一种不锈钢厚壁压力容器的激光焊接方法与流程

本发明属于压力容器的焊接技术领域，尤其涉及一种不锈钢厚壁压力容器的激光焊接方法。

背景技术：

目前厚壁压力容器常采用电弧熔焊多层、多道焊接进行成形制造，而压力容器常采用固溶强化、时效强化等高强度不锈钢材料作为主体，通常这种材料焊接后，为防止焊缝与热影响区材料发生软化要进行调制处理，但是此器件内部含有弹簧件、密封面等，因此焊接后不能进行热处理，为满足强度要求必须先进行调质处理再进行焊接成型。而调制状态下的高强度材料焊接要严格控制焊接参数，而现有技术采用的电弧熔焊焊接这类材料时，存在焊接强度较低、易产生裂纹、成形精度差等问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种不锈钢厚壁压力容器的激光焊接方法，解决了高强度不锈钢材料在固溶或时效强化状态下的焊接强度问题，焊接强度高且稳定，实现了母材的等强连接。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种不锈钢厚壁压力容器的激光焊接方法，所述压力容器包括高压罐体、低压缓冲压力容器及管路，所述高压罐体采用固溶强化或时效强化不锈钢材料；

所述高压罐体与低压缓冲压力容器之间连接处的环缝采用激光连续焊接，所述环缝的连续焊接参数包括：

所述罐体壁厚为5mm～10mm时，激光功率4.2～7.5KW、焊接速度0.8～1.5m/min、离焦量－2mm～3mm、保护气流量15～25L/min。

作为进一步的优选，所述环缝的连续焊接参数包括：

a、当罐体壁厚为5mm～6mm时，激光功率4.2～4.8KW、焊接速度1.2～1.5m/min、离焦量－1mm～2mm、保护气流量15～25L/min；

b、当罐体壁厚为6mm～7mm时，激光功率4.7～5.4KW、焊接速度1.0～1.3m/min、离焦量－1.5mm～2.5mm、保护气流量15～25L/min；

c、当罐体壁厚为7mm～8mm时，激光功率5.2～6.0KW、焊接速度0.8～1.2m/min、离焦量－2mm～3mm、保护气流量15～25L/min；

d、当罐体壁厚为8mm～9mm时，激光功率5.8～6.6KW、焊接速度0.8～1.2m/min、离焦量－2mm～3mm、保护气流量15～25L/min；

e、当罐体壁厚为9mm～10mm时，激光功率6.5～7.5KW、焊接速度0.8～1.2m/min、离焦量－2mm～3mm、保护气流量15～25L/min。

作为进一步的优选，所述压力容器包括高压罐体、顶盖体、盖板、导管及接管嘴，所述顶盖体包括与所述罐体一端配合连接的顶盖以及低压缓冲容器，所述低压缓冲容器一端与所述顶盖连接，另一端与所述盖板配合连接；所述导管一端与所述低压缓冲容器的低压出气口连接，另一端与所述接管嘴连接；所述罐体与顶盖体采用固溶强化或时效强化不锈钢材料；所述罐体与顶盖配合连接处的环缝采用激光连续焊接。

作为进一步的优选，所述环缝焊接时，在激光焊枪到达焊接结束点前3～10mm时，进行焊接功率衰减。

作为进一步的优选，所述环缝焊接时，环焊缝收弧位置与起焊位置有重叠区域，所述重叠区域的为长度10～15mm。

作为进一步的优选，在所述激光连续焊接环缝之前，所述罐体与顶盖配合连接处进行激光定位焊接，所述激光定位焊接的参数为：激光功率2.0～3.5KW、焊接速度1.5～3.0m/min、离焦量－1mm～+1mm、保护气流量10～15L/min，定位焊点5～7mm长，间距25mm～30mm。

作为进一步的优选，所述低压缓冲容器与所述盖板配合连接处采用激光连续焊接，所述激光连续焊接参数包括：

盖板厚度为2mm～4mm时，激光功率1.6～3.5KW、焊接速度1.0～1.5m/min、离焦量－1.5mm～2.5mm、保护气流量15～25L/min。

作为进一步的优选，所述低压缓冲容器与盖板配合连接处的激光连续焊接参数包括：

a、当盖板厚度为2mm～3mm时，激光功率1.6～2.5KW、焊接速度1.2～1.5m/min、离焦量－1mm～2mm、保护气流量15～25L/min；

b、当罐体壁厚为3mm～4mm时，激光功率2.4～3.5KW、焊接速度1.0～1.5m/min、离焦量－1.5mm～2.5mm、保护气流量15～25L/min。

作为进一步的优选，在所述低压缓冲容器与所述盖板配合连接处采用激光连续焊接之前，所述低压缓冲容器与所述盖板配合连接处采用定位焊接，所述定位焊接的工艺参数包括：激光功率0.8～1.5KW、焊接速度1.5～3.0m/min、离焦量－1mm～+1mm、保护气流量10～15L/min，定位焊点3～6mm长，间距20mm～25mm；定位焊焊缝深度为所述盖板厚度的1/3～1/2。

作为进一步的优选，所述导管与接管嘴以及所述导管与低压出气口之间采用角焊缝进行焊接，所述角焊缝的焊接参数包括：脉冲激光功率0.5～0.8KW、焊接速度0.3～0.5m/min、离焦量－0.5mm～+0.5mm、脉冲频率80Hz～100Hz、占空比15～30％、激光束45°入射、保护气流量10～15L/min。

作为进一步的优选，所述罐体与顶盖配合连接处的环缝焊接后，采用激光加热对环缝进行热处理，处理参数包括：激光功率为焊接功率的1/5～1/4，速度0.3～0.4m/min，离焦量+20mm～+25mm，光斑直径φ2mm～φ3mm，保护气流量15～25L/min。

作为进一步的优选，所述罐体与顶盖配合连接处还设置有环缝锁底台阶和环缝补强台阶。

作为进一步的优选，所述顶盖包括与所述罐体配合处的焊缝补强台阶，以及高压出气接口，所述高压出气接口与所述罐体内部联通。

作为进一步的优选，所述低压缓冲容器为开口的盒形体，所述低压缓冲容器的侧壁加工有与所述低压缓冲容器内部连通的低压进气口及低压出气口，所述低压缓冲容器开口内侧设置有与所述盖板配合的锁底台阶。

作为进一步的优选，所述压力容器的压力等级为40-60MPa。

本发明的有益效果是：

(1)本发明厚壁压力容器的高压罐体与顶盖体采用固溶强化或时效强化不锈钢材料；所述高压罐体与低压缓冲容器之间连接处的环缝采用激光连续焊接，并且设置了合理的激光焊接工艺参数，解决了超高强度不锈钢材料在固溶或时效状态下的焊接强度问题，焊缝热区影响强度、韧性无降低，无裂纹、气孔等缺陷、实现了母材的等强连接。

(2)本发明通过合理的功率衰减时序，解决了激光深熔焊收弧坑缺陷，保证高压容器的强度与气密性。

(3)本发明通过各器件连接处的锁底台阶及补强台阶等接头形式的设计，避免了激光焊接在容器内部产生的飞溅等多余物的可能，同时也保证了焊接定位精度。

(4)为保证罐体高压强度与气密性要求，本发明环焊缝收弧位置与起焊位置有重叠区域，另外激光深熔焊结束时，直接关断激光会存在较大的收弧坑，影响罐体气密性要求，而本发明在激光焊枪到达焊接结束点前，就进行焊接功率衰减，使焊接收弧过程由深熔焊逐渐向传热焊进行平稳过渡，焊缝熔深逐渐减小直至为零，完成无钥孔收弧。

附图说明

图1为本发明实施例1不锈钢厚壁压力容器的结构示意图；

图2为图1中罐体的结构示意图；

图3为图1中顶盖体及低压缓冲压力容器的结构示意图；

图4为图3中低压缓冲压力容器的盖板的结构示意图；

图5为图1中接管嘴的结构示意图；

图6为图1中罐体的焊接坡口形式示意图；

图7为图1中低压缓冲压力容器的焊接坡口形式示意图。

附图中标记的说明如下：1、罐体，2、顶盖体，3、盖板，4、导管，5、接管嘴，1-1、加注管嘴，1－2、环缝锁底台阶，1－3、环缝补强台阶，1－4、单向阀，2－1、顶盖，2－3、低压缓冲容器，2－1－1、焊缝补强台阶，2－1－2、高压出气接口，2－3－1、低压进气口，2－3－2、低压出气口，2－3－3、盖板锁底台阶，

具体实施方式

本发明通过提供一种不锈钢厚壁压力容器的激光焊接方法，解决了超高强度不锈钢材料在固溶或时效强化状态下的焊接强度及焊接质量问题。

为了解决上述缺陷，本发明实施例的主要思路是：

本发明实施例不锈钢厚壁压力容器的激光焊接方法，所述压力容器包括高压罐体、顶盖体、盖板、导管及接管嘴，所述顶盖体包括与所述高压罐体一端配合连接的顶盖以及低压缓冲容器，所述低压缓冲容器一端与所述顶盖连接，另一端与所述盖板配合连接；所述导管一端与所述低压缓冲容器的低压出气口连接，另一端与所述接管嘴连接；所述高压罐体与顶盖体采用固溶强化或时效强化不锈钢材料；

所述高压罐体与顶盖配合连接处的环缝采用激光连续焊接，所述环缝的连续焊接参数包括：

所述罐体壁厚为5mm～10mm时，激光功率4.2～7.5KW、焊接速度0.8～1.5m/min、离焦量－2mm～3mm、保护气流量15～25L/min。

本发明实施例压力容器采用的是高强度、时效强化马氏体不锈钢材料，通常这种材料焊接后，为防止焊缝与热影响区材料发生软化要进行调制处理，但是此器件内部含有弹簧件、密封面，因此焊接后不能进行热处理，为满足强度要求必须先进性调质处理再进行焊接成型。调制状态下的高强度材料焊接要严格控制焊接线能量：例如焊接线能量过高，接头容易发生软化，强度不满足要求；焊接线能量过低，焊缝中马氏体含量较高，裂纹倾向较大。因此焊接参数匹配重要。而本发明实施例对压力容器中各元件之间连接处的焊接参数进行了合理的设置，解决了超高强度不锈钢材料在固溶或时效强化状态下的焊接强度问题，实现了母材的等强连接。

另外，大厚度材料激光焊接通常是采用激光深熔焊模式进行焊接，用来获得较大的熔深，由于深熔焊过程中匙孔内气压较高，在焊缝背面难免会产生焊接飞溅。本发明实施例厚壁压力容器进气口为单向阀、出气口直径仅有1mm，焊接成型后不可能进行清洗，为防止焊接飞溅等多余物进入容器内腔，本发明设计了锁底内衬结构(同时也是为了精准的装配定位)，焊接过程中通过工艺参数严格控制焊缝熔深，使得焊缝熔深刚好处在锁底台阶中部，既要保证焊透有效承载深度，又不至于完全穿透锁底台阶，导致焊接飞溅进入容器内腔。

还需要考虑的是，激光束较细，形成的焊缝较窄，焊接厚度较大时，可能会存在因激光束偏离对缝中心或与焊缝法线不重合时，导致焊缝背面产生未熔合缺陷的产生，因此本发明实施例调节工艺参数一定程度的增加焊缝熔宽，保证有一定的工艺裕度。

本发明实施例压力容器的成型通常包括罐体、顶盖体、盖板、导管及接管嘴等部件的加工、焊接坡口加工、组件装配、罐体环缝焊接、低压缓冲容器盖板焊接、管路焊接等步骤，还可以设置焊后激光热处理的步骤。

本发明实施例所述高压的压力范围为40-60MPa，所述低压的压力范围为2-5MPa。

为了让本发明之上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例，来说明本发明所述之不锈钢厚壁压力容器的激光焊接方法。

实施例1

本发明实施例厚壁压力容器包括罐体、顶盖体、盖板、导管及接管嘴，所述顶盖体包括与所述罐体一端配合连接的顶盖以及低压缓冲容器，所述低压缓冲容器一端与所述顶盖连接，另一端与所述盖板配合连接；所述导管一端与所述低压缓冲容器的低压出气口连接，另一端与所述接管嘴连接；所述罐体与顶盖体采用固溶强化或时效强化不锈钢材料。

本发明实施例厚壁压力容器的加工、装配及焊接成型步骤，具体包括如下：

(1)部件加工步骤：

如图1所示，本超高强度不锈钢厚壁压力容器由罐体1、顶盖体2、盖板3、导管4、接管嘴5组成。

1)部件加工

所述罐体1采用0Cr17Ni4Cu4Nb时效强化不锈钢或20Cr13固溶强化不锈钢锻件热处理后，整体机械加工成形，其加工特征包括加注管嘴1－1、环缝锁底台阶1－2、环缝补强台阶1－3，如图2所示；罐体壁厚、加注管嘴按照设计尺寸加工；为保证焊接定位精度以及防止焊接过程中容器内部产生焊接飞溅，增加了环缝锁底台阶1－2；为保证环焊缝的接头强度，设计了补强接头1－3。单向阀1－4为组合件，由阀芯、弹簧组件与锁紧螺帽组合而成。

所述顶盖体2采用与罐体1相同的材料整体机械加工成形，如图3所示，其主体结构包括高压罐体顶盖2－1与低压缓冲容器2－3两部分组成，高压罐体顶盖2－1不仅充当高压罐体的顶盖，还是低压缓冲容器2－3的底板。高压罐体顶盖2－1加工特征包括与罐体1对合处的焊缝补强台阶2－1－1，以及高压出气接口2－1－2，高压出气接口底部有φ2的圆孔与高压罐体1联通，外侧为M10深10mm的螺纹接口。

如图3所示，所述低压缓冲容器2－3为开口的盒形体，侧壁加工有低压进气口2－3－1与低压出气口2－3－2，以及盖板锁底台阶2－3－3。低压进气口2－3－2底部有φ2的圆孔与低压缓冲容器2－3联通，外侧为M10深10mm的螺纹接口；低压出气口2－3－2底部有φ2的圆孔与低压缓冲容器2－3联通，外侧为φ3的圆孔深4mm，与外径为φ3的导管4进行装配焊接；盖板锁底台阶2－3－3在低压缓冲容器开口内侧，深度与盖板3厚度一直，宽度为1mm，台阶四角尖角加工为R3圆角，台阶需要进行清根处理。

如图4所示，所述盖板3，与罐体1为同种材料，外形尺寸与盖板锁底台阶2－3－3协调加工，锐边不允许倒钝，要求与盖板锁底台阶2－3－3对缝间隙不大于0.1mm。

所述导管4，为与罐体1材料相同的φ3×1标准管材，按照设计长度截取，要求两端面平整无毛刺。

如图5所示，所述接管嘴5，采用与罐体1为同种材料的棒料加工成形，外圆5-1为M10螺纹；圆孔5－2孔径与导管4外径相同，深5～8mm；伸出段5－3厚度2～3mm、长度3～6mm，与导管4插接后，采用角焊缝进行焊接。

2)焊接坡口加工

所述环缝锁底台阶1－2、环缝补强台阶1－3与2－1－1加工尺寸见图6所示，锁底台阶尺寸1-2厚度a＝0.8～1.0mm、长度b＝0.8～1.0mm；环缝补强台阶1－3与2－1－1高度c＝1.0mm、长度d＝2～3mm，成θ角与罐体(或顶盖体)外表面均匀过渡，θ＝135°～150°。顶盖体2与罐体1对合处内壁加工a×b缺口，保证顶盖体2与罐体1对缝间隙不大于0.1mm。

(2)组件装配

所述罐体1与顶盖体2装配步骤为：将罐体1上的环缝锁底台阶插入顶盖体2圆形开口内，使对合面间隙小于0.1mm。

所述盖板3与低压缓冲容器2－3装配步骤为：将盖板3嵌入盖板锁底台阶2－3－3，盖板3与低压缓冲容器2－3开口周边齐平，台阶差不大于0.1mm。

所述导管4与低压缓冲容器2－3装配步骤为：将导管4一端插入低压出气口2－3－2，插入深度约4mm。

所述导管4与接管嘴5装配步骤为：将导管4另一端插入接管嘴5上圆孔5－2内，插入深度为5～8mm。

(3)罐体环缝焊接

1)罐体定位焊接

罐体定位焊接工艺参数为：激光功率2.0～3.5KW、焊接速度1.5～3.0m/min、离焦量－1mm～+1mm、保护气流量10～15L/min，定位焊点5～7mm长，间距25mm～30mm。定位焊焊缝深度为罐体厚度的1/3～1/2即可，焊点宽度不宜过宽，因此焊接速度不易过低。

2)罐体环缝连续焊接

罐体环缝连续焊接工艺参数为：

所述罐体壁厚为5mm～10mm时，激光功率4.2～7.5KW、焊接速度0.8～1.5m/min、离焦量－2mm～3mm、保护气流量15～25L/min。

(4)低压缓冲容器盖板焊接

1)低压缓冲容器盖板定位焊接

定位焊接工艺参数为：激光功率0.8～1.5KW、焊接速度1.5～3.0m/min、离焦量－1mm～+1mm、保护气流量10～15L/min，定位焊点3～6mm长，间距20mm～25mm。定位焊焊缝深度为盖板厚度的1/3～1/2即可，焊点宽度不宜过宽，因此焊接速度不易过低。

2)低压缓冲容器盖板连续焊接

连续焊接工艺参数为：

盖板厚度为2mm～4mm时，激光功率1.6～3.5KW、焊接速度1.0～1.5m/min、离焦量－1.5mm～2.5mm、保护气流量15～25L/min。

(5)管路焊接

导管4与接管嘴5以及导管4与低压出气口2－3－2采用角焊缝进行焊接。由于导管直径小、壁厚薄，采用窄脉冲激光、低焊速为宜，以防止导管内壁熔化发生堵塞。焊接参数为：激光功率0.5～0.8KW、焊接速度0.3～0.5m/min、离焦量－0.5mm～+0.5mm、脉冲频率80Hz～100Hz、占空比15～30％、激光束45°入射、保护气流量10～15L/min。

实施例2

实施例2与实施例1不同之处在于：

罐体环缝连续焊接工艺参数为：

a、当罐体壁厚为5mm～6mm时，激光功率4.2～4.8KW、焊接速度1.2～1.5m/min、离焦量－1mm～2mm、保护气流量15～25L/min；

b、当罐体壁厚为6mm～7mm时，激光功率4.7～5.4KW、焊接速度1.0～1.3m/min、离焦量－1.5mm～2.5mm、保护气流量15～25L/min；

c、当罐体壁厚为7mm～8mm时，激光功率5.2～6.0KW、焊接速度0.8～1.2m/min、离焦量－2mm～3mm、保护气流量15～25L/min；

d、当罐体壁厚为8mm～9mm时，激光功率5.8～6.6KW、焊接速度0.8～1.2m/min、离焦量－2mm～3mm、保护气流量15～25L/min；

e、当罐体壁厚为9mm～10mm时，激光功率6.5～7.5KW、焊接速度0.8～1.2m/min、离焦量－2mm～3mm、保护气流量15～25L/min；

为保证罐体高压强度与气密性要求，环焊缝收弧位置应该与起焊位置有一段重叠区域，重叠长度10～15mm为宜；激光深熔焊结束时，直接关断激光会存在较大的收弧坑，影响罐体气密性要求，在激光焊枪到达焊接结束点前3～10mm时，就应该进行焊接功率衰减，使焊接收弧过程由深熔焊逐渐向传热焊进行平稳过渡，焊缝熔深逐渐减小直至为零，完成无钥孔收弧。

低压缓冲容器与盖板连续焊接的工艺参数为：

a、当盖板厚度为2mm～3mm时，激光功率1.6～2.5KW、焊接速度1.2～1.5m/min、离焦量－1mm～2mm、保护气流量15～25L/min；

b、当罐体壁厚为3mm～4mm时，激光功率2.4～3.5KW、焊接速度1.0～1.5m/min、离焦量－1.5mm～2.5mm、保护气流量15～25L/min；

为保证罐体高压强度与气密性要求，环焊缝重叠长度、收弧衰减与长度要求与罐体焊接要求一致。

管路焊接时，焊缝重叠长度1～2mm即可，采用窄脉冲激光焊接允许不进行收弧功率衰减过程。

本发明实施例2还设置了焊后激光热处理步骤：

罐体1与顶盖体2采用固溶强化或时效强化超高强度不锈钢材料，且壁厚较大，激光焊缝冷却速度较快，焊缝淬脆倾向较大，容易出现裂纹，焊后需要马上进行去应力退火。但是罐体1底部有单向阀组件，不能进行焊后热处理，因此采用激光加热对焊缝进行热处理，工艺参数如下：

激光功率为焊接功率的1/5～1/4，速度0.3～0.4m/min，离焦量+20mm～+25mm，光斑直径φ2mm～φ3mm，保护气流量15～25L/min。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。