一种耐腐蚀金属薄膜片组件及其激光焊接方法与流程

本发明涉及一种耐腐蚀金属薄膜片组件及其激光焊接方法，应用于测量仪表制造过程，尤其涉及一种能够适用于石化、化工行业酸、碱、盐腐蚀性介质工况压力信号测量的压力变送器的生产，属于激光焊接技术领域。

背景技术：

在石化、化工行业的生产过程中，各种酸、碱、盐生产原料等物质对于生产设备的腐蚀是一个普遍存在的问题，工艺过程测量中使用的压力检测仪表压力变送器受腐蚀现象严重，大大降低了仪表的使用寿命。在实际测量过程中，由于腐蚀的原因造成仪表故障频发，企业通过经常更换仪表，来维持生产过程的正常运行，增加了企业的运营及维护成本。

在过程测量中使用的现有的压力变送器检测部分如图2所示，压力变送器检测部分主要由传感器部件、杯体部件、膜盒部件焊接组成一体化结构。膜盒部件由两侧对称的隔离膜片组件组成。对于腐蚀性介质及工况，要求隔离膜片组件由耐蚀材隔离膜片和耐蚀材本体组成（两种零件的材料相同）。隔离膜片和本体与腐蚀性介质接触，如果本体使用标准的sus316不锈钢材料制作很容易被介质腐蚀，因此需要使用诸如哈氏合金、孟乃尔、钽、鈦、锆等材料来应对各种腐蚀介质，在现有技术中，通常将本体和隔离膜片全部使用同一种耐蚀材料制造，但此类材料价格昂贵、制造成本高。

现有技术中通常采用电子束焊接方法，电子束焊接属于高能密度束流加工技术，电子束的能量转换效率高，在超大功率场合和大熔深焊接以及深宽比要求高的焊接中具有不可替代的地位。但是电子束焊接也存在以下不足之处：1.设备价格昂贵，通常一台设备价格在1千万元以上；2.设备构成复杂，操作困难，对于操作人员的技术水平要求高；3.生产效率低，电子束焊接是在真空室里完成的，由于真空室的存在，抽真空时间长，影响了焊接循环的时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种耐腐蚀金属薄膜片组件及其激光焊接方法，使用激光焊接代替电子束焊接，减少了设备投入，降低了制造难度和制造成本，提高了生产效率；并可提高零件焊接合格率，有利于产品特性的改善、长期稳定性、可靠性的提高。

按照本发明提供的技术方案，一种耐腐蚀金属薄膜片组件包括隔离膜片、垫圈及本体，所述垫圈放置在本体上，沿垫圈内径部位与本体焊接形成第一焊道，所述垫圈固定在本体上；再沿靠近垫圈的外径部位与本体焊接形成第二焊道，并形成耐蚀材料的过渡层；将所述隔离膜片放置在垫圈上，沿隔离膜片的外径焊接在垫圈上形成第三焊道，所述第三焊道覆盖住第一焊道，通过第一焊道、第二焊道、第三焊道焊接将耐蚀材隔离膜片、耐蚀材垫圈和本体形成—整体。

作为本发明的进一步改进，所述隔离膜片的厚度为0.05mm~0.1mm。

作为本发明的进一步改进，所述垫圈为圆环形片状结构，厚度为0.3mm~0.5mm，圆环外径与本体外径相同，内径小于隔离膜片的直径。

作为本发明的进一步改进，所述垫圈的厚度为0.3mm~0.5mm。

作为本发明的进一步改进，所述隔离膜片、垫圈分别采用哈氏合金、蒙乃尔、钽、钛或锆耐蚀材料制成。

作为本发明的进一步改进，所述第二焊道与第三焊道之间设有o型密封圈，隔离了第二焊道与介质的接触。

作为本发明的进一步改进，所述本体采用sus316不锈钢材料制成。

本发明一种耐腐蚀金属薄膜片组件的激光焊接方法，其包括如下激光焊接步骤：

步骤s1：垫圈装夹，将本体放置在垫圈内径激光焊接夹具的底座上，将垫圈放置在本体上，再用垫圈焊接夹具压盖将耐蚀材垫圈与本体压合，用固定螺栓锁紧固定垫圈和本体，使垫圈和本体紧密贴合没有缝隙，防止激光焊接过程中出现虚焊或者焊接质量下降的情形发生；

步骤s2：垫圈内径激光焊接，采用碟片式激光焊接设备，朝向垫圈的内径处垂直发射激光形成第一焊道，将垫圈和本体结合形成一焊接组件，用于将垫圈和本体焊接成一体；

步骤s3：取出焊接组件及更换夹具，松卸夹具并取出焊接组件，更换下一组零件；

按照步骤s1及步骤s2顺序循环操作，以进行垫圈和本体的批量焊接生产；

完成上述步骤，更换焊接夹具；

步骤s4：垫圈外径激光焊接，将垫圈的外圈和本体焊接为一体，具体步骤如下：将垫圈和本体焊接形成的焊接组件，放置在垫圈外径激光焊接夹具的旋转底座上，通过调整螺母再将旋转压盖压紧在焊接组件上，旋转底座装夹在激光焊接设备的卡盘上，卡盘的旋转带动放置在旋转底座上的焊接组件和旋转压盖一起旋转。在焊接过程中，激光头是固定的，随着工件旋转同时在靠近垫圈的外径处开始垂直发射激光并形成第二焊道，在旋转一周360°后焊接结束，激光停止发射焊接完成；

步骤s5：垫圈表面焊缝整形处理，对垫圈和本体连接形成的焊接组件进行表面压平处理，上述焊接步骤完成后，在焊接组件垫圈表面形成了两道焊缝，焊缝表面有堆高以及焊接后形成的氧化薄膜层，通过表面整形处理能消除焊缝表面的堆高以及氧化薄膜层；

步骤s6：隔离膜片装夹，将压平处理后的焊接组件放置在隔离膜片焊接夹具上，然后，将隔离膜片放置在垫圈和本体焊接形成的焊接组件上，用定位夹具将隔离膜片固定在焊接组件的圆心上并保证两者的同轴度，通过调整螺母再将旋转压盖压下，使隔离膜片与垫圈的焊接组件表面紧密贴合；

步骤s7：隔离膜片激光焊接，采用碟片式激光焊接设备，沿隔离膜片的外圆处垂直发射激光形成第三焊道，将隔离膜片和垫圈与本体的结合件焊接成隔离膜片组件；

步骤s8：取出，松卸夹具并取出最终完成的隔离膜片组件；

步骤s9：检漏，用氦质谱仪对组件焊缝处进行气密性试验，不得出现泄漏现象，保证精密焊接的质量。

作为本发明的进一步改进，所述在垫圈内径激光焊接步骤s2及垫圈外径激光焊接步骤s4中，激光焊接的各项工艺参数范围设置如下：激光功率600～800w，光纤直径￠0.2mm，光学系焦点距离150mm，焊接速度2～4m/min，光斑直径￠0.3～￠0.5mm，焦点位置0～-2mm，保护气流量10～20l/min。

作为本发明的进一步改进，所述步骤s7中，所述隔离膜片与垫圈采用搭接方式的激光焊接，激光焊接的各项工艺参数范围设置如下：激光功率600～700w，光纤直径￠0.2mm，光学系焦点距离150mm，焊接速度2～3m/min，光斑直径￠0.4～￠0.6mm，焦点位置0～1mm，保护气流量5～10l/min。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用了耐蚀材料制成的隔离膜片及垫圈，垫圈与不锈钢sus316本体焊接为一体的结构，解决了本体耐蚀材料成本高的问题，降低了材料成本。然而此方案存在异种材料（耐蚀材和不锈钢sus316）间难以焊接的问题，哈氏合金﹑蒙乃尔﹑钽等耐蚀合金材料与不锈钢316材料焊接时，由于异种金属在化学成分、元素性质﹑物化性能﹑几何尺寸等方面存在显著差异，因此焊接难度非常大。特别是钽膜片和不锈钢本体的焊接，钽金属的熔点为2996℃，不锈钢316的熔点在1400℃左右，两者相差一倍，因为两种材料的成分及熔点不同，采用普通的氩弧焊或者等离子焊接工艺，在焊接到达熔化状态时，难以形成新的熔池。

2、本发明为了解决异种材料难以焊接的问题，为了解决电子束焊接存在制造成本高的问题，本发明采用激光焊接设备及工艺方法代替电子束焊接设备及方法，减少了设备投入，降低了制造难度和制造成本，提高了生产效率。然而，目前激光焊接设备及技术的应用主要为汽车和钣金加工行业，仪表制造应用较少、特别是高端压力变送器制造过程中耐蚀金属薄膜片与异种金属材料的精密焊接尚无实用案例，仪表制造要求零件的加工精度和焊接精度很高，工件变形和热影响区小，焊缝表面质量要求高，气密性要求严格。本发明作为一种新设备、新技术、新工艺、特殊材料的应用，历经认识、摸索、试验、完善的过程，实现了激光焊接技术在高端压力变送器制造领域的成功应用。

3、本发明作为异种金属的焊接，垫圈与本体实施激光焊接，可获得熔池具有足够的深度，保证焊缝的强度及气密性。作为同种金属的焊接，隔离膜片与垫圈采用搭接方式的激光焊接，容易形成理想的焊缝形状，可保证熔池的成分全部为耐蚀材料，保证焊缝的牢固美观。

4、本发明由于采用精密的激光焊接工艺及方法，提高了零件焊接合格率，有利于产品特性的改善、长期稳定性、可靠性的提高；全部焊接作业在本企业工厂内完成，自主掌握了核心制造技术，降低了制造成本。

附图说明：

图1为本发明耐蚀材隔离膜片和耐蚀材垫圈结构的压力变送器检测部分示意图；

图2为以往的耐蚀材结构压力变送器检测部分示意图；

图3为本发明耐蚀材隔离膜片组件结构及激光焊接示意图；

图4为本发明实例提供的耐蚀材垫圈内径激光焊接示意图；

图5为本发明实例提供的耐蚀材垫圈外径及耐蚀材隔离膜片激光焊接示意图；

图6为本发明实例提供的异种金属薄膜片激光焊接方法的流程示意图。

附图标记说明：1-第一焊道1、2-第二焊道2、3-第三焊道3、100-检测部分、110-传感器部件、120-杯体部件、130-膜盒部件、140-隔离膜片组件、141-隔离膜片、142-垫圈、143-本体、200-激光、210-激光焊接设备卡盘、300-垫圈内径激光焊接夹具、301-垫圈焊接夹具底座、302-垫圈焊接夹具压盖、303-固定螺栓、400-垫圈外径及隔离膜片激光焊接夹具、410-旋转底座、420-旋转压盖、430-调整螺母。

具体实施方式

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

如图1-图2所示，本发明包括在测量中使用的现有的压力变送器检测部分，所述压力变送器检测部分100主要由传感器部件110、杯体部件120、膜盒部件130焊接组成一体化结构。膜盒部件130由两侧对称的隔离膜片部件140组成。

如图1所示，本发明设计的耐蚀材隔离膜片141、耐蚀材垫圈142和本体143焊接为一体的特殊结构，代替图2耐蚀材隔离膜片141和耐蚀材本体143焊接组合的结构。

本发明现以钽金属材料为例，结合图3所示，说明耐蚀材隔离膜片组件140的结构设计及激光焊接过程。钽金属材料作为高熔点金属，与普通不锈钢的焊接是一道难题，钽金属材料的熔点为2996℃，不锈钢316的熔点在1400℃左右，两者相差一倍多，即使采用激光焊接，如果将隔离膜片141直接与本体143焊接，因为两种材料的熔点相差悬殊，且两种零件的几何尺寸差异很大，其中隔离膜片141的厚度为0.05mm左右，焊接后，会形成焊接缺陷，难以保证膜片的气密性，而且焊接形成的熔池成分是两种金属的混合物，即焊缝处的膜片材料已不是纯粹的金属钽，这样就丧失了隔离膜片的耐蚀作用。

本发明为解决此问题，在隔离膜片141与本体143中间增加垫圈142的结构设计，垫圈142为圆环形片状结构，厚度0.3mm左右，圆环外径与本体143外径相同，内径小于隔离膜片141的直径，垫圈142起到连接隔离膜片141与本体143的过渡作用。

作为异种金属的焊接，垫圈142（钽）与本体143（sus316）实施激光焊接，因为垫圈142的厚度在0.3mm左右，可获得熔池具有足够的深度，保证焊缝的强度及气密性。

作为同种金属的焊接，隔离膜片141（钽）与垫圈142（钽）采用搭接方式的激光焊接，容易形成理想的焊缝形状，可保证熔池的材料成分为钽，保证焊缝的牢固美观。

如图3所示，所述隔离膜片组件140由隔离膜片141、垫圈142和本体143组成。首先将厚度较大的垫圈142放置在本体143上，沿垫圈142内径部位与本体143焊接形成第一焊道1，此第一焊道的目的是将垫圈142固定在本体143上；然后再沿靠近垫圈142的外径部位与本体143焊接形成第二焊道2，此第二道焊接增强了垫圈142和本体143的焊接强度，使得两个零件的连接紧密牢固，形成钽材料的过渡层；最后再将隔离膜片141放置在垫圈142上，沿隔离膜片141的外径焊接在垫圈142上形成第三焊道3，第三焊道3覆盖住了第一焊道1。通过这三道焊接将耐蚀材隔离膜片141、耐蚀材垫圈142和本体143组成一体，完成隔离膜片组件140的制作。

当压力变送器实际工作时，隔离膜片141和垫圈142与被测介质接触，第三焊道3覆盖住了第一焊道1，在第二焊道2与第三焊道3之间设有o型密封圈（图中未标示），隔离了第二焊道2与介质的接触，因此第一焊道1和第二焊道2均不与被测介质接触，第三焊道3是同种耐蚀材料，通过上述方法的实施，可保证与腐蚀性介质接触的材料均为耐蚀材料钽。根据具体的工况及介质，可通过选择使用哈氏合金、蒙乃尔、钽、钛、锆等丰富的耐蚀材料，使一直受腐蚀困扰的难题得到解决。

如图3、图4和图5所示，本发明一种耐腐蚀金属薄膜片组件的激光焊接方法，所述耐腐蚀金属薄膜片组件140由隔离膜片141、垫圈142和本体143组成一整体。其包括如下激光焊接步骤：

步骤s1：耐蚀材垫圈装夹，如图4所示，将本体143放置在垫圈内径激光焊接夹具300的底座301上，将耐蚀材垫圈142放置在本体143上，再用垫圈焊接夹具压盖302将耐蚀材垫圈142与本体压合。该步骤主要用固定螺栓303锁紧固定耐蚀材垫圈142和本体143，使耐蚀材垫圈142和本体143紧密贴合没有缝隙，防止激光焊接过程中出现虚焊或者焊接质量下降的情形发生。

步骤s2：垫圈内径激光焊接，采用碟片式激光焊接设备如图4所示，朝向耐蚀材垫圈142的内径处垂直发射激光200形成第一焊道1（如图3），将耐蚀材垫圈142和本体143结合形成一焊接组件，该步骤主要用于将耐蚀材垫圈142和本体143焊接成一体。

步骤s3：取出焊接组件及更换夹具，松卸夹具并取出焊接组件，更换下一组零件。

按照步骤s1及步骤s2顺序循环操作，以进行耐蚀材垫圈142和本体143的批量焊接生产。

完成上述步骤，更换焊接夹具。

步骤s4：垫圈外径激光焊接，此步骤是将耐蚀材垫圈142的外圈和本体143焊接为一体，具体实施如下：将耐蚀材垫圈142和本体143焊接形成的焊接组件，放置在如图5所示的垫圈外径激光焊接夹具400的旋转底座410上，通过调整螺母430再将旋转压盖420压紧在焊接组件上，旋转底座410装夹在激光焊接设备的卡盘210上，卡盘210的旋转会带动放置在旋转底座410上的焊接组件及旋转压盖420同步旋转。在焊接过程中，激光头是固定的，随着工件旋转的同时在靠近垫圈的外径处开始垂直发射激光200并形成第二焊道2（参见图3），在旋转一周360°后焊接结束，激光停止发射焊接完成。

步骤s5：垫圈表面焊缝整形处理，此步骤是对耐蚀材垫圈142和本体143连接形成的焊接组件进行焊缝表面压平处理，因为在上述焊接步骤完成后，在焊接组件垫圈表面形成了两道焊缝，焊缝表面有堆高以及焊接后形成的氧化薄膜层，通过此步骤可消除焊缝表面的堆高以及氧化薄膜层，保证垫圈表面的平整度，为后道工序耐蚀材隔离膜片141的焊接提供保障。

步骤s6：耐蚀材隔离膜片装夹，将压平处理后的焊接组件放置在隔离膜片焊接夹具400的旋转底座410上，然后，将耐蚀材隔离膜片141放置在耐蚀材垫圈142和本体143焊接形成的焊接组件上，因耐蚀材隔离膜片141的厚度仅有0.05mm左右，需用定位夹具将将耐蚀材隔离膜片141固定在焊接组件的圆心上并保证两者的同轴度，通过调整螺母430再将旋转压盖420压下，使得耐蚀材隔离材膜片141与耐蚀材垫圈142的焊接组件表面紧密贴合。

步骤s7：隔离膜片激光焊接，采用碟片式激光焊接设备如图5所示，沿耐蚀材隔离膜片141的外圆处垂直发射激光200形成第三焊道3（参见图3），将耐蚀材隔离膜片141和耐蚀材垫圈142与本体143的结合件焊接成耐蚀材隔离膜片组件140。

步骤s8：取出，松卸夹具并取出最终完成的隔离膜片组件。

步骤s9：检漏，用氦质谱仪对组件焊缝处进行气密性试验，不得出现泄漏现象，保证精密焊接的质量。

本发明提供的耐蚀材料制成的膜片加垫圈和不锈钢sus316本体焊接为一体的结构和激光焊接工艺，通过其特殊结构设计降低了材料成本；通过合理有效的激光焊接方法，可实现简化焊接工序、提高焊接效率和降低制造成本的效果。

作为本发明的另一项优选实施例，在垫圈内径激光焊接步骤s2及垫圈外径激光焊接步骤s4中，耐蚀材垫圈142和本体143的焊接，由于本体143的材料为不锈钢sus316，而垫圈为耐蚀材料，这两种材料间的焊接属于异种材料焊接，激光焊接的各项工艺参数范围设置如下：激光功率600～800w，光纤直径￠0.2mm，光学系焦点距离150mm，焊接速度2～4m/min，光斑直径￠0.3～￠0.5mm，焦点位置0～-2mm，保护气流量10～20l/min。

作为本发明的又一项优选实施例，作为同种金属材料的焊接，步骤s7隔离膜片141与垫圈142采用搭接方式的激光焊接，激光焊接的各项工艺参数范围设置如下：激光功率600～700w，光纤直径￠0.2mm，光学系焦点距离150mm，焊接速度2～3m/min，光斑直径￠0.4～￠0.6mm，焦点位置0～1mm，保护气流量5～10l/min。

本发明为降低制造成本、改善性能和解决存在的问题，设计出耐蚀材料制成的膜片加垫圈和不锈钢sus316本体焊接为一体的结构，降低了材料成本；使用激光焊接的新设备、新工艺、新方法代替电子束焊接，降低了制造成本；异种金属本体（sus316不锈钢）与耐蚀垫圈（哈氏合金、孟乃尔、钽、鈦、锆等）的精密激光焊接工艺；同种耐蚀材料薄膜片的精密激光焊接工艺；提高了零件焊接合格率，有利于产品特性的改善、长期稳定性、可靠性的提高；全部焊接作业在本企业工厂内完成，自主掌握了核心制造技术，降低了制造成本。