本發明屬于壓力容器的焊接技術領域，尤其涉及一種不銹鋼厚壁壓力容器的激光焊接方法。

背景技術：

目前厚壁壓力容器常采用電弧熔焊多層、多道焊接進行成形制造，而壓力容器常采用固溶強化、時效強化等高強度不銹鋼材料作為主體，通常這種材料焊接后，為防止焊縫與熱影響區材料發生軟化要進行調制處理，但是此器件內部含有彈簧件、密封面等，因此焊接后不能進行熱處理，為滿足強度要求必須先進行調質處理再進行焊接成型。而調制狀態下的高強度材料焊接要嚴格控制焊接參數，而現有技術采用的電弧熔焊焊接這類材料時，存在焊接強度較低、易產生裂紋、成形精度差等問題。

技術實現要素：

針對現有技術中的上述問題，本發明的主要目的在于提供一種不銹鋼厚壁壓力容器的激光焊接方法，解決了高強度不銹鋼材料在固溶或時效強化狀態下的焊接強度問題，焊接強度高且穩定，實現了母材的等強連接。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：一種不銹鋼厚壁壓力容器的激光焊接方法，所述壓力容器包括高壓罐體、低壓緩沖壓力容器及管路，所述高壓罐體采用固溶強化或時效強化不銹鋼材料；

所述高壓罐體與低壓緩沖壓力容器之間連接處的環縫采用激光連續焊接，所述環縫的連續焊接參數包括：

所述罐體壁厚為5mm～10mm時，激光功率4.2～7.5KW、焊接速度0.8～1.5m/min、離焦量－2mm～3mm、保護氣流量15～25L/min。

作為進一步的優選，所述環縫的連續焊接參數包括：

a、當罐體壁厚為5mm～6mm時，激光功率4.2～4.8KW、焊接速度1.2～1.5m/min、離焦量－1mm～2mm、保護氣流量15～25L/min；

b、當罐體壁厚為6mm～7mm時，激光功率4.7～5.4KW、焊接速度1.0～1.3m/min、離焦量－1.5mm～2.5mm、保護氣流量15～25L/min；

c、當罐體壁厚為7mm～8mm時，激光功率5.2～6.0KW、焊接速度0.8～1.2m/min、離焦量－2mm～3mm、保護氣流量15～25L/min；

d、當罐體壁厚為8mm～9mm時，激光功率5.8～6.6KW、焊接速度0.8～1.2m/min、離焦量－2mm～3mm、保護氣流量15～25L/min；

e、當罐體壁厚為9mm～10mm時，激光功率6.5～7.5KW、焊接速度0.8～1.2m/min、離焦量－2mm～3mm、保護氣流量15～25L/min。

作為進一步的優選，所述壓力容器包括高壓罐體、頂蓋體、蓋板、導管及接管嘴，所述頂蓋體包括與所述罐體一端配合連接的頂蓋以及低壓緩沖容器，所述低壓緩沖容器一端與所述頂蓋連接，另一端與所述蓋板配合連接；所述導管一端與所述低壓緩沖容器的低壓出氣口連接，另一端與所述接管嘴連接；所述罐體與頂蓋體采用固溶強化或時效強化不銹鋼材料；所述罐體與頂蓋配合連接處的環縫采用激光連續焊接。

作為進一步的優選，所述環縫焊接時，在激光焊槍到達焊接結束點前3～10mm時，進行焊接功率衰減。

作為進一步的優選，所述環縫焊接時，環焊縫收弧位置與起焊位置有重疊區域，所述重疊區域的為長度10～15mm。

作為進一步的優選，在所述激光連續焊接環縫之前，所述罐體與頂蓋配合連接處進行激光定位焊接，所述激光定位焊接的參數為：激光功率2.0～3.5KW、焊接速度1.5～3.0m/min、離焦量－1mm～+1mm、保護氣流量10～15L/min，定位焊點5～7mm長，間距25mm～30mm。

作為進一步的優選，所述低壓緩沖容器與所述蓋板配合連接處采用激光連續焊接，所述激光連續焊接參數包括：

蓋板厚度為2mm～4mm時，激光功率1.6～3.5KW、焊接速度1.0～1.5m/min、離焦量－1.5mm～2.5mm、保護氣流量15～25L/min。

作為進一步的優選，所述低壓緩沖容器與蓋板配合連接處的激光連續焊接參數包括：

a、當蓋板厚度為2mm～3mm時，激光功率1.6～2.5KW、焊接速度1.2～1.5m/min、離焦量－1mm～2mm、保護氣流量15～25L/min；

b、當罐體壁厚為3mm～4mm時，激光功率2.4～3.5KW、焊接速度1.0～1.5m/min、離焦量－1.5mm～2.5mm、保護氣流量15～25L/min。

作為進一步的優選，在所述低壓緩沖容器與所述蓋板配合連接處采用激光連續焊接之前，所述低壓緩沖容器與所述蓋板配合連接處采用定位焊接，所述定位焊接的工藝參數包括：激光功率0.8～1.5KW、焊接速度1.5～3.0m/min、離焦量－1mm～+1mm、保護氣流量10～15L/min，定位焊點3～6mm長，間距20mm～25mm；定位焊焊縫深度為所述蓋板厚度的1/3～1/2。

作為進一步的優選，所述導管與接管嘴以及所述導管與低壓出氣口之間采用角焊縫進行焊接，所述角焊縫的焊接參數包括：脈沖激光功率0.5～0.8KW、焊接速度0.3～0.5m/min、離焦量－0.5mm～+0.5mm、脈沖頻率80Hz～100Hz、占空比15～30％、激光束45°入射、保護氣流量10～15L/min。

作為進一步的優選，所述罐體與頂蓋配合連接處的環縫焊接后，采用激光加熱對環縫進行熱處理，處理參數包括：激光功率為焊接功率的1/5～1/4，速度0.3～0.4m/min，離焦量+20mm～+25mm，光斑直徑φ2mm～φ3mm，保護氣流量15～25L/min。

作為進一步的優選，所述罐體與頂蓋配合連接處還設置有環縫鎖底臺階和環縫補強臺階。

作為進一步的優選，所述頂蓋包括與所述罐體配合處的焊縫補強臺階，以及高壓出氣接口，所述高壓出氣接口與所述罐體內部聯通。

作為進一步的優選，所述低壓緩沖容器為開口的盒形體，所述低壓緩沖容器的側壁加工有與所述低壓緩沖容器內部連通的低壓進氣口及低壓出氣口，所述低壓緩沖容器開口內側設置有與所述蓋板配合的鎖底臺階。

作為進一步的優選，所述壓力容器的壓力等級為40-60MPa。

本發明的有益效果是：

(1)本發明厚壁壓力容器的高壓罐體與頂蓋體采用固溶強化或時效強化不銹鋼材料；所述高壓罐體與低壓緩沖容器之間連接處的環縫采用激光連續焊接，并且設置了合理的激光焊接工藝參數，解決了超高強度不銹鋼材料在固溶或時效狀態下的焊接強度問題，焊縫熱區影響強度、韌性無降低，無裂紋、氣孔等缺陷、實現了母材的等強連接。

(2)本發明通過合理的功率衰減時序，解決了激光深熔焊收弧坑缺陷，保證高壓容器的強度與氣密性。

(3)本發明通過各器件連接處的鎖底臺階及補強臺階等接頭形式的設計，避免了激光焊接在容器內部產生的飛濺等多余物的可能，同時也保證了焊接定位精度。

(4)為保證罐體高壓強度與氣密性要求，本發明環焊縫收弧位置與起焊位置有重疊區域，另外激光深熔焊結束時，直接關斷激光會存在較大的收弧坑，影響罐體氣密性要求，而本發明在激光焊槍到達焊接結束點前，就進行焊接功率衰減，使焊接收弧過程由深熔焊逐漸向傳熱焊進行平穩過渡，焊縫熔深逐漸減小直至為零，完成無鑰孔收弧。

附圖說明

圖1為本發明實施例1不銹鋼厚壁壓力容器的結構示意圖；

圖2為圖1中罐體的結構示意圖；

圖3為圖1中頂蓋體及低壓緩沖壓力容器的結構示意圖；

圖4為圖3中低壓緩沖壓力容器的蓋板的結構示意圖；

圖5為圖1中接管嘴的結構示意圖；

圖6為圖1中罐體的焊接坡口形式示意圖；

圖7為圖1中低壓緩沖壓力容器的焊接坡口形式示意圖。

附圖中標記的說明如下：1、罐體，2、頂蓋體，3、蓋板，4、導管，5、接管嘴，1-1、加注管嘴，1－2、環縫鎖底臺階，1－3、環縫補強臺階，1－4、單向閥，2－1、頂蓋，2－3、低壓緩沖容器，2－1－1、焊縫補強臺階，2－1－2、高壓出氣接口，2－3－1、低壓進氣口，2－3－2、低壓出氣口，2－3－3、蓋板鎖底臺階，

具體實施方式

本發明通過提供一種不銹鋼厚壁壓力容器的激光焊接方法，解決了超高強度不銹鋼材料在固溶或時效強化狀態下的焊接強度及焊接質量問題。

為了解決上述缺陷，本發明實施例的主要思路是：

本發明實施例不銹鋼厚壁壓力容器的激光焊接方法，所述壓力容器包括高壓罐體、頂蓋體、蓋板、導管及接管嘴，所述頂蓋體包括與所述高壓罐體一端配合連接的頂蓋以及低壓緩沖容器，所述低壓緩沖容器一端與所述頂蓋連接，另一端與所述蓋板配合連接；所述導管一端與所述低壓緩沖容器的低壓出氣口連接，另一端與所述接管嘴連接；所述高壓罐體與頂蓋體采用固溶強化或時效強化不銹鋼材料；

所述高壓罐體與頂蓋配合連接處的環縫采用激光連續焊接，所述環縫的連續焊接參數包括：

所述罐體壁厚為5mm～10mm時，激光功率4.2～7.5KW、焊接速度0.8～1.5m/min、離焦量－2mm～3mm、保護氣流量15～25L/min。

本發明實施例壓力容器采用的是高強度、時效強化馬氏體不銹鋼材料，通常這種材料焊接后，為防止焊縫與熱影響區材料發生軟化要進行調制處理，但是此器件內部含有彈簧件、密封面，因此焊接后不能進行熱處理，為滿足強度要求必須先進性調質處理再進行焊接成型。調制狀態下的高強度材料焊接要嚴格控制焊接線能量：例如焊接線能量過高，接頭容易發生軟化，強度不滿足要求；焊接線能量過低，焊縫中馬氏體含量較高，裂紋傾向較大。因此焊接參數匹配重要。而本發明實施例對壓力容器中各元件之間連接處的焊接參數進行了合理的設置，解決了超高強度不銹鋼材料在固溶或時效強化狀態下的焊接強度問題，實現了母材的等強連接。

另外，大厚度材料激光焊接通常是采用激光深熔焊模式進行焊接，用來獲得較大的熔深，由于深熔焊過程中匙孔內氣壓較高，在焊縫背面難免會產生焊接飛濺。本發明實施例厚壁壓力容器進氣口為單向閥、出氣口直徑僅有1mm，焊接成型后不可能進行清洗，為防止焊接飛濺等多余物進入容器內腔，本發明設計了鎖底內襯結構(同時也是為了精準的裝配定位)，焊接過程中通過工藝參數嚴格控制焊縫熔深，使得焊縫熔深剛好處在鎖底臺階中部，既要保證焊透有效承載深度，又不至于完全穿透鎖底臺階，導致焊接飛濺進入容器內腔。

還需要考慮的是，激光束較細，形成的焊縫較窄，焊接厚度較大時，可能會存在因激光束偏離對縫中心或與焊縫法線不重合時，導致焊縫背面產生未熔合缺陷的產生，因此本發明實施例調節工藝參數一定程度的增加焊縫熔寬，保證有一定的工藝裕度。

本發明實施例壓力容器的成型通常包括罐體、頂蓋體、蓋板、導管及接管嘴等部件的加工、焊接坡口加工、組件裝配、罐體環縫焊接、低壓緩沖容器蓋板焊接、管路焊接等步驟，還可以設置焊后激光熱處理的步驟。

本發明實施例所述高壓的壓力范圍為40-60MPa，所述低壓的壓力范圍為2-5MPa。

為了讓本發明之上述和其它目的、特征、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例，來說明本發明所述之不銹鋼厚壁壓力容器的激光焊接方法。

實施例1

本發明實施例厚壁壓力容器包括罐體、頂蓋體、蓋板、導管及接管嘴，所述頂蓋體包括與所述罐體一端配合連接的頂蓋以及低壓緩沖容器，所述低壓緩沖容器一端與所述頂蓋連接，另一端與所述蓋板配合連接；所述導管一端與所述低壓緩沖容器的低壓出氣口連接，另一端與所述接管嘴連接；所述罐體與頂蓋體采用固溶強化或時效強化不銹鋼材料。

本發明實施例厚壁壓力容器的加工、裝配及焊接成型步驟，具體包括如下：

(1)部件加工步驟：

如圖1所示，本超高強度不銹鋼厚壁壓力容器由罐體1、頂蓋體2、蓋板3、導管4、接管嘴5組成。

1)部件加工

所述罐體1采用0Cr17Ni4Cu4Nb時效強化不銹鋼或20Cr13固溶強化不銹鋼鍛件熱處理后，整體機械加工成形，其加工特征包括加注管嘴1－1、環縫鎖底臺階1－2、環縫補強臺階1－3，如圖2所示；罐體壁厚、加注管嘴按照設計尺寸加工；為保證焊接定位精度以及防止焊接過程中容器內部產生焊接飛濺，增加了環縫鎖底臺階1－2；為保證環焊縫的接頭強度，設計了補強接頭1－3。單向閥1－4為組合件，由閥芯、彈簧組件與鎖緊螺帽組合而成。

所述頂蓋體2采用與罐體1相同的材料整體機械加工成形，如圖3所示，其主體結構包括高壓罐體頂蓋2－1與低壓緩沖容器2－3兩部分組成，高壓罐體頂蓋2－1不僅充當高壓罐體的頂蓋，還是低壓緩沖容器2－3的底板。高壓罐體頂蓋2－1加工特征包括與罐體1對合處的焊縫補強臺階2－1－1，以及高壓出氣接口2－1－2，高壓出氣接口底部有φ2的圓孔與高壓罐體1聯通，外側為M10深10mm的螺紋接口。

如圖3所示，所述低壓緩沖容器2－3為開口的盒形體，側壁加工有低壓進氣口2－3－1與低壓出氣口2－3－2，以及蓋板鎖底臺階2－3－3。低壓進氣口2－3－2底部有φ2的圓孔與低壓緩沖容器2－3聯通，外側為M10深10mm的螺紋接口；低壓出氣口2－3－2底部有φ2的圓孔與低壓緩沖容器2－3聯通，外側為φ3的圓孔深4mm，與外徑為φ3的導管4進行裝配焊接；蓋板鎖底臺階2－3－3在低壓緩沖容器開口內側，深度與蓋板3厚度一直，寬度為1mm，臺階四角尖角加工為R3圓角，臺階需要進行清根處理。

如圖4所示，所述蓋板3，與罐體1為同種材料，外形尺寸與蓋板鎖底臺階2－3－3協調加工，銳邊不允許倒鈍，要求與蓋板鎖底臺階2－3－3對縫間隙不大于0.1mm。

所述導管4，為與罐體1材料相同的φ3×1標準管材，按照設計長度截取，要求兩端面平整無毛刺。

如圖5所示，所述接管嘴5，采用與罐體1為同種材料的棒料加工成形，外圓5-1為M10螺紋；圓孔5－2孔徑與導管4外徑相同，深5～8mm；伸出段5－3厚度2～3mm、長度3～6mm，與導管4插接后，采用角焊縫進行焊接。

2)焊接坡口加工

所述環縫鎖底臺階1－2、環縫補強臺階1－3與2－1－1加工尺寸見圖6所示，鎖底臺階尺寸1-2厚度a＝0.8～1.0mm、長度b＝0.8～1.0mm；環縫補強臺階1－3與2－1－1高度c＝1.0mm、長度d＝2～3mm，成θ角與罐體(或頂蓋體)外表面均勻過渡，θ＝135°～150°。頂蓋體2與罐體1對合處內壁加工a×b缺口，保證頂蓋體2與罐體1對縫間隙不大于0.1mm。

(2)組件裝配

所述罐體1與頂蓋體2裝配步驟為：將罐體1上的環縫鎖底臺階插入頂蓋體2圓形開口內，使對合面間隙小于0.1mm。

所述蓋板3與低壓緩沖容器2－3裝配步驟為：將蓋板3嵌入蓋板鎖底臺階2－3－3，蓋板3與低壓緩沖容器2－3開口周邊齊平，臺階差不大于0.1mm。

所述導管4與低壓緩沖容器2－3裝配步驟為：將導管4一端插入低壓出氣口2－3－2，插入深度約4mm。

所述導管4與接管嘴5裝配步驟為：將導管4另一端插入接管嘴5上圓孔5－2內，插入深度為5～8mm。

(3)罐體環縫焊接

1)罐體定位焊接

罐體定位焊接工藝參數為：激光功率2.0～3.5KW、焊接速度1.5～3.0m/min、離焦量－1mm～+1mm、保護氣流量10～15L/min，定位焊點5～7mm長，間距25mm～30mm。定位焊焊縫深度為罐體厚度的1/3～1/2即可，焊點寬度不宜過寬，因此焊接速度不易過低。

2)罐體環縫連續焊接

罐體環縫連續焊接工藝參數為：

所述罐體壁厚為5mm～10mm時，激光功率4.2～7.5KW、焊接速度0.8～1.5m/min、離焦量－2mm～3mm、保護氣流量15～25L/min。

(4)低壓緩沖容器蓋板焊接

1)低壓緩沖容器蓋板定位焊接

定位焊接工藝參數為：激光功率0.8～1.5KW、焊接速度1.5～3.0m/min、離焦量－1mm～+1mm、保護氣流量10～15L/min，定位焊點3～6mm長，間距20mm～25mm。定位焊焊縫深度為蓋板厚度的1/3～1/2即可，焊點寬度不宜過寬，因此焊接速度不易過低。

2)低壓緩沖容器蓋板連續焊接

連續焊接工藝參數為：

蓋板厚度為2mm～4mm時，激光功率1.6～3.5KW、焊接速度1.0～1.5m/min、離焦量－1.5mm～2.5mm、保護氣流量15～25L/min。

(5)管路焊接

導管4與接管嘴5以及導管4與低壓出氣口2－3－2采用角焊縫進行焊接。由于導管直徑小、壁厚薄，采用窄脈沖激光、低焊速為宜，以防止導管內壁熔化發生堵塞。焊接參數為：激光功率0.5～0.8KW、焊接速度0.3～0.5m/min、離焦量－0.5mm～+0.5mm、脈沖頻率80Hz～100Hz、占空比15～30％、激光束45°入射、保護氣流量10～15L/min。

實施例2

實施例2與實施例1不同之處在于：

罐體環縫連續焊接工藝參數為：

a、當罐體壁厚為5mm～6mm時，激光功率4.2～4.8KW、焊接速度1.2～1.5m/min、離焦量－1mm～2mm、保護氣流量15～25L/min；

b、當罐體壁厚為6mm～7mm時，激光功率4.7～5.4KW、焊接速度1.0～1.3m/min、離焦量－1.5mm～2.5mm、保護氣流量15～25L/min；

c、當罐體壁厚為7mm～8mm時，激光功率5.2～6.0KW、焊接速度0.8～1.2m/min、離焦量－2mm～3mm、保護氣流量15～25L/min；

d、當罐體壁厚為8mm～9mm時，激光功率5.8～6.6KW、焊接速度0.8～1.2m/min、離焦量－2mm～3mm、保護氣流量15～25L/min；

e、當罐體壁厚為9mm～10mm時，激光功率6.5～7.5KW、焊接速度0.8～1.2m/min、離焦量－2mm～3mm、保護氣流量15～25L/min；

為保證罐體高壓強度與氣密性要求，環焊縫收弧位置應該與起焊位置有一段重疊區域，重疊長度10～15mm為宜；激光深熔焊結束時，直接關斷激光會存在較大的收弧坑，影響罐體氣密性要求，在激光焊槍到達焊接結束點前3～10mm時，就應該進行焊接功率衰減，使焊接收弧過程由深熔焊逐漸向傳熱焊進行平穩過渡，焊縫熔深逐漸減小直至為零，完成無鑰孔收弧。

低壓緩沖容器與蓋板連續焊接的工藝參數為：

a、當蓋板厚度為2mm～3mm時，激光功率1.6～2.5KW、焊接速度1.2～1.5m/min、離焦量－1mm～2mm、保護氣流量15～25L/min；

b、當罐體壁厚為3mm～4mm時，激光功率2.4～3.5KW、焊接速度1.0～1.5m/min、離焦量－1.5mm～2.5mm、保護氣流量15～25L/min；

為保證罐體高壓強度與氣密性要求，環焊縫重疊長度、收弧衰減與長度要求與罐體焊接要求一致。

管路焊接時，焊縫重疊長度1～2mm即可，采用窄脈沖激光焊接允許不進行收弧功率衰減過程。

本發明實施例2還設置了焊后激光熱處理步驟：

罐體1與頂蓋體2采用固溶強化或時效強化超高強度不銹鋼材料，且壁厚較大，激光焊縫冷卻速度較快，焊縫淬脆傾向較大，容易出現裂紋，焊后需要馬上進行去應力退火。但是罐體1底部有單向閥組件，不能進行焊后熱處理，因此采用激光加熱對焊縫進行熱處理，工藝參數如下：

激光功率為焊接功率的1/5～1/4，速度0.3～0.4m/min，離焦量+20mm～+25mm，光斑直徑φ2mm～φ3mm，保護氣流量15～25L/min。

上述本申請實施例中的技術方案，至少具有如下的技術效果或優點：

盡管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明范圍的所有變更和修改。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。