薄壁不銹鋼管激光焊機(jī)工作原理及焊接過程中注意事項(xiàng)

 薄壁縫焊不銹鋼管是國際上先進(jìn)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(shí)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(gè)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(gè)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(jìn)行。且光束可控，傳輸能量無明顯衰減，其優(yōu)點(diǎn)顯而易見。

  激光焊接過程機(jī)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(jī)制一般按傳導(dǎo)焊方式進(jìn)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(jìn)行，以致在材料作用深度內(nèi)，瞬間即達(dá)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(qiáng)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(diǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn)焊接過程機(jī)械化、自動(dòng)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(jī)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(qiáng)度高、塑韌性也好的優(yōu)良綜合性能。

一、薄壁管激光焊機(jī)

  以實(shí)驗(yàn)室對0.2mm 1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄帶的激光焊接試驗(yàn)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(jī)。

   激光焊接整機(jī)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(dòng)薄壁不銹鋼管行進(jìn)的機(jī)械工作臺(tái)。

   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(jī)的匹配和由此遵選合適的焊接速度，經(jīng)估算和試驗(yàn)實(shí)際檢測，激光器正常工作時(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(gè)可見光觀察、定位系數(shù)。這個(gè)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(hù)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(hù)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(hù)罩。我們選擇氫作為保護(hù)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(shí)也不分解吸熱，有利于維護(hù)焊區(qū)高熱量。且氫比空氣略置。使用時(shí)不易孩散，對焊區(qū)的保護(hù)有利。

   4. 機(jī)械工作臺(tái)

    激光焊機(jī)要求的工作臺(tái)是管坯成型機(jī)即卷機(jī)最后合縫勻速前進(jìn)部分。考慮到聚焦激光束光點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(jī)在調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了生產(chǎn)性試運(yùn)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(yàn)，螺旋軟管成形良好，成形軟管經(jīng)受住了7kgf/cm2試驗(yàn)壓力的考核。

  2. 焊接接頭綜合性能—— 1. 接頭抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)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(yàn)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(jī)經(jīng)調(diào)試和生產(chǎn)試運(yùn)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(yàn)，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(jì)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。