[发明专利]一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，尤其涉及一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法。

背景技术

激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度焊接方法，它是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊缝。激光束经聚焦后，其功率密度可达106W/cm2，这比普通弧焊的要高数十倍甚至上百倍。与传统焊接方法相比，激光焊接具有深宽比大、热影响区小、焊缝结合强度高、焊缝窄、焊接变形小、对周围组织无影响、容易实现自动化及不产生X射线等特点，这些突出的优点使激光焊接成为未来最有前景的焊接方法之一。

随着世界各国对天然气的需求日益增长，输气管的建设项目越来越多。在液化天然气(LNG)设施的建造和安装工程中，不可避免的要涉及到大量的管道系统，特别是在超低温下服役的奥氏体不锈钢管道。这就要求奥氏体不锈钢及其焊缝在超低温环境下具有优良的机械性能和抗腐蚀能力，以保证在非常低的工作温度下能够有效防止恶性脆性断裂事故的发生。再者，无论是海上的LNG运输船，还是陆地上的LNG储罐，都要求罐体母材及焊缝的低温性能优良。LNG内罐焊接质量是整个低温储罐的关键，LNG内罐钢材直接与LNG液体接触，要求罐体母材及焊缝在-196oC低温下具有较高的强度指标、抗腐蚀性和抗裂纹能力等，极低的服役温度对于母材及焊缝的机械性能和抗腐蚀性能等提出了很高的要求。作为低成本的天然气储运方法，LNG工业正以迅猛的速度递增，对制造LNG的焊接技术及罐体材料强化技术提出了巨大需求。然而这些技术主要依赖于进口，这对LNG工业的发展已形成很大制约，同时对国家的能源安全保障也极为不利。寻求有效的LNG储罐焊接技术及母材强化技术，推动LNG设备的国产化进程是我国能源项目发展的迫切需要。因此，提出一种用于超低温的焊接金属薄板接头及后处理的方法对管道系统的焊接接头及LNG储罐焊接工艺研究具有重要意义。此外，碳钢作为LNG储运设备的主要结构材料将被大量使用，碳钢的焊接及强化作为应用的重要方面，应该受到极大的重视。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是：提供一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法，以增加焊缝区域的位错密度，提高超低温条件下焊接件的韧性、抗腐蚀性以及其他机械性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种应用于超低温环境的金属薄板的激光焊接方法，包括：

(1)提供金属薄板I和金属薄板II；

(2)用酒精或丙酮将金属薄板I和金属薄板II的待焊接部位清洗干净；

(3)把金属薄板I和金属薄板II装夹固定，金属薄板I和金属薄板II之间形成有焊缝区域；

(4)将金属薄板I和金属薄板II整体放置到惰性气体环境中并加热到金属薄板I和金属薄板II的动态应变时效温度；

(5)采用光纤激光对焊缝区域进行填充焊丝焊接；

(6)将焊缝区域磨平、抛光、清洗；

(7)在焊接好的金属薄板的上下表面覆盖铝箔作为激光冲击能量吸收层；

(8)将焊接好的金属薄板置于液氮环境中并发射高能短脉冲激光对覆盖有铝箔的金属薄板进行双面激光冲击。

作为本发明的进一步改进，所述金属薄板I和金属薄板II均为奥氏体不锈钢板。

作为本发明的进一步改进，所述焊缝区域的宽度为0.5-9mm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中，所述惰性气体为高纯氩气。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(5)中，所述光纤激光焊接的工艺参数为：光纤激光输出功率2～6KW，激光焊接速度0.2-0.9m/min，光斑直径0.5-3mm，送丝速度0.9-1.8m/min，送丝方向与所述金属薄板I或金属薄板II表面法线方向夹角为45°-60°。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(7)中的铝箔的厚度为0.1mm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(8)中，通过液位计测量控制位于所述焊接好的金属薄板上方的液氮的厚度为1～2mm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(8)中，位于所述焊接好的金属薄板下方的液氮的厚度为1～2mm。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(8)中，激光冲击的工艺参数为：波长1064nm，脉宽10-30ns，脉冲能量1-15J，光斑直径0.5-15mm，搭接率50％，重复频率1-100HZ。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(8)中，所述液氮环境控制的温度为-196℃。

本发明的有益效果是：