[發明專利]一種分層脈沖激光降低殷瓦鋼焊接熱裂傾向的方法

有效

• 申請號: 201510599002.1
• 申請日: 2015-09-18
• 公開（公告）號: CN105081574B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: 趙東升;黃震宇;汪驥;劉玉君
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23K26/24
• 分類號: B23K26/24;B23K26/0622;B23K26/60;B23K26/32;B23K103/04
• 代理公司: 大連星海專利事務所21208
• 代理人: 花向陽

技術領域

本發明涉及一種分層脈沖激光降低殷瓦鋼焊接熱裂傾向的方法，屬于激光焊接技術領域。

背景技術

殷瓦鋼（Invar鋼，也稱殷鋼）是FeNi36合金，其常溫線膨脹系數低于1.6×10^-6k^-1，約為低碳鋼的十分之一，而且在較大的溫度范圍內變化很小，因此廣泛用于精密測量裝置、電子工業以及液化天然氣船。隨著天然氣在能源領域中的地位越來越重要，長途運輸天然氣的液化天然氣船作為一種高難度、高附加值的船型得到了迅速的發展，而由殷瓦鋼薄膜焊接而成的液貨艙絕緣系統屏蔽層是建造難度最大的部分。

殷瓦鋼是單相奧氏體組織，熱裂敏感性高，其焊接熱裂紋問題嚴重影響了焊接質量和生產效率。殷瓦鋼焊接時容易形成熱裂紋和再熱裂紋，對于焊接熱輸入量和焊接工藝都有嚴格的要求，即使采用熱量相對集中、熱輸入量較小的鎢極氬弧焊（TIG焊）時熱裂問題仍沒有很好的解決，對于焊接工藝和焊接操作者的水平要求十分嚴格，生產效率和自動化程度低。

焊接熱裂紋是指焊接時在高溫下產生的裂紋，特征是沿原奧氏體晶界開裂，焊接熱裂傾向主要取決于焊縫金屬處于液—固相共存脆性溫度區間時的塑性和應力。因此，為了降低熱裂傾向、解決殷瓦鋼的焊接熱裂紋問題從而提高生產效率，目前主要有兩種方法，一種是改善焊縫金屬的塑性，另一種是降低焊接應力。

（1）加入填充材料，防止在殷瓦鋼奧氏體晶界處形成S、P的低熔共晶產物導致晶界脆化，以提高材料的塑性降低焊接熱裂傾向。加入Mn、Ti、Ca、Nb和C等元素能夠降低殷瓦鋼的焊接熱裂傾向，但是加入的填充材料會使得焊縫處的線膨脹系數增大，破壞殷瓦鋼的低膨脹性能，影響焊接接頭的低溫力學性能和應用價值；

（2）降低焊接應力。嚴格控制焊接工藝參數，降低焊接熱輸入量，采用固相連接方法或熱量高度集中的高能束焊接方法。采用攪拌摩擦焊方法雖然能夠實現殷瓦鋼的焊接，但是該方法用于厚度僅0.7mm的殷瓦鋼薄膜的連接較為困難，焊接變形等問題使其應用受到了限制。由于激光是高能束熱源，采用激光焊接殷瓦鋼與采用鎢極氬弧焊方法相比焊接熱輸入量明顯降低，能夠獲得無裂紋的焊接接頭，但是焊接速度過慢。

為了提高焊接速度而提高焊接功率時，由于激光焊接能量高度集中（深寬比可達15:1），因此焊縫與周圍金屬材料之間的溫度梯度急劇增大，焊后焊縫金屬冷卻速度很快，導致焊接應力的問題更為突出，容易形成焊接熱裂紋，嚴重制約了焊接速度的提高。

由上述分析可知，為了不影響殷瓦鋼的低膨脹性能，不能采用加入合金元素改善塑性的方法，只能采用降低焊接應力的方法來降低殷瓦鋼的焊接熱裂傾向。降低焊接熱輸入量采用高能束焊接方法是殷瓦鋼高速高質量焊接的發展方向，但是受到高能束焊接方法焊接溫度梯度高、焊后焊縫金屬冷卻速度快的限制，焊接速度和生產效率難以大幅提高。降低激光焊接時的溫度梯度和焊后冷卻速率是解決這一問題的關鍵，尤其是焊后冷卻過程中焊縫金屬處于液—固相共存的脆性溫度區間時的溫度梯度和冷卻速率。為了解決這一問題，提出一種分層脈沖激光焊接殷瓦鋼的方法，在脈沖激光的每個周期內實現激光能量的分層控制，在一個激光周期內實現預熱-焊接-焊后后熱，預熱激光起到降低焊接溫度梯度的作用，焊接激光實現焊縫金屬的連接，焊后后熱激光起到降低焊后焊縫金屬冷卻速率的作用，從而降低殷瓦鋼的焊接熱裂傾向。

發明內容

本發明是提供一種分層脈沖激光降低殷瓦鋼焊接熱裂傾向的方法。在激光的每個周期內采用分層脈沖激光控制激光能量，在每一個激光周期內實現預熱-焊接-焊后后熱，預熱激光起到降低焊接溫度梯度的作用，焊接激光實現焊縫金屬的連接，焊后后熱激光起到降低焊后焊縫金屬冷卻速率的作用。通過調整分層激光功率和脈寬控制分層激光能量來控制預熱溫度及范圍、焊接熱輸入量和焊后后熱能量，結合脈沖頻率的控制來調整焊接溫度梯度和焊后冷卻速度，達到降低殷瓦鋼激光焊的焊接應力的目的，以解決殷瓦鋼焊接熱裂紋的問題。通過該方法可以大幅提高焊接速度并降低殷瓦鋼的焊接熱裂紋傾向。

本發明采用的技術方案是：一種分層脈沖激光降低殷瓦鋼焊接熱裂傾向的方法，所述方法采用下列步驟：

（1）把切割好的殷瓦鋼試件用乙醇清洗連接表面，然后用水沖洗并用風扇吹干，放入焊接工作臺的夾具中固定，在焊縫起始端和收尾處用激光點焊固定；

（2）調整激光焊接頭高度與殷瓦鋼試件表面的距離為80-100mm，激光正離焦3-8mm，調整保護氣噴嘴與殷瓦鋼試件表面距離10-15mm處并成45度角，保護氣流量10-15L/min；