基于大功率激光焊的铁素体不锈钢熔池柱状晶控制方法技术

本发明专利技术涉及铁素体不锈钢激光焊接领域，基于大功率激光焊的铁素体不锈钢熔池柱状晶控制方法，包括以下步骤：步骤一：高功率低速焊接；步骤二：低角度大流量气体保护。步骤三：超低温保护气焊接通过保护氦气冷却装置实现。本发明专利技术极大改善了铁素体不锈钢自熔焊接性，使焊接接头强度、韧性大幅提高，满足大部分情况下的力学性能要求。拓展了铁素体不锈钢应用范围，在部分领域可替代奥氏体不锈钢，降低使用成本。成本。成本。

【技术实现步骤摘要】
基于大功率激光焊的铁素体不锈钢熔池柱状晶控制方法


[0001]本专利技术涉及铁素体不锈钢激光焊接领域，尤其涉及一种基于大功率激光焊的铁素体不锈钢熔池柱状晶控制方法。

技术介绍

[0002]铁素体不锈钢是一种耐蚀性良好的不锈钢，主要应用在耐腐蚀能力而不是要求力学性能的场合，但其较差的焊接性极大制约了铁素体不锈钢的应用范围。主要表现在自熔焊接时焊缝晶粒极易长大，同时形成对生柱状晶，导致其焊缝力学性能极差无法承载较大载荷，制约了应用市场的拓展。
[0003]几年来激光行业发展迅猛，针对铁素体不锈钢受热输入敏感的特点，工业生产中常采用激光焊接方式进行焊接加工，同时基于激光焊接工艺能量密度高的特点，在一些重要承载结构的连接上，常采用激光焊接技术。但铁素体不锈钢激光焊接相比其他焊接方式虽然能大幅减少晶粒的长大，但在焊缝中仍然会出现大量对生柱状晶，在焊缝中心处有一条明显的晶界，此处发生成分偏析并且位错密度大，在拘束度较大的场合大概率会沿其中心线产生裂纹，导致焊缝开裂。
[0004]因此，亟需一种控制焊缝中柱状晶生长并在中心处相遇并在焊缝中心形成最终凝固晶界的方法。
[0005]本专利技术的目的在于提出一种基于大功率激光焊的铁素体不锈钢熔池柱状晶控制方法，可以在焊缝中心处形成等轴晶，避免在焊缝中心发生成分偏析并造成位错集中，改善焊缝力学性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是针对上述问题，提供一种基于大功率激光焊的铁素体不锈钢熔池柱状晶控制方法。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：基于大功率激光焊的铁素体不锈钢熔池柱状晶控制方法，包括以下步骤：步骤一：高功率低速焊接：适用于3.0
‑
8.0mm厚度铁素体不锈钢，焊接速度2
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5m/min，并匹配相应激光功率10
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12kw；步骤二：低角度大流量气体保护：保护气喷嘴与焊接工件间夹角为10
°‑
15
°
，气体流量在70
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80L/min；步骤三：超低温保护气焊接：使用液氮冷却保护气，以
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50℃至
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80℃氦气抑制等离子体并冷却熔池上表面，在熔池中形成三维热流条件，熔池温度梯度由原来的2个变为3个，最终形成椭圆形焊接熔池并在焊缝中心形成大量等轴晶。
[0008]步骤三超低温保护气焊接通过保护氦气冷却装置实现，保护氦气冷却装置包括液氮冷却罐、保护气嘴、保护气瓶，液氮冷却罐为密封罐，冷却铜管置于液氮冷却罐内部，冷却铜管通过与罐口的内螺纹配合固定于液氮冷却罐顶部，冷却铜管的进气口、出气口分别通过通气软管A、通气软管B与保护气瓶、保护气嘴相连接，保护气嘴正对激光头下方焊接熔池，实现低温保护下的激光焊接，液氮冷却罐含液氮40％～60％，冷却铜管不接触液氮冷却
罐底部，要求冷却铜管内径3mm，在40％～60％液氮容量情况下有18
‑
25m长度的冷却铜管浸入液氮中，确保气嘴出口保护气温度在
‑
50℃至
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80℃。
[0009]本专利技术的有益效果是：1)熔池形态有泪滴形改变为椭圆形，图1、图2所示。2)焊缝组织由单一对生柱状晶变为柱状晶+中心等轴晶，避免了焊缝中心发生成分偏析并造成位错集中，如图2、图3所示。3)极大改善了铁素体不锈钢自熔焊接性，使焊接接头强度、韧性大幅提高，满足大部分情况下的力学性能要求。4)拓展了铁素体不锈钢应用范围，在部分领域可替代奥氏体不锈钢，降低使用成本。
附图说明
[0010]下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。
[0011]图1：泪滴形熔池示意图。
[0012]图2：椭圆形熔池示意图。
[0013]图3：常规激光焊接焊缝组织中以柱状晶为主附图。
[0014]图4：本专利技术激光焊缝组织为柱状晶+中心等轴晶附图。
[0015]图5：低角度大流量气体保护示意图。
[0016]图6：保护氦气冷却装置结构示意图。
[0017]其中：1.保护气嘴、2.冷却铜管、3.软管B、4.出气口、5.进气口、6.软管A、7.液氮冷却罐、8.气瓶。
实施方式
[0018]铁素体不锈钢对于热输入敏感，焊接过程中晶粒易长大，焊缝中大量对生柱状晶，对焊缝力学性能影响极大，无法满足大量负载场合使用要求，本专利技术通过高功率低速焊接、低角度大流量气体保护、超低温保护气焊接三种手段形成三维热流条件，改善熔池凝固模式，最终形成椭圆形焊接熔池并在焊缝中心形成大量等轴晶，改善了焊缝力学性能，满足部分负载场合的使用要求。
[0019]焊接熔池的宏观形状决定于材料本身的物理特性、焊接参数以及传热条件的组合，常见的熔池形状有泪滴形和椭圆形两种。目前铁素体不锈钢热导率相对较低，采用大功率激光焊快速焊接时，熔池呈现泪滴状，在拘束度较大的场合，极易沿其中心线产生裂纹，所以要避免出现泪滴状的焊接熔池。椭圆形熔池在焊缝中心形成大量等轴晶，出现非联生形核和长大，避免在焊缝中心发生成分偏析并造成位错集中，改善焊缝力学性能。为达到此目的本专利技术采用以下技术方案：1.高功率低速焊接，调整工艺参数，适当降低焊接速度并匹配相应激光功率（≥10kw），稍微延缓熔池凝固速度。2.低角度大流量气体保护，保护气喷嘴与焊接工件间夹角大致在10
°‑
15
°
之间，气体流量在70
‑
80L/min，减少气孔产生的同时加强保护效果，如图5所示。3.超低温保护气焊接，使用液氮冷却保护气，以
‑
50℃至
‑
80℃氦气抑制等离子体并冷却熔池上表面，在熔池中形成三维热流条件，熔池温度梯度由原来的2个变为3个，最终形成椭圆形焊接熔池并在焊缝中心形成大量等轴晶。4.保护氦气冷却装置如图6所示，包括液氮冷却罐、保护气嘴、保护气瓶、冷却铜管部分置于液氮冷却罐内部，冷却铜管部分通过与罐口的内螺纹配合固定于液氮冷却罐顶部，螺旋铜管的进气口、出气口分别通过通气软管A、通气软管B与保护气瓶、保护气嘴相连接，保护气嘴正对激光头下方焊接熔
池，实现低温保护下的激光焊接，液氮冷却罐含液氮40％～60％，螺旋铜管不接触所述液氮冷却罐底部，要求冷却铜管内径3mm，在40％～60％液氮容量情况下有18
‑
25m长度的冷却铜管浸入液氮中，确保气嘴出口保护气温度在
‑
50℃至
‑
80℃，如图6所示。
实施例1
[0020]焊接4.5mm厚度439不锈钢，激光功率11kw，焊接速度4m/min，保护气体流量60L/min，保护气喷嘴与焊接工件间夹角为13
°
，液氮在冷却罐中液位在50%，经测温枪检测，保护气嘴出口处温度
‑
68℃，焊接过程飞溅很小，焊缝组织金相检测存在大量等轴晶，无明显对生柱状晶，力学性能杯凸起裂点及开裂方向均在母材上，拉伸实验断裂处在母材上，焊缝力学性能良好。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于大功率激光焊的铁素体不锈钢熔池柱状晶控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：高功率低速焊接：适用于3.0
‑
8.0mm厚度铁素体不锈钢，焊接速度2
‑
5m/min，并匹配相应激光功率10
‑
12kw；步骤二：低角度大流量气体保护：保护气喷嘴与焊接工件间夹角为10
°‑
15
°
，气体流量在70
‑
80L/min；步骤三：超低温保护气焊接：使用液氮冷却保护气，以
‑
50℃至
‑
80℃氦气抑制等离子体并冷却熔池上表面，在熔池中形成三维热流条件，熔池温度梯度由原来的2个变为3个，最终形成椭圆形焊接熔池并在焊缝中心形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：石育帆，张良，郭晓雷，杨兴洲，刘治宏，蒋朋，
申请(专利权)人：山西太钢不锈钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：