CN102127630A - X70管线钢焊接接头激光冲击强化处理方法 - Google Patents
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Abstract
X70管线钢焊接接头激光冲击强化处理方法，在X70管线钢焊接接头表面依次设有能量吸收层、约束层，其特征在于：采用激光冲击强化处理时，激光脉冲宽度为22ns～23ns，波长为1.054μm，放大自发辐射脉宽为1μs，输出激光用焦距为2m聚焦系统进行聚焦，聚焦光斑直径为5mm～8mm，激光脉冲功率约为2.0×109W，焊接接头表面光斑重叠面积＞60％。经激光冲击强化后管线钢接头表面产生塑性变形、晶粒细化和残余压应力，有效地增加了管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀和氢致开裂性能。
Description
技术领域
本发明涉及利用激光冲击波在X70管线钢焊接接头表面的强化处理方法，特指激光冲击处理在X70管线钢焊接头表面产生晶粒细化和残余压应力的方法，提高了管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀和氢致开裂的性能，属于材料表面改性处理领域。
背景技术
X70管线钢服役条件多为潮湿土壤和沙漠环境，输送介质含H2S等酸性物质较多，腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素。为在高压输送管线的焊接部位，尤其是铺设管线的焊接部位是失效事故的多发位置。焊接引起的残余应力对材料力学性能有重大影响，高的残余拉应力能导致结构内部产生裂纹，降低了管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀和氢致开裂的能力。
X70管线钢一般是通过埋弧自动焊接方法实现由板材成型为管材，由于焊接过程中量大热源的输入，容易出现焊接残余应力，降低了焊接接头机械性能，同时填充材料和焊缝两侧材料经过熔化重新结晶，最终在焊接接头表面形成铸态组织，容易出现气孔、缩松等焊接缺陷，致使焊接接头强度降低，一般只有基材强度的50％～60％，目前主要通过外场作用如喷丸、超声波、爆炸、碾压、锤击等方法改善焊接接头的性能。与上述传统工艺方法相比，激光冲击处理是一种提高焊接接头疲劳强度的新方法，具有材料应变率高(106～107s-1)、残余压应力层深、激光束可达性好以及工艺参数易精确控制等优点，在铁道车辆、食品设备、原子能和造船等工业中得到广泛的应用。
本发明专利提出的激光冲击处理强化X70管线钢焊接接头是一种有效的提高焊接接头抗H2S应力腐蚀和氢致开裂方法，它可以改善焊接接头表面的几何形状，消除焊接接头表面缺陷和产生有益于提高疲劳寿命的残余压应力，有利于提高管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀和氢致开裂的能力。
发明内容
本发明利用激光冲击波在X70管线钢焊接接头表面层形成了一层致密塑性变形层，使其表面显微硬度得到明显提高，在X70管线钢接接头表面形成有利的残余压应力层，消除致裂残余拉应力，在表面残余压应力与表层晶粒细化双重作用下，能有效地改善管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀和氢致开裂性能。
本发明的KQ开关钕玻璃脉冲激光冲击处理管线钢焊接接头的技术参数为：输出波长1054nm、脉宽22ns、峰值功率GW量级，最大的有效光斑直径为5mm，激光脉冲功率2.0×109W。
X70管线钢焊接接头激光冲击强化处理方法，其特征在于：激光脉冲宽度为22ns～23ns，波长为1.054μm，放大自发辐射脉宽为1μs，输出激光用焦距为2m聚焦系统聚焦，聚焦光斑直径为5mm～8mm，激光脉冲功率为2.0×109W。将X70管线钢焊接接头表面覆盖0.1mm厚铝箔作为能量吸收层，采用2mm厚的水作为约束层，激光冲击处理焊接接头表面光斑重叠面积＞60％。经激光冲击强化后管线钢接头表面产生塑性变形、晶粒细化和残余压应力，有效地增加了管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀和氢致开裂性能。塑性变形减少了气孔和缩松等焊接缺陷，降低了表面粗糙度，使焊接接头组织致密化。激光冲击处理在焊接接头表面形成组织均匀的细晶强化层，消除了表面层组织的不均匀性，可以有效增加位错运动的阻力，增加接头表面塑性变形抗力，阻碍滑移台阶的形成与扩展。激光冲击波在焊接接头表面形成均匀分布的压应力，可以抑制裂纹的萌生和扩展，提高接头H2S应力腐蚀和氢致开裂性能。
附图说明
图1为激光冲击处理X70管线钢焊接接头示意图
1、激光冲击波；2、焊缝区；3、熔合区；4、热影响区；5、基体；6、水；7、铝箔
图2为激光冲击处理后X70管线钢焊接接头表面形貌
图3为激光冲击处理后X70管线钢焊接接头断面金相
图4为激光冲击处理前后焊接接头表面强化层
8、基材 9、强化层
图5为激光冲击处理前后焊接接头的残余应力 (a)原始状态 (b)激光冲击处理后
具体实施方式
利用激光冲击波对X70钢焊接接头表面进行强化处理，如图1所示，激光脉冲宽度为22ns～23ns，波长为1.054μm，放大自发辐射脉宽为1μs，输出激光用焦距为2m聚焦系统聚焦，聚焦光斑直径为5mm～8mm，激光脉冲功率约为2.0×109W。以0.1mm铝箔作为吸收层，用2mm厚的水作为约束层，对管线钢焊接接头表面进行激光冲击，激光冲击处理焊接接头表面光斑重叠面积＞60％。经激光冲击处理后焊接接头显微组织发生了明显的变化，焊接接头表层晶粒细化，如图2所示。表层发生了剧烈的塑性变形，变形程度随着深度的增加逐渐变小，如图3所示，在激光冲击过程中，变形是由表及里逐渐向心部发展。激光冲击处理后焊接接头中无论是气孔的数量还是单个气孔的体积都明显减少，焊接接头组织更加致密。激光冲击处理在表层产生了塑性变形，微小的气孔或缩松被挤压，使组织更加致密化，发生了晶粒细化，平均晶粒尺寸减小，可以降低其腐蚀速度。经激光冲击处理后X70管线钢焊接接头表面形成了约10μm的强化层，其组织表现为晶粒细化，如图4所示，有利于提高材料的抗H2S应力腐蚀和氢致开裂的性能。
激光冲击处理后的残余应力值由拉应力329.5MPa转化为压应力-297.6MPa，如图5所示，压应力明显增大，X衍射半高宽β值也明显增加。激光冲击处理导致材料晶粒碎化，晶粒尺寸变小，得到了更高的残余压应力。
激光冲击处理后试样表面显微硬度由220～235HV提高到250～265HV，使焊缝区、熔合区和热影响区表面硬度明显提高，改善了X70管线钢焊接接头的力学性能。
Claims (2)
1.X70管线钢焊接接头激光冲击强化处理方法，在X70管线钢焊接接头表面依次设有能量吸收层、约束层，其特征在于：采用激光冲击强化处理时，激光脉冲宽度为22ns～23ns，波长为1.054μm，放大自发辐射脉宽为1μs，输出激光用焦距为2m聚焦系统进行聚焦，聚焦光斑直径为5mm～8mm，激光脉冲功率为2.0×109W，焊接接头表面激光光斑重叠面积＞60％。
2.权利要求1所述的激光冲击强化处理方法，其特征在于：能量吸收层为0.1mm厚的铝箔，约束层为2mm厚的水。
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