薄壁不銹鋼管激光焊機工作原理及焊接過程中注意事項

 薄壁縫焊不銹鋼管是國際上先進的耐壓金屬管代表，其性能明顯優(yōu)于纏繞式結(jié)構(gòu)的釬焊和滾焊管，并接近整體管水平。但薄壁不銹鋼管焊接技術(shù)上存在不少困難:主要是板薄不適宜加城充絲，焊前拼接間隙極小，要求嚴(yán)格;施焊時容易焊穿，焊接變形使焊件就曲向突出。就技術(shù)可行性和國內(nèi)外使用現(xiàn)狀看，薄壁不銹鋼管焊接主要有四種方法可供選擇:即小電流鎢極氫孤焊、微束等離子弧焊、真空電子束焊以及激光焊。相比之下，無論從焊接質(zhì)量還是生產(chǎn)效率考慮，具有高能量密度的電子束焊和激光焊都處于領(lǐng)先位置。但電子束焊接要一個真空工作室，或者說，需要在真空中才能獲得最佳效應(yīng)。此外，它還有一個防X線幅射問題。而激光焊則可在大氣壓下于空氣或其它氣氛中進行。且光束可控，傳輸能量無明顯衰減，其優(yōu)點顯而易見。

  激光焊接過程機制，包括傳導(dǎo)焊型和具有小孔效應(yīng)的深熔焊型兩種。薄壁不銹鋼管焊接，其機制一般按傳導(dǎo)焊方式進行，激光束照射到被焊材料表面，光束能被材料表層自由電子所吸收。激光光束的吸收導(dǎo)致電子能量提高，從而大大被過熱，通過碰摘，能量向離子晶格傳遞，這就使光能轉(zhuǎn)換成熱能。隨后，熱量再向材料內(nèi)部傳導(dǎo)。由于激光束能量密度很高，這種熱傳導(dǎo)過程將以極快的速度進行，以致在材料作用深度內(nèi)，瞬間即達到焊接所需的熔化溫度。

  激光提供二種易控、化學(xué)干凈和高度強化的大氣焊接過程，概括起來，激光焊接薄壁不銹鋼管的主要優(yōu)點是:

   1. 聚焦后的激光束具有105W/cm2，以上高功率密度，由于能量集中，激光焊接過程中加熱和冷卻速度很高，導(dǎo)致焊縫和近縫熱影響區(qū)尺寸較窄，整個焊接接頭變形很小。

   2. 焊接過程不需要電極和填充材料，也不需要如電子束焊要求那樣的真空工作室。

   3. 激光束易控，便于傳輸，易實現(xiàn)焊接過程機械化、自動化。在較高速度下，可獲得精確焊縫。

   4. 焊接薄壁不銹鋼管過程高的加熱和冷卻速度，可獲得微細(xì)化的結(jié)晶組織。二氧化碳激光焊機制產(chǎn)生的純化作用，可形成純凈、雜質(zhì)少的焊縫成分。從而使激光焊縫金屬具有強度高、塑韌性也好的優(yōu)良綜合性能。

一、薄壁管激光焊機

  以實驗室對0.2mm 1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄帶的激光焊接試驗作為軟管坯激光焊接可行性的前沿探索，并取得相應(yīng)的焊接工藝控制參數(shù)和滿意的焊縫外觀和良好的焊接接頭性能基礎(chǔ)上，研制了薄壁管激光焊接機。

   激光焊接整機包括: 光源—激光器，導(dǎo)光及觀察系統(tǒng)，焊炬以及夾持并驅(qū)動薄壁不銹鋼管行進的機械工作臺。

   1. 激光器

     對薄壁不銹鋼管激光焊接來說，首先要求光束模式為TEM +低階模。具備這種模式的光束能量集中，焊接熱效率高，較易獲得窄的焊縫和近縫熱影響區(qū)。焊件變形也小。其次，考慮到導(dǎo)光過程中的傳輸效果和聚焦需要。要求光束發(fā)散角盡可能小。薄金屬焊接一般并不需要很高功率，尤其考慮到與薄帶成形的卷管機的匹配和由此遵選合適的焊接速度，經(jīng)估算和試驗實際檢測，激光器正常工作時輸出功率在kw以下就能滿足要求。從國內(nèi)激光器研制生產(chǎn)實際考慮，我們選定南京772廠研制，帶氣體再生裝里的縱向流動工業(yè)二氧化碳激光器。

   2. 導(dǎo)光觀察系統(tǒng)

     對導(dǎo)光系統(tǒng)總的要求是傳輸中光能損失應(yīng)盡可能小。為此精選了光學(xué)元件，確保傳輸性能良好。同時充分考慮了光路調(diào)節(jié)的靈活性和工作可靠性。由于二氧化碳激光束屬不可見的紅外波段，故在光路中另設(shè)里一個可見光觀察、定位系數(shù)。這個系統(tǒng)與導(dǎo)光系統(tǒng)處于可互換位置。

   3. 焊炬

    其主要功能為保護焊接區(qū)免受外界空氣和其它雜質(zhì)的污染，為此焊炬流出的保護氣體應(yīng)均勻、集中。在激光束與材料作用區(qū)周圍形成保護罩。我們選擇氫作為保護氣體，它屬情性氣體，既不與金屬起化學(xué)作用，也不溶解于金屬中。其導(dǎo)熱系數(shù)小，是單原子氣體。高溫時也不分解吸熱，有利于維護焊區(qū)高熱量。且氫比空氣略置。使用時不易孩散，對焊區(qū)的保護有利。

   4. 機械工作臺

    激光焊機要求的工作臺是管坯成型機即卷機最后合縫勻速前進部分?？紤]到聚焦激光束光點很小，薄金屬激光焊對薄壁不銹鋼管裝配精確度要求高，管坯在拼縫口合攏后的運動軌跡偏擺和拼縫間隙控制在幾十微米以內(nèi)。此外，為了克服焊接過程中產(chǎn)生的張應(yīng)力，焊點拼縫兩側(cè)要求有幾公斤的壓緊力。

二、焊管性能檢測

  激光焊機在調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，進行了生產(chǎn)性試運行。結(jié)果表明: 試制規(guī)格 20mm*0.2mm的不銹鋼軟管坯激光焊接過程及焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，經(jīng)過檢測，其綜合性能如下:

  1. 旋壓成型工藝性——總長為220多米的26根焊接管經(jīng)旋壓試驗，螺旋軟管成形良好，成形軟管經(jīng)受住了7kgf/cm2試驗壓力的考核。

  2. 焊接接頭綜合性能—— 1. 接頭抗拉強度:=60～64kg/mm2。并均斷在母材處。而國標(biāo)對1Cr18Ni9Ti薄壁不銹鋼無縫管強度要求為≥56kg/mm2;  2. 抗靜壓爆破破壞壓力測定為430～460kg/cm2，不銹鋼耐壓管許用工作壓力值為120kg/cm2,靜壓爆破破壞壓力試驗值為上值的三倍，即不小于360kg/cm2就合格。3. 抗晶蝕性，按國際法抗晶間腐蝕試驗檢測，焊接接頭區(qū)都無晶蝕傾向。

  3. 焊縫顯徽組織—— 1. 金相顯徽鏡下觀察，焊縫區(qū)未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜或其它捍接缺陷，接頭區(qū)焊合良好。2. 激光焊接區(qū)焊縫顯微組織遠(yuǎn)比鎢極氫弧焊焊縫組織為細(xì)。焊縫區(qū)組織由奧氏體基體和枝狀鐵素體以及極少量碳化物粒子組成。 3. 掃描及透射電鏡顯示出高倍率下鐵素體枝狀晶體態(tài)。

三、結(jié)論

  1. 為縫焊薄壁不銹鋼管管坯研制的激光焊接機經(jīng)調(diào)試和生產(chǎn)試運行，成功地試制了20mm*0.20m焊接管約500米，其成型、焊接綜合合格率超過85%。

  2. 激光縫焊管具有良好力學(xué)性能和抗晶蝕性?？p焊管經(jīng)旋壓成形，焊管通過靜壓爆破試驗，其耐壓值完全符合要求。

  3. 激光縫焊管生產(chǎn)有著良好的經(jīng)濟發(fā)展前景。初步估算，管坯成本為無縫管的44%，成型波紋管成本分別為釬焊、滾焊管和整體管的80%和60%。

  4. 激光縫焊薄壁不銹鋼管管坯試制成功并應(yīng)用于生產(chǎn)線，國內(nèi)尚屬首次。