一種超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件的方法和裝置的製作方法

2023-04-28 16:18:06

專利名稱：一種超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射加工領域，尤其涉及一種超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件的方法和裝置。
背景技術：
隨著液化天然氣(LNG)的推廣應用，對建造新LNG設施的需求也在不斷增加。其中，撬裝式LNG加氣站因其佔地少、投資小、建站快和易整體搬遷等優勢而倍受關注。在撬裝式LNG加氣站關鍵技術組成部分中，受儲罐、低溫泵和輸送管道等處超低溫環境下焊接工藝關鍵技術制約，導致了 LNG加氣站存在無損儲存時間短等不足。而且在非常低的工作溫度下，焊接件容易發生惡性脆性斷裂事故。因此，有必要提高焊接件在超低溫環境下服役
解決上述超低溫下焊接件服役時間短的問題，可以從兩個方面綜合考慮一方面要提高焊接件的機械性能，如韌性、抗腐蝕性等；另一方面也要考慮實驗室進行超低溫試驗裝置的簡易性和可行性。雷射技術如今被人們所認可並且大規模的開發利用，出現了雷射衝擊強化、雷射熔覆、雷射雕刻和雷射切割等一些先進的特種加工技術。將雷射衝擊強化技術運用到改善焊接件在超低溫環境下的服役狀況，是值得考慮和研究的工作。中國專利申請第200480012167. 4號公開了一種焊接物的受控熱膨脹以提高韌性，其通過控制焊接物覆層在冷卻過程中的熱收縮來提高焊接物類覆層的韌性，提出用金屬覆層應用到襯底上，由於金屬合金覆層和襯底之間的界面上，襯底金屬至少部分熔融，並與該合金結合形成冶金結合，當該金屬合金冷卻時，則會經歷相對熱收縮程度，在襯底和合金之間的冶金結合限制了合金在與襯底界面處的收縮，從而在金屬合金覆層中引入壓應力，阻止裂紋在覆層中的形成。該方法對焊接工藝要求比較嚴格，沒有涉及對超低溫環境下已焊接的焊接件進行優化的方法。有鑑於此，有必要提供一種新的超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件方法和裝置。

發明內容
本發明所要解決的一個技術問題是提供一種新的超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件的方法和裝置。以增加焊接件焊縫區域的位錯密度，提高超低溫條件下焊接件的韌性、抗腐蝕性以及其他機械性能。為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案一種超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件的方法，包括(I)提供一焊接件，該焊接件具有焊縫區域；(2)將所述焊接件浸入液氮中，對所述焊縫區域進行雷射衝擊強化處理。相應地，本發明還公開了一種雷射焊接裝置，包括超低溫控制裝置，包括液氮收容槽，該液氮收容槽中收容有液氮，所述焊接件浸沒於所述液氮中；
雷射強化裝置，發射雷射束，並對所述焊縫區域進行雷射衝擊強化處理。作為本發明的進一步改進，所述雷射焊接裝置還包括設於所述液氮收容槽內的工作檯系統，該工作檯系統包括五軸聯動工作檯和夾具，所述焊接件承載於所述五軸聯動工作檯的上表面並被所述夾具固持；計算機控制系統，控制雷射強化裝置發射雷射束並控制所述工作檯系統的移動。作為本發明的進一步改進，所述雷射焊接裝置還包括監控探頭，該監控探頭滑動設於所述液氮收容槽內，所述計算機控制系統控制所述監控探頭的移動。作為本發明的進一步改進，所述液氮收容槽為雙層真空隔離設計，包括不鏽鋼外層和不鏽鋼內層，所述不鏽鋼外層和不鏽鋼內層之間形成有真空腔，所述不鏽鋼內層的頂端密封有環氧板。 作為本發明的進一步改進，所述超低溫控制裝置還包括一杜瓦液氮儲存容器，所述杜瓦液氮儲存容器通過輸送管道將液氮提供至所述液氮收容槽內。作為本發明的進一步改進，所述雷射強化裝置包括納秒雷射器、準直鏡以及連接在所述納秒雷射器和所述準直鏡之間的光纖，所述準直鏡位於液氮收容槽內且位於所述焊接件的上方。作為本發明的進一步改進，所述焊接件的上表面設有吸收層，所述吸收層為鋁箔。作為本發明的進一步改進，所述吸收層與所述液氮上表面之間的距離為I 2mm。本發明的有益效果(I)利用超低溫環境下的焊接件的雷射衝擊強化，能夠明顯增加焊接件焊縫區域的位錯密度，提高焊接件焊縫區域的韌性、硬度和抗腐蝕能力。(2)液氮作為超低溫雷射衝擊的輔助環境和雷射衝擊強化時的約束層，具有雙重作用，巧妙地構建了超低溫雷射衝擊強化焊接件的裝置；(3)在與焊接件相同的工作條件的超低溫環境下採用納秒雷射束衝擊強化焊接件的焊接件焊縫區域，實現加工環境和服役環境的一致性，最大限度地提高焊接件在超低溫環境下的使用壽命。


為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I所示為本發明具體實施例中雷射焊接裝置的結構示意圖；圖2所示為圖I中超低溫控制裝置結構的放大示意圖；圖3所示為圖I中工作檯系統結構的放大示意圖；圖4為常溫環境下雷射衝擊強化獲得的奧氏體AISI304不鏽鋼堆垛層錯TEM照片;圖5為超低溫環境下雷射衝擊強化獲得的奧氏體AISI304不鏽鋼堆垛層錯的TEM照片；圖6為常溫和超低溫環境下奧氏體AISI304不鏽鋼雷射衝擊強化後獲得的XRD曲線圖。
具體實施例方式本發明實施例公開了一種超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件的方法，包括(I)提供一焊接件，該焊接件具有焊縫區域；(2)將所述焊接件浸入液氮中，對所述焊縫區域進行雷射衝擊強化處理。相應地，本發明還公開了一種雷射焊接裝置，包括超低溫控制裝置，包括液氮收容槽，該液氮收容槽中收容有液氮，所述焊接件浸沒於所述液氮中；雷射強化裝置，發射雷射束，並對所述焊縫區域進行雷射衝擊強化處理。·將焊接件放置在液氮超低溫環境中，液氮作為低溫輔助環境，同時作為雷射衝擊強化過程中的約束層，一方面簡化了在超低溫下雷射衝擊強化的裝置；另一方面在超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件，並在相同的溫度環境下服役，保證了焊接件加工環境和服役環境的一致性，從而提高了超低溫環境下焊接件的韌性、抗腐蝕性能等其他機械性能。為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本申請保護的範圍。圖I所示為本發明具體實施例中雷射焊接裝置的結構示意圖。參圖I所示，雷射焊接裝置10包括超低溫控制裝置11、雷射強化裝置12、工作檯系統13以及計算機控制系統14。圖2所示為圖I中超低溫控制裝置結構的放大示意圖。參圖2所示，超低溫控制裝置11包括液氮收容槽112、監控探頭113和杜瓦液氮儲存容器114。液氮收容槽112為雙層真空隔離設計，起到真空保溫作用。液氮收容槽112包括不鏽鋼外層1121和不鏽鋼內層1122，不鏽鋼外層1121和不鏽鋼內層1122之間形成有真空腔1123，不鏽鋼內層1122的頂端密封有環氧板115，以減少液氮的揮發。液氮收容槽112底部中心的真空腔1123內，不鏽鋼外層1121和不鏽鋼內層1122之間還設有承壓支撐座118。液氮收容槽112採用不鏽鋼材料，具有較高的剛度。監控探頭113通過移動軌道116安裝在環氧板115上，監控探頭113沿移動軌道116移動來實現在液氮收容槽112中的實時監控，監控探頭113用以監視液氮的液體位置以及焊接件131衝擊區域的位置，並反饋到計算機控制系統14中去。杜瓦液氮儲存容器114通過輸送管道117將液氮提供至所述液氮收容槽112內。通過加壓，可將儲存在杜瓦液氮儲存容器114中的液氮經液氮輸送管道117輸入到液氮收容槽112。將液氮裝入在杜瓦液氮儲存容器114中，可使液氮保持超低溫狀態，具有很好的保溫效果。雷射強化裝置12包括納秒雷射器121、準直鏡122以及連接在納秒雷射器121和準直鏡122之間的光纖123，準直鏡123位於液氮收容槽112內且位於焊接件131的上方。計算機控制系統14控制納秒雷射器121發出納秒雷射束，該納秒雷射束耦合進入光纖123，遠距離傳輸後，通過準直鏡123準直為平行光，穿過液氮，再聚焦在貼有吸收層132的焊接件131表面上進行雷射衝擊強化，焊接件131上的吸收層132優選為鋁箔。液氮液面高出吸收層132表面I 2mm作為雷射衝擊焊接件131的約束層。圖3所示為圖I中工作檯系統結構的放大示意圖。參圖3所示，工作檯系統13由五軸聯動工作檯133和夾具134組成，工作檯系統13位於液氮收容槽112內，五軸聯動工作檯133受計算機控制系統14控制進行移動，焊接件131承載於五軸聯動工作檯133的上表面並被夾具134固持。計算機控制系統14分別電性連接於納秒雷射器121、監控探頭113和五軸聯動工作檯133。計算機控制系統14電性連接於納秒雷射器121用以控制其發射納秒雷射束；計算機控制系統14電性連接於監控探頭113，用以控制其沿移動軌道116移動，並接收監控 探頭113的反饋信息並在顯示器上顯示；計算機控制系統14電性連接於五軸聯動工作檯133，用以控制其帶動焊接件131進行移動。利用上述雷射焊接裝置10進行焊接的方法如下(I)將焊接件131焊縫區域的表面打磨拋光，粘貼鋁箔作為吸收層132，將焊接件131固定在五軸聯動工作檯133上；(2)打開杜瓦液氮儲存容器114，讓液氮充入液氮收容槽112內，使得液氮沒過貼有吸收層鋁箔的焊接件131表面I 2mm，一方面為整個系統提供超低溫環境，另一方面焊接件131上方的液氮還可以作為雷射衝擊強化系統中的約束層；(3)計算機控制系統14控制納秒雷射發生器121發射納秒雷射束，該納秒雷射束耦合進入光纖123，遠距離傳輸後，通過準直鏡122準直為平行光，穿過約束層液氮，再聚焦在貼有吸收層132的焊接件131焊縫表面上進行雷射衝擊強化處理；(4)計算機控制系統14控制工作檯系統13，經監控探頭113拍攝工作檯系統13上焊接件131與雷射束的相對位置，相關信息反饋到計算機控制系統14中，確保雷射束與焊接件131待處理表面垂直，同時計算機控制系統14控制納秒雷射發生器121發射納秒雷射束，對焊接件131焊縫區域進行大面積搭接雷射衝擊強化處理，相鄰光斑搭接率為50%，從而完成雷射衝擊強化的路徑。圖4是常溫(20°C )環境下雷射衝擊強化獲得的奧氏體AISI304不鏽鋼焊接件堆垛層錯TEM照片。從圖4照片中可以看出，這些堆垛層錯尺寸極大，位於孿晶界附近，尺寸超過lOOnm，最大可達250nm以上，甚至超過孔洞的尺寸，這與孿晶之間存在密切關係。圖5為超低溫液氮環境下(_196°C以下)雷射衝擊強化獲得的奧氏體AISI304不鏽鋼焊接件堆垛層錯的TEM照片。與圖4常溫環境下的堆垛層錯相比，超低溫環境下的堆垛層錯具有高密度的網格形貌；堆垛層錯通過阻礙位錯運動，從而達到增強材料的效果，而在超低溫(_196°C以下)環境下，雷射衝擊強化材料獲得了高密度的堆垛層錯，更有效的增強了材料的機械性能，在常溫環境下雷射衝擊強化時得不到如此高密度的堆垛層錯的。圖6為常溫(20°C )和超低溫(-196°C以下)環境下奧氏體AISI304不鏽鋼焊接件雷射衝擊強化後獲得的XRD曲線圖。
從圖6中比較得到超低溫(_196°C以下)下雷射衝擊之後在材料內部相變獲得的馬氏體要多於常溫環境下同雷射衝擊參數所獲得的馬氏體。而馬氏體在增強材料相發揮著重要的作用，在超低溫環境下雷射衝擊處理獲得的馬氏體相越多，則意味著材料的強度越好，這有利於材料疲勞性能的增強。綜上所述，本發明的有益效果(I)利用超低溫環境下的焊接件的雷射衝擊強化，能夠明顯增加焊接件焊縫區域的位錯密度，提高焊接件焊縫區域的韌性、硬度和抗腐蝕能力。(2)液氮作為超低溫雷射衝擊的輔助環境和雷射衝擊強化時的約束層，具有雙重作用，巧妙地構建了超低溫雷射衝擊強化焊接件的裝置；(3)在與焊接件相同的工作條件的超低溫環境下採用納秒雷射束衝擊強化焊接件的焊接件焊縫區域，實現加工環境和服役環境的一致性，最大限度地提高焊接件在超低溫環境下的使用壽命。
最後，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件的方法，其特徵在於，包括 (I)提供一焊接件，該焊接件具有焊縫區域； (2 )將所述焊接件浸入液氮中，對所述焊縫區域進行雷射衝擊強化處理。
2.一種應用於權利要求I所述雷射衝擊強化焊接件的方法中的雷射焊接裝置，其特徵在於，包括 超低溫控制裝置，包括液氮收容槽，該液氮收容槽中收容有液氮，所述焊接件浸沒於所述液氣中； 雷射強化裝置，發射雷射束，並對所述焊縫區域進行雷射衝擊強化處理。
3.根據權利要求2所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，還包括 設於所述液氮收容槽內的工作檯系統，該工作檯系統包括五軸聯動工作檯和夾具，所述焊接件承載於所述五軸聯動工作檯的上表面並被所述夾具固持； 計算機控制系統，控制雷射強化裝置發射雷射束並控制所述工作檯系統的移動。
4.根據權利要求3所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，還包括監控探頭，該監控探頭滑動設於所述液氮收容槽內，所述計算機控制系統控制所述監控探頭的移動。
5.根據權利要求2所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，所述液氮收容槽為雙層真空隔離設計，包括不鏽鋼外層和不鏽鋼內層，所述不鏽鋼外層和不鏽鋼內層之間形成有真空腔，所述不鏽鋼內層的頂端密封有環氧板。
6.根據權利要求2所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，所述超低溫控制裝置還包括一杜瓦液氮儲存容器，所述杜瓦液氮儲存容器通過輸送管道將液氮提供至所述液氮收容槽內。
7.根據權利要求2所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，所述雷射強化裝置包括納秒雷射器、準直鏡以及連接在所述納秒雷射器和所述準直鏡之間的光纖，所述準直鏡位於液氮收容槽內且位於所述焊接件的上方。
8.根據權利要求2所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，所述焊接件的上表面設有吸收層，所述吸收層為鋁箔。
9.根據權利要求8所述的雷射焊接裝置，其特徵在於，所述吸收層與所述液氮上表面之間的距離為I 2mm。
全文摘要
本發明公開了一種超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件的方法和裝置，在超低溫環境下進行雷射衝擊強化焊接件提高焊接件的機械性能和抗腐蝕能力。本發明將焊接件放置在液氮超低溫環境中，無色透明的液氮作為低溫輔助環境，同時作為雷射衝擊強化過程中的約束層，一方面簡化了在超低溫下雷射衝擊強化的裝置；另一方面在超低溫環境下雷射衝擊強化焊接件，並在相同的溫度環境下服役，保證了焊接件加工環境和服役環境的一致性，從而提高了超低溫環境下焊接件的韌性、抗腐蝕性能等其他機械性能。
文檔編號C21D9/50GK102732707SQ20121019982
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月16日 優先權日2012年6月16日
發明者張磊, 戴峰澤, 殷勁松, 王慶偉, 羅開玉, 鍾金杉, 魯金忠, 齊晗 申請人:張家港富瑞特種裝備股份有限公司