPa，平均延伸率为47.6％， 焊缝的平均抗拉强度为450.9MPa，平均延伸率为19.4％。

图11所示，为薄不锈钢复合板激光对接焊接接头横断面显微硬度分 布曲线图，分别沿着a、b、c三线进行测量，取平均值进行分析，经测量 可知，母材包覆层组织的平均硬度为236.2HV_0.1，母材基层组织的平均硬 度为200.2HV_0.1，焊缝组织的平均硬度为325.8HV_0.1，明显高于母材。