[发明专利]不锈钢薄壁无气孔激光焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是不锈钢激光焊接方法，特别是不锈钢薄壁无气孔激光焊接方法。

背景技术

激光焊是利用激光束，在金属表面形成高温，使金属表面熔融，以实现焊接作用。目前已广泛应用与汽车、电子等行业，其特点是适用于小焊区、薄壁件焊接。激光焊接与传统的电焊等焊接方法相比，焊缝表面质量高，热影响区小，焊接残余应力低。 

但在应用中也发现了一些问题，由于脉冲激光束作用于金属表面时，是一个能量周期变化过程，焊缝周围的保护气体和空气，在脉冲能量作用下流速加快，容易进入熔融区，特别是不锈钢材料，其熔铸性较差，很容易在熔池内行成气孔。 

在一般结构件焊接中，对焊缝中的气孔要求并不严格，即使是贯通性气孔，也允许存在。但在石油、化工装备行业，有介质密封要求的情况，贯通性气孔是不允许存在的。 

附图1所示，是无坡口、无填充材料的激光自熔焊接，焊后焊缝区的截面特征如图2所示。这种激光自熔焊接可满足一般结构件连接的焊接要求，但焊缝中易出现贯通性气孔，其原因是激光焊的熔池比较浅，而保护气体和空气受激光脉冲的作用，会被搅动并发生快速流动，不断进入熔池而形成气泡，较浅的熔池对气泡的浮力作用小，温度下降快，结晶也较快，当气泡尚未脱离熔池时，熔池已结晶，气泡就会成为焊缝中的气孔，当气孔直径大于熔池深度时，则形成贯通性气孔。具体来说壁厚＜0.5mm时，会因熔池太小，使结晶较快，壁厚＞3mm时，会因散热快也使结晶较快，气孔出现的概率都会加大。 

对于焊接壁厚3mm≥δ≥0.5mm的不锈钢件，以304不锈钢材料，长度为100mm的焊缝为例，所适用的激光焊机的焊接参数及状态见附表1。其在总焊缝条数中出现贯通性气孔的焊缝条数所占的百分比是80～90%，可见气孔的发生率是很高的。既使调整焊接参数，也没有明显变化。焊接参数是针对一定的焊接壁厚尺寸设定的，对于一定的焊接壁厚尺寸，焊接参数要与其对应，调整至合理状态，否则熔池难以形成，不能正常焊接。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于焊接壁厚3mm≥δ≥0.5mm的不锈钢件，焊缝中无填充材料、焊缝无贯通性气孔的不锈钢材料激光焊接方法。

本发明激光焊接方法：

针对不锈钢材料，壁厚在3mm≥δ≥0.5mm，焊缝中无填充材料；

焊接工艺参数：脉宽1～3ms,频率40～50Hz，单点能量5～7J,功率2.5～3.5kW，速度5～12mm/s；

坡口开设：坡口形式不论是外圆对接环焊缝还是平面对接焊缝，坡口设计分别为如图3所示的V形或图5所示的间槽形两种形状；

坡口角度θ=15°~20°或坡口间槽宽度a=0.1～0.2mm，深度h=0.5～2mm；壁厚≤1mm时，深度可与壁厚基本相等。

根据坡口加工难易程度，外圆对接环焊缝主选V形焊接坡口，平面对接焊缝可选平行间槽形坡口。其焊缝成形特征见图4、图6。 

焊接工艺参数与焊接壁厚尺寸有关，对应焊接壁厚尺寸由小至大，除焊接速度外，焊接工艺参数选值也相应由小至大，具体焊接工艺参数选择见附表2、3。若所取焊接工艺参数值小于此范围下限，会出现熔透性差的问题，焊缝会有缺口，导致焊接不上；若所取焊接工艺参数值大于此范围上限，会出现过度熔透的问题，会将焊接处焊漏。焊接速度与其它参数相反，对应焊接壁厚尺寸由小至大，焊接速度则由快到慢。原因是较大的壁厚尺寸，所需的焊接能量偏大，速度慢会增大单位长度上的能量。 

坡口角度或坡口间槽宽度的开设与深度相关，坡口深度浅时所需的坡口角度或坡口间槽宽度则相对大些，利用焊件表面熔融后，在重力和高温气流作用下的金属流动特点，使坡口内连续熔铸，形成窄缝特征的熔池，其形成的熔池深度比无坡口焊接的熔池深，结晶速度相对慢些，熔池中的气泡在浮力作用下，会分布于接近表面的区域，并在焊缝结晶前脱离熔池，不致成为贯通性气孔。 

壁厚在3mm≥δ≥0.5mm，坡口角度θ=15°~20°或坡口间槽宽度a=0.1～0.2mm，所形成的缝隙和深度与金属流动状态相匹配，坡口角度、坡口间槽宽度或大或小都会使焊接质量变差，坡口角度大、坡口间槽宽，使熔池变宽变浅，结晶快且气泡进入多，易出现气孔。坡口角度小、坡口间槽窄，则使熔池呈表面浅层特征，即与无坡口近似，也易出现气孔。平面对接焊特点与外圆环焊缝相同。