镍基合金管材的焊接方法及焊接装置与流程

本发明涉及镍合金管材的焊接生产领域，尤其是一种镍基合金管材的焊接方法及焊接装置。

背景技术：

工业生产中，常用镍基合金板材，通过卷管-焊接(纵向焊缝焊接)法，制作管材。这些管材在能源、化工、冶金等领域广泛应用。例如，冶金行业连续退火炉用镍合金制作辐射管。因为镍合金焊接性较普通碳钢差，在生产实践中，采用氩弧焊法、等离子焊接法、高频焊管法等方法焊接时，常遇到焊接工艺难题，包括焊缝裂纹、咬边和未熔合、形状和尺寸超差等。其中，裂纹是镍基合金焊接常见问题，与材质和焊接工艺有关；热输入小的焊接方法有利于减少焊接横向应力，减小两相区宽度，因而有利于避免裂纹。

咬边和未熔合是最常见的缺欠形式。镍基合金焊缝的咬边和未熔合，表现为焊缝凹头不平，咬边的区域凹坑较深(4mm板材焊缝内凹坑深度可达1.5毫米)，严重影响焊缝力学性能。咬边和未熔合的形成原因是镍基合金流动性差；镍基合金，尤其是铬含量高的镍基合金，其熔体的表面张力大，对母材的润湿性差，通常不能像钢的熔液在焊缝内流平，并形成饱满而平整的焊缝；在焊接保护不佳时，咬边和未熔合更严重，其原因是当熔体在电弧推力、气体作用力和重力作用下流动时，熔体表面氧化，形成的氧化物(如氧化铬)熔点高，阻碍熔体流动，则熔体下的母材露出表面，并被氧化，进一步使熔体对母材的润湿性恶化，甚至完全不润湿。咬边和未熔合缺陷的普遍存在，导致镍基合金焊管常常需要补焊。补焊操作带来许多问题：管径小，焊缝内表面管内补焊十分困难；额外耗费材料(原焊接方法无需焊接材料，而补焊需焊丝)和人力；导致管的焊缝表面凸起，而该凸起处不仅存在应力集中，影响焊缝力学性能，且给后续弯管工序带来影响，使弯管模具必须开槽避开，而如果将其打磨，则管内打磨难进行。形状和尺寸超差的原因，除了焊接胎具和卡具设置外，包括焊接应力和变形。形状和尺寸超差给管材后续组焊带来很大困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效改善焊缝成形，减少未熔合和咬边缺陷，及尺寸偏差的镍基合金管材的焊接方法及焊接装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：镍基合金管材的焊接方法，包括如下步骤：a、焊前准备：机械打磨清除镍基合金板材端面和待焊边附近区域表面氧化物，卷管并得到待焊接管材，然后采用有机溶剂擦拭、清洁管材焊缝附近区域；b、装夹：将待焊接管材固定在真空室内的管内胎具和管外卡具上，同时确保焊缝对准真空室的透光玻璃窗口；c、抽真空：关闭并密封真空室，随后抽真空至低真空，通入高纯氩气至微正压，关闭通氩气阀门随后打开抽气阀门，再抽真空至低真空，再重复一次通氩气以及抽气操作，获得低真空环境，保持抽气阀门开启以及真空泵处于工作状态；d、焊接参数设置：规划激光焊路径并设置激光焊接工艺参数；e、焊接：激光透过真空腔顶部玻璃进行焊接；f、充气，开炉门，取件，完成焊接操作。

进一步的是，步骤a中，机械打磨工序为采用角磨机和80目百叶轮或不锈钢钢丝轮、手动打磨方式，打磨区域包括镍基合金板材端面和板材正反面靠近焊缝两侧各10mm以内区域。

进一步的是，步骤a中，卷管形成待焊接管材后，焊缝的两待焊面之间的间隙≤0.2mm。

进一步的是，步骤a中，有机溶剂为无水乙醇或丙酮。

进一步的是，步骤c中，低真空为10pa以下，所述微正压为0.02～0.08mpa。

进一步的是，激光功率1.5kw以上，焊接速度大于等于0.5m/min。

进一步的是，激光的焦点位置为离待焊接管材的管外表面-5mm～+5mm。

进一步的是，镍基合金管材的焊接装置，包括待焊接管材，包括壁面设置有透光玻璃窗口的真空室，所述待焊接管材设置于真空室内，其中，待焊接管材外周设置有管外卡具，待焊接管材内壁设置有管内胎具，待焊接管材的焊缝朝向所述透光玻璃窗口方向设置。

进一步的是，所述真空室设置有抽气管。

进一步的是，所述透光玻璃窗口为长条状，所述透光玻璃窗口沿焊缝延伸方向设置。

本发明的有益效果是：本发明有效避免了现有焊接方法焊接质量不稳定、易出现缺陷、常需要补焊而小直径管补焊较困难的缺点，其焊缝焊接质量好而稳定。此外，可以采用较便宜的设备实现抽真空，其中设备成本较低，生产效率较高。本发明尤其适用于镍基合金管材的焊接工艺之中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图中标记为：待焊接管材1、焊缝11、管外卡具2、管内胎具3、真空室4、透光玻璃窗口5、抽气管6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、图2所示的镍基合金管材的焊接方法，包括如下步骤：a、焊前准备：机械打磨清除镍基合金板材端面和待焊边附近区域表面氧化物，卷管并得到待焊接管材1，然后采用有机溶剂擦拭、清洁管材焊缝附近区域；b、装夹：将待焊接管材1固定在真空室4内的管内胎具3和管外卡具2上，同时确保焊缝11对准真空室4的透光玻璃窗口5；c、抽真空：关闭并密封真空室4，随后抽真空至低真空，通入高纯氩气至微正压，关闭通氩气阀门随后打开抽气阀门，再抽真空至低真空，再重复一次通氩气以及抽气操作，获得低真空环境，保持抽气阀门开启以及真空泵处于工作状态；d、焊接参数设置：规划激光焊路径并设置激光焊接工艺参数；e、焊接：激光透过真空腔顶部玻璃进行焊接；f、充气，开炉门，取件，完成焊接操作。

本发明的焊接方法消除焊接过程中的咬边和未熔合缺欠的主要原理是：(1)通过焊前打磨、清洗、将工件置于真空环境，避免焊接过程中因焊缝中熔体和母材的氧化导致熔体不润湿母材；(2)真空激光焊的焊缝，尤其是采用高功率密度激光的、小孔焊模式的真空激光焊焊缝，焊缝宽度不仅比高频焊管、氩弧焊、等离子焊焊缝窄，也比氩气保护的激光焊焊缝窄。在激光作用于材料形成的小孔(一般被称为“匙孔”)后方的熔体主要受表面张力和小孔中蒸气压力作用，重力作用可忽略不计。由于焊缝较窄，表面张力大，焊缝对熔体的虹吸作用较强，熔体在蒸气压力作用下被推到“匙孔”后壁后，将被“吸”在焊缝中快速凝固，无电弧推力、保护气体吹力、重力作用导致的熔体流动，因而焊缝成形好，无咬边、未熔合，管内焊缝表面凸起很小。采用该方法焊管，还有利于减少焊缝裂纹和形状、尺寸偏差，其原因是：真空激光焊焊缝窄，焊缝中的两相区窄和热影响区均较窄，此外，由于热输入较小的缘故，横向收缩应力较小，因而焊缝凝固裂纹和热影响区液化裂纹、失塑裂纹都难以发生。也正是由于热输入小的缘故，焊接应变较小，焊管形状和尺寸偏差小。

在实际焊接操作时，为了对镍基合金板材端面和待焊边附近区域表面氧化物获得更佳的打磨效果，优选这样的方案：步骤a中，机械打磨工序为采用角磨机和80目百叶轮或不锈钢钢丝轮、手动打磨方式，打磨区域包括镍基合金板材端面和板材正反面靠近焊缝两侧各10mm以内区域。另外，为了获得更佳的焊缝质量，优选这样的参数限定：步骤a中，卷管形成待焊接管材1后，焊缝11的两待焊面之间的间隙≤0.2mm。为了获得更佳的清洁效果，优选有机溶剂为无水乙醇或丙酮。

作为焊接真空环境的限定，优选步骤c中，低真空为10pa以下，所述微正压为0.02～0.08mpa。

就焊接而言，优选激光功率1.5kw以上，焊接速度大于等于0.5m/min，其中，优选采用光纤激光，激光的焦点位置为离待焊接管材1的管外表面-5mm～+5mm。

在具体的焊接时，采用这样的焊接装置，包括待焊接管材1，包括壁面设置有透光玻璃窗口5的真空室4，所述待焊接管材1设置于真空室4内，其中，待焊接管材1外周设置有管外卡具2，待焊接管材1内壁设置有管内胎具3，待焊接管材1的焊缝11朝向所述透光玻璃窗口5方向设置。

为了方便对真空室4抽真空，优选所述真空室4设置抽气管6。在实际布置时，优选所述透光玻璃窗口5为长条状，所述透光玻璃窗口5沿焊缝11延伸方向设置。如图2所示，从而便于激光沿焊缝延伸方向进行焊接，其中，本发明焊接路径设定时，优选焊接机器人运动的起点设置为焊缝实际起点前50mm处，机器人运动的终点设置为焊缝实际终点后50mm处。

实施例

实施例1

采用本发明所提出的方法制作inconel601镍合金管，壁厚4mm，外径约185mm，长度1500mm。制造过程包括如下程序：

(1)焊前准备：采用角磨机和不锈钢钢丝轮，打磨合金板材端面和待焊边附近区域表面氧化物，卷管后采用无水乙醇擦拭管材焊缝附近20mm区域，去除油污；

(2)装夹：将待焊管固定在真空室中的焊接胎具和卡具上，使两待焊面紧密贴合，间隙＜0.1mm。同时确保焊缝对准真空室顶部二氧化硅玻璃窗口；

(3)抽真空：关闭、密封真空室，采用机械真空泵，抽真空至10pa以下，关闭抽气阀门，通入高纯氩气至微正压0.02mpa，关闭通氩气阀门、打开抽气阀门，再抽真空至低10pa以下，再重复一次通氩气-抽气操作，获得低真空环境，真空压力＜10pa。保持抽气阀门开启、真空泵处于工作状态；

(4)焊接参数设置：光纤激光，功率1.5kw，焊接速度3m/min，离焦量+3mm。激光焊机器人示教，规划激光焊路径。机器人运动的起点设置为焊缝实际起点前50mm处，机器人运动的终点设置为焊缝实际终点后50mm处，以避免机器人加速段和减速段焊接速度不稳定问题；

(5)激光透过真空腔顶部玻璃进行焊接；

(6)充气，开真空室门，将管从焊接夹具中取出。

实施效果：所制得的inconel601镍合金管，焊缝表面光亮，无氧化色，无咬边、未熔合、裂纹、形状和尺寸超差缺欠，正面和背面余高小，符合设计要求。

实施例2

采用本发明所提出的方法制作inconel601镍合金管，壁厚3mm，外径约183mm，长度1500mm。制造过程包括如下程序：

(1)焊前准备：采用角磨机和不锈钢钢丝轮，打磨合金板材端面和待焊边附近区域表面氧化物，卷管后采用无水乙醇擦拭管材焊缝附近20mm区域，去除油污；

(2)装夹：将待焊管固定在真空室中的焊接胎具和卡具上，使两待焊面紧密贴合，间隙＜0.1mm。同时确保焊缝对准真空室顶部二氧化硅玻璃窗口；

(3)抽真空：关闭、密封真空室，采用机械真空泵，抽真空至10pa以下，关闭抽气阀门，通入高纯氩气至微正压0.02mpa，关闭通氩气阀门、打开抽气阀门，再抽真空至低10pa以下，再重复一次通氩气-抽气操作，获得低真空环境，真空压力＜10pa。保持抽气阀门开启、真空泵处于工作状态；

(4)焊接参数设置：光纤激光，功率1.5kw，焊接速度4m/min，离焦量+3mm。激光焊机器人示教，规划激光焊路径。机器人运动的起点设置为焊缝实际起点前50mm处，机器人运动的终点设置为焊缝实际终点后50mm处，以避免机器人加速段和减速段焊接速度不稳定问题；

(5)激光透过真空腔顶部玻璃进行焊接；

(6)充气，开真空室门，将管从焊接夹具中取出。

实施效果：所制得的inconel601镍合金管，焊缝表面光亮，无氧化色，无咬边、未熔合、裂纹、形状和尺寸超差缺欠，正面和背面余高小，符合设计要求。

实施例3

采用本发明所提出的方法制作inconel625镍合金管，壁厚5mm，外径约187mm，长度1000mm。制造过程包括如下程序：

(1)焊前准备：采用角磨机和不锈钢钢丝轮，打磨合金板材端面和待焊边附近区域表面氧化物，卷管后采用无水乙醇擦拭管材焊缝附近20mm区域，去除油污；

(2)装夹：将待焊管固定在真空室中的焊接胎具和卡具上，使两待焊面紧密贴合，间隙＜0.1mm。同时确保焊缝对准真空室顶部二氧化硅玻璃窗口；

(3)抽真空：关闭、密封真空室，采用机械真空泵，抽真空至10pa以下，关闭抽气阀门，通入高纯氩气至微正压0.02mpa，关闭通氩气阀门、打开抽气阀门，再抽真空至低10pa以下，再重复一次通氩气-抽气操作，获得低真空环境，真空压力＜10pa。保持抽气阀门开启、真空泵处于工作状态；

(4)焊接参数设置：光纤激光，功率2.5kw，焊接速度3m/min，离焦量-2mm。激光焊机器人示教，规划激光焊路径。机器人运动的起点设置为焊缝实际起点前50mm处，机器人运动的终点设置为焊缝实际终点后50mm处，以避免机器人加速段和减速段焊接速度不稳定问题；

(5)激光透过真空腔顶部玻璃进行焊接；

(6)充气，开真空室门，将管从焊接夹具中取出。

实施效果：所制得的inconel625镍合金管，焊缝表面光亮，无氧化色，无咬边、未熔合、裂纹、形状和尺寸超差缺欠，正面和背面余高小，符合设计要求。