摘要：本文论述了激光焊接工艺技术在不锈钢储罐直通式冷却夹套上的成功应用，指出了先进工艺技术是现代制造降本增效的有力保障。
关键词：冷却夹套；激光焊接；工艺评定；高效性
前言
激光焊接技术目前虽然广泛应用于机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域，但其在某一具体领域或某一系列产品上得到切实有效的应用，往往会遇到诸多技术难题，常常令初次试用者半途而废。我们在首次采用激光焊接方法进行不锈钢储罐直通式薄壁冷却夹套的焊接中就深有此感，因为要成功应用该技术下述问题必须得到解决：a）激光焊接时必须确保焊缝熔合良好，基板熔深要达到1.0～2.5mm；b）焊缝余高≤0.8mm；c）焊后基板（注：基板板厚≥4mm时）反面无变色，无针孔，基板反面的塑料保护膜不会燃烧；d）焊后冷却夹套鼓胀试验时，在确保夹套鼓胀高度符合设计图样要求前提下，激光焊缝不得出现泄漏和裂纹，更不允许出现焊缝撕裂。这些对初次试用激光焊接冷却夹套的我们具有很大挑战，一旦失败，则严重影响产品的交货期与客户对我们的信誉度。为此，我们结合激光自动焊接机的工作机理和施焊产品结构形状与技术要求，制订了详细的试制方案，通过反复试验、测试、验证，各项技术难题圆满得到解决，达到了预期的效果和目标。下面详细介绍激光焊接技术在我司得到成功应用的方案、措施和经验。
1.罐体上薄壁直通式冷却夹套结构设计要求概述
罐体上薄壁直通式冷却夹套平面结构局部示意图及其剖面图如附图1，该夹套内通常充装液氨或乙二醇作为冷却介质，我司承接的这批储罐夹套内要求充装乙二醇，夹套设计压力0.6MPa，设计温度-4℃，夹套水压试验压力0.75MPa，整套设备按GB150-2011《压力容器》进行设计、制造、检验和验收。
按设计要求，筒体上冷却夹套的结构形状为直通式瓦楞状，夹套板厚1.25mm，筒体基板厚4～8mm，材质均为0Cr18Ni9不锈钢板，夹套焊接完毕要求进行压力鼓胀试验，直至其“独立腔室”高度符合图样尺寸，试验与鼓胀时夹套不得出现泄漏及焊缝撕裂。
2.焊接方法的选择及焊接工艺评定试验
2.1 焊接方法的选择
综合产品特性、设计图样要求、冷却夹套与筒体基板贴合缝焊结构形式等因素，我们决定尝试采用快捷高效的激光自动焊（焊机型号为Laserlab W8020）进行薄壁直通式冷却夹套与筒体基板的焊接，该焊接方法的优势如下：
a）焊接速度快。通常激光焊接速度达到V=5m/min，是等离子焊接速度的10倍以上，极大地缩短了产品的加工制作周期，凸显其的高效性；
b）激光焊接因其高强的穿透能力，成功应用到储罐容器冷却夹套焊接中，即可用现在这种薄壁瓦楞结构取代传统的厚壁（板厚一般为2.5mm）半圆管夹套结构，从而有效降低产品的材料成本；
c）使用这种焊接方法焊接冷却夹套和筒体，因无须填充焊丝，可以节省焊丝材料成本；
d）因是高速自动焊接，能极大减轻员工的劳动强度，同时生产现场噪音低，基本上不存在焊接烟尘、飞溅，相比较MIG焊和MAG焊等，作业环境大为改善，员工的身心健康得到充分保障。
2.2 焊接工艺评定试验
焊接工艺评定要求严格按JB47014-2011《承压设备焊接工艺评定》标准实施，同时参照GB/T19866-2005《焊接工艺规程及评定的一般原则》。此外，由于产品筒体与冷却夹套为贴合缝焊焊接方式，我们着重从三方面对焊接试板进行焊接工艺评定：
a）第一方面单独对夹套板激光焊接缝进行拉伸试验和弯曲试验，测试焊缝的抗拉强度与弯曲性能；
b）第二方面对冷却夹套与筒体基板组合激光焊接后形成的冷却液通道进行压力鼓胀试验，测试焊缝的剪切拉伸断裂载荷（N）；
c）第三方面对冷却夹套与筒体基板组合激光焊接缝横断面进行宏观金相检验。
2.2.1 评定试验用材料
试验用焊材：因采取的是母材自熔方式的激光自动焊，无需焊丝。
试验用母材：采用山西太钢不锈钢股份有限公司生产的0Cr18Ni9不锈钢板，其中夹套板为板厚1.25mm厚的2B板，执行标准为GB/T3280-2007；基板使用的是经固溶处理的6mm板，执行标准为GB/T4237-2015。这两种母材的化学成分和力学性能分别见下表1和表2。
2.2.2 试板组焊
1）试板拼装
按图1拼装用于压力鼓胀试验的冷却夹套与筒体基板组合试板（要求模拟实际产品形式拼装），按图2形式拼装点焊夹套板和基板（注：用板厚1.25mm的0Cr18Ni9不锈钢平板代作夹套板），要求焊点分部基板纵向两侧，每侧各焊2个焊点，保证二者贴合紧密，间隙≤0.2mm。
2）试板焊接
试板拼装完毕即可按拟定的激光自动焊接工艺规范（即pWPS，见附表3）进行试板焊接，焊接时要注意下述几点：
a） 焊接前对板材表面进行清理，除去其上的氧化物、油污、垃圾等，包括试板上表面和相互贴合两板之中间内表面；
b） 调整激光自动焊机的吹气角度至45度左右；
c） 焊接过程中整个焊件的刚性会上升，压在夹套板上滚轮的压进力要视需要适当提高，以抵抗这种刚性变化。
2.2.3 焊接试板的无损检测
试板焊接完毕，按拟定方案对试板焊缝进行X射线探伤检测（即RT检测），由于试验用焊接试板共分两类，对各试板焊缝RT片的评定等级略有不同，仅做拉伸试验和弯曲试验的夹套板上激光焊缝拍的2张片，分别按Ⅰ级片和Ⅱ级片予以评定；对压力鼓胀试验试板上焊缝的2张RT片则均按Ⅰ级片评定。
2.2.4 试样力学性能测试和宏观金相检验
试板经RT无损探伤检测合格后，按相关规范、标准对试板、试样进行试验、测试和检验，具体如下：
a）对冷却夹套与筒体基板组合的激光焊接缝试板进行压力鼓胀试验，测试焊缝的剪切拉伸断裂载荷（N），测试结果见表5；
b）按相应规范要求制备用于力学性能测试试样，试样测试结果见上表4。
c）对用于宏观金相检验的试样，其焊缝横截面需磨抛至符合宏观金相检验要求，再利用1：3硝酸、盐酸配比溶液腐蚀磨抛后的焊缝横截面，检验焊缝、热影响区、母材上无焊接缺陷方为合格，焊缝的熔宽为1～1.5mm、熔深为2.5～3.5mm即符合要求（图5所示图片为焊缝横截面状态图）；
3.产品焊接和冷却夹套的压力鼓胀试验
按评定合格的焊接工艺规范（如表3）进行产品试焊，然后按设计图样技术要求进行冷却夹套的压力鼓胀试验，达到预期质量目标后即正式实施产品焊接。在实际产品制造中，我们也遇到冷却夹套尾端焊缝压力鼓胀时泄漏和开裂情况（焊缝裂开2～3mm），通过反复摸索，我们在冷却夹套尾端采取双回形针焊道，以增强其的抗开裂和撕裂能力（见图4），其后的压力鼓胀试验以及产品使用中再未发生尾端焊缝泄漏和开裂现象，由此，证明我们的解决方法是可行的，激光焊接质量是可靠的。
结论
激光自动焊接技术在冷却夹套和筒体基板焊接中的成功应用，极大地提升了我司这一类型产品的市场竞争力，凸显其高效、经济的优势，值得我们进一步推广应用，也值得同行借鉴。
参考文献：
[1].《焊接手册》第1卷 焊接方法及设备 中国机械工程学会焊接学会 编 机械工业出版社
[2].GB24511-2009 《承压设备用不锈钢钢板及钢带》
[3].NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》
[4].GB/T19867.4-2008《激光焊接工艺规程》
[5].GB/T19866-2005《焊接工艺规程及评定的一般原则》
[6].JB/T11063-2010《激光焊接工艺指南》 中华人民共和国工业和信息化部 发布
[7].GB150-2011《压力容器》
论文作者:胡代刚
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/11
标签：激光论文; 鼓胀论文; 基板论文; 通式论文; 金相论文; 焊接工艺论文; 压力论文; 《基层建设》2018年第21期论文;