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摘要: 探讨了HR-2抗氢不锈钢制薄壁件的激光热导焊方法,研究了激光热导焊接HR-2抗氢不锈钢制薄壁件的工艺参数,分析了焊缝焊深的波动情况及影响焊深波动的因素,提出了有效的焊深波动控制措施。结果表明,采用降低焊接速度和焊前预热等措施,可以突破CO2 激光热导焊接HR-2抗氢不锈钢的熔深极限,并且可降低焊深波动;在规范参数和工艺方法选择合适的情况下,激光焊接HR-2抗氢不锈钢薄壁件,可达到焊深≥0. 25mm、焊深波动控制在±10%的范围以内、焊缝内部质量及表面成形质量优良的焊接要求;但焊缝质量受激光对中点和点焊点的影响很大,应尽量避免采用激光对中及点焊。
关键词: 激光焊接;抗氢不锈钢;焊深波动控制;焊接工艺
引 言
激光焊接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[ 1 ] 。在金属熔化焊中,激光焊接按光束与材料的作用机理一般分为传导型激光焊接(热导焊)和深穿透型激光焊接(深熔焊)两种[ 2 ] 。在热导焊中,激光能量首先积聚在材料表面,表面下的金属主要靠表面吸收激光能量后向下的热传导而被加热至熔化,形成的焊缝接近半圆形,这一类型的焊接所需要的激光功率密度为105W/cm2～106W/cm2[ 3 ]。本文中所研究的奥氏体型HR-2 不锈钢制薄壁件,由两个带止口(止口厚度0. 2mm) 、壁厚为0. 5mm的近似半椭球体对接而成,其焊接要求为焊缝焊深≥0. 25mm,焊深波动不大于±10% ,焊缝成形良好,焊缝整体无焊穿、焊瘤、塌陷等缺陷, 焊缝内部质量按GB3323287中Ⅰ级焊缝的要求进行验收,焊接接头的力学性能满足产品使用要求。奥氏体不锈钢具有优良的综合性能,故是主要的抗氢压力容器用钢。作者单位所使用的大部分不锈钢构件,特别是不锈钢容器,一般都工作在充氢气氛的环境中,为防止其在服役过程中产生氢脆现象,采用了专门研制的HR 系列抗氢不锈钢。从近20 年来对HR系列抗氢不锈钢的电子束焊接研究结果来看,该系列钢焊接接头的抗氢脆性能良好,一般不会出现奥氏体不锈钢焊接时容易出现的一些诸如热裂纹、晶间腐蚀、成分偏析及应力腐蚀开裂等常见问题,焊接该系列钢时主要应考虑焊缝内部质量、焊缝尺寸和焊缝成形等。
1、试验条件及方法
1. 1 试验设备
焊接所用激光器为德国Rofin2Sinar公司生产的2000SM型快速轴流CO2 激光器,功率200W～2200W可调,输出模式TEM013模,脉冲频率0kHz～1kHz,脉冲峰值功率4500W。焊接工件台采用Siemen 820N(GA3模块)数控系统进行四轴( x, y, z轴及回转轴)三联动控制。焊接镜头采用抛物面铜镜反射聚焦系统,焦距f = 175mm。紫铜管喷嘴45°侧吹保护气体。焊后用XXQ22505型射线机进行X射线透照探伤;焦距及其它数值较大的长度物理量,采用靖江量具有限公司所生产的0mm～200mm游标卡尺进行测量;焊深及其它数值较小的长度物理量,采用长春市第三光学仪器厂所生产的JXD22型50mm读数显微镜进行测量。
1. 2 试件型式及尺寸
试验中采用了阶梯试环和对接试环两种型式的试件。阶梯试环用于粗找焊缝的焊接规范参数,其结构与对接试环A相似,无止口,只是通过加工内壁,加工出长10mm、壁厚分别为0. 3mm和0. 4mm的尺寸各一段,形成阶梯状。对接试环用于精确确定赤道焊缝的焊接规范参数,其型式和尺寸见图1。阶梯试环和对接试环接头处的外径及壁厚与薄壁件一致,对接试环设计成如图1所示的型式主要是为了重复使用,试验完1条焊缝后,一般要对焊缝取样检测焊深等各项指标,取样完毕后,可去掉焊缝及其周围一部分,然后将剩余部分加工出合适的止口即可重复使用。
Fig. 1
1. 3 试验方法
在激光热导焊和激光深熔焊中,激光与材料的相互作用机理各不相同,因此,工艺参数选定方法和原则也有所不同。在热传导型激光焊接(热导焊)中,辐射至材料表面的功率密度较低,光能量只能被表层吸收,不产生非线性效应或小孔效应, 即光的穿透深度为[ 1 ] :
Δz = - ln ( I / I0 ) /A (1)式中,Δz表示光通过的厚度; A 为材料对激光的吸收系数; I0 为材料表面吸收的光强; I为光入射至Δz处的光强。由此可见,当光穿透微米数量级后,入射光强I已趋于0,因此,材料内部加热是通过热传导方式进行的。当材料表面温度达到沸点,达到****熔深[ 1 ] :zmax = 1. 2K ( Tb - Tm ) / I (2)式中, Tb 为材料的沸点温度, Tm 为材料的熔点温度。由此可见:****熔深zmax反比于功率密度I0 ,正比于热传导率K,并随材料沸点与熔点温度差增大而增大,与熔化潜热无关。如果单从理论上进行分析,根据已有的研究结论[ 1, 4, 5 ]来看,激光热导焊不锈钢材料,其****熔深只能达到0. 1mm左右,但是经多轮实验发现,影响热导焊熔深的因素有很多,根据接头形式、焊接件的热力场分布和不同的参数选择,完全可以突破激光热导焊不锈钢材料的熔深限制。为此,首先进行了各种参数对焊深影响的试验,初步确定了薄壁件的激光焊接规范参数。然后采用如图1所示的对接试环,以及阶梯试环,进行了薄壁件焊接规范参数对比试验,几组比较典型的对接试环焊接规范参数见表1。
Table 1
焊接完成后,对部分试件用XXQ22505型射线机进行了X射线探伤检查,所有试件均进行取样,并腐蚀剖面清晰显示出焊缝形貌,然后用JXD22型50mm读数显微镜测量焊深。
2、结果及讨论
2. 1 实验结果
焊后的WPTB5, WPTB6 对接试件采用了比GB3323287要求更为严格的ZWB39298《抗氢钢制压力容器电子束赤道焊缝X射线照相检验》标准,用XXQ22505型射线机进行焊缝的X射线透照探伤。由于ZWB39298中只规定了Ⅰ, Ⅱ级焊缝的评定标准,且对于0. 5mm壁厚的焊件,焊缝内气孔的****直径不能超过0. 16mm (焊接件接头处壁厚或焊深的1 /3) ,而WPTB5试件中恰恰存在1个直径稍大于0. 16mm的气孔,因此判定为不合格;WPTB6试件经严格探伤,其焊缝内部质量按Ⅰ级焊缝标准验收合格。探伤结果及焊深测试结果见表2。表中各数据处理结果的定义如下:平均焊深=焊深之和/测量点数; 极限上偏差=[ (****焊深- 平均焊深) /平均焊深] ×100%;极限下偏差= [ (最小焊深- 平均焊深) /平均焊深] ×100%;上偏差= [ (大焊深的平均- 平均焊深) /平均焊深] ×100%;下偏差= [ (小焊深的平均- 平均焊深) /平均焊深] ×100%
Table 2
2. 2 薄壁件激光焊缝焊深波动及其影响因素分析
表2中,WPTB6试件的平均焊深为0. 298mm,极限上偏差10. 74% , 极限下偏差- 9. 40% , 上偏差4. 03% ,下偏差- 3. 70%。按平均焊深波动±10%计算,则焊深在0. 268mm～0. 328mm范围内都算合格,从表中可见,在18个测量点中,只有1个点的焊深为0. 33mm, 不在合格范围内, 但与上限值仅相差0. 002mm (此处还未考虑测量误差等因素, JXD22 型50mm读数显微镜的****读数精度可达0. 01mm,而对于0. 30mm的焊深, 0. 01mm的测量误差所带来的焊深波动即可高达3. 3% ) 。虽然测量点较少,但不妨用统计分析法对焊深的波动误差进行试分析, 18个测量点焊深的均方根误差可用下式进行计算[ 6 ] :
式中,σ为均方根误差; n为样件数; xi 为样件焊深; x为样件平均焊深。根据上述公式所计算出的WPTB6试件焊深均方根误差为0. 0164,根据统计分析理论[ 6 ] ,如果某一组数据的分布符合正态分布曲线时,数据误差在±3σ以内的数据数量可达总数的99. 73% ,而WPTB6试件焊深误差在±3σ(0. 0492)以内的数量为100% (0. 33mm焊深与平均焊深的误差为0.032mm) ,说明WPTB6试件的焊深完全符合正态分布规律。
在WPTB6试件的所有测量点中,大部分点的焊深集中在0. 298mm周围,最小焊深也不小于0. 25mm,****焊深离焊穿还差0. 17mm。因此,通过本文中的研究可以证明,采用CO2 激光焊接壁厚0. 5mm的HR-2抗氢不锈钢薄壁件,在焊深≥0. 25mm的情况下,焊深波动范围可控制在±10%的范围以内,且焊接参数稳定,焊缝表面成形良好,波纹细密,无焊穿、焊瘤、塌陷等缺陷出现(见图2) ,完全达到了研究目标。
Fig. 2
从薄壁件焊缝焊接规范参数试验结果可见,采用激光热导焊接焊深较小的薄壁件,****焊深不仅反比于功率密度,而且还与焊接时的输入线能量有关。采用脉冲焊接时只要其它参数未变,功率密度实际上不会下降,只是降低了单位时间内输入的能量(线能量)而已,并且采用脉冲焊接有时由于功率密度过大,会导致材料表面过度汽化蒸发,形成深熔焊接的假象,而实际焊深远远未达到要求,因此,除了对焊缝气密性的影响,从焊深大小和焊深波动考虑,激光焊接HR-2抗氢不锈钢薄壁件焊缝,不宜采用脉冲焊接方式。要突破熔深极限(如前所述0. 1mm左右)的限制,在不能增加功率密度的情况下,只能采用降低功率密度、增大输入线能量的方法来实现,以使足够多的热能通过表层金属热传导至表面下更深处。降低功率密度除减小输入功率外,最主要的是通过离焦手段来增大接头处的光斑直径,并且光斑直径较大有利于形成直径较大的半圆形焊缝,可以避免由于焊缝对中不精确或加工误差而导致的焊偏,同时使焊缝的实际熔合深度变浅。从表1和表2中可以看出,采用较低的焊接速度不仅有利于增加焊深,而且对稳定焊深(降低焊深波动)极为有利。从WPTB6的焊深测试结果可见,焊前预热由于均衡了整条焊缝的受热状态,使焊深稳定性得到了极大改善,而且预热还有利于排除接缝中的气体,预先烧损焊接接头中的有机物杂质,使焊缝中出现气孔、夹杂等缺陷的可能性大大降低。WPTB5由于存在1 个气孔而不合格的原因,经分析后认为就是接缝中残余气体过多或焊接时接头中的有机物杂质在高功率密度下汽化所致。
激光焊接时要保证激光束正好位于焊接接头接缝中心,必须用较小功率的激光束在接缝处“烧”出1个小点来精确确定,并且焊前一般应采用点焊方式进行固定。在研究过程中发现,当焊深较大时,对中点(为便于观察, 此时一般采用的对中功率为200W ～300W)对焊接质量无太大影响,而进行较浅熔深热导焊时,焊缝易在对中点处焊穿,其原因主要是用激光束所“烧”出的对中点改变了材料的表面状态,增大了材料表面对激光的吸收率,对壁厚仅为0. 50mm、焊深须达0. 30mm左右的HR-2钢薄壁件来说,吸收率的微小改变即可导致焊深增大而焊穿,因此,必须采用极小的功率(60W以下)并借助放大镜进行对中。点焊对焊缝的影响机理与对中点相同,因此,激光焊接HR-2钢薄壁件,应尽量避免点焊,力求用焊接工装保证焊接件的固定。关于对中和点焊对焊缝质量的影响,从图3中可得到佐证,激光深熔焊的焊缝剖面形貌一般为“酒杯”型,但从图中可见,由于点焊改变了材料表面状态导致其对激光的吸收率增大,所形成的焊缝不仅较其它地方深,而且焊缝宽度明显变窄。
Fig. 3
3、结 论
(1) CO2 激光热导焊接HR-2抗氢不锈钢,采用文中所提出的降低焊接速度和焊前预热等工艺方法和措施,可以突破CO2 激光热导焊接不锈钢的熔深极限,并且采用较低的焊接速度和焊前预热措施有利于增加焊深及降低焊深波动,焊前预热还可排除接缝中的气体,避免产生焊缝内部气孔。
(2)采用本文中所提出的规范参数和工艺方法,对HR-2抗氢不锈钢薄壁件进行激光焊接,焊缝焊深≥0. 25mm,焊深波动范围不大于±10% ,焊缝内部质量按ZWB39298进行X射线探伤,可达Ⅰ级焊缝标准要求;焊缝成形良好,焊缝整体无裂纹、焊穿、气孔、夹渣、咬边、焊瘤、毛刺以及飞溅物或飞溅引起的损伤等缺陷。后加速,光笔的停留时间要比其它点长一些。也就导致了拐点处的所谓的“深坑”或“重点”现象。同时,光笔经常启动、加速、减速、制动,必然使其运动的平均速度降低,也就降低了激光加工的效率。DXF格式是将直线、样条曲线、圆、圆弧、椭圆等当做一个实体、一个整体来处理,而不是都用无数条小直线段来逼近的,也就避免了上述问题的出现。如图6所示。
Fig. 6
在DXF中把这段圆弧当作一个整体来处理,在激光加工中,光笔只是在该圆弧的起点处启动,存在一个加速过程,在该圆弧的终点处制动,存在一个减速过程,中间都是匀速运动,激光能量的分配基本上是均匀的,也就避免了“深坑”或“重点”现象;同时,由于在此过程中光笔只需启停一次,不用多次进行加速和减速处理,节约了大量的时间,也提高了激光加工的效率。因此,在激光加工中DXF格式拥有很大的优越性,只要找出点、线(直线、B 样条线、圆弧、椭圆弧、多义线)等的插补算法[ 5 ] (即按像素来处理的算法) ,作者就是据此设计出了点、线等按像素显示的转换程序,从而使在AutoCAD中开发出的各种图形图像可以应用于激光加工中。各种图形图像归根结底都是由点、线(直线、B样条线、圆弧、椭圆弧、多义线)等基本元素组成的。所以,只要拥有这些基本元素的转换处理程序,就可以在AutoCAD下开发出想要的图形图像,然后通过这里的接口程序实现在激光加工中的应用。例如:用户可以在AutoCAD下用点、线(直线、B 样条线、圆弧、椭圆弧、多义线)等绘出自己需要的字体,然后通过本接口程序实现在激光加工中的应用。例如对于“A ”(如图7所示)等几种风格。从左往右数第1个“A”字完全是由直线构成的,第2个“A”字完全是由B样条构成的,而第3个“A”字是由直线和B样条构成的,第4个“A”字则是由直线和点构成的。通过本接口程序即可将其用激光标刻在需要标刻的材料上,取得了比较好的应用效果。而图形一般是由点、线、面组合而成的,同理可以基于点、直线、样条曲线、圆等开发出所需要标刻的任何图形。
Fig. 7
4、总 结
由于AutoCAD具有强大的图形图像处理及分析设计的功能,在AutoCAD下进行各种二次开发,通过本接口程序较好地满足了实际的需要。通过DXF数据交换接口程序使AutoCAD成为激光标刻、切割等加工技术推广应用的强有力的工具。
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