CN103192149A - X80管线钢激光钎焊的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种X80管线钢激光钎焊的焊接方法，属于先进制造技术领域。本发明利用高能激光源作为统一的预热光源与焊接光源，使用反射镜，分光镜，聚焦镜对激光进行包括激光反射、分束、能量分配、重新聚焦在内的步骤，通过调整分光镜的位置达到分配激光束能量的目的，调整分光镜锲形角的大小调整前后激光束的间距，形成前后两束激光束，前激光束作为预热光束，后激光束作为焊接光束，使用预热光束进行预热时应使用凹透镜对预热光束进行能量分散，解决了由于常规焊接引起的焊缝组织不均匀容易引起电化学腐蚀的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种X80管线钢激光钎焊的焊接方法，属于先进制造技术领域，解决了由于常规焊接引起的焊缝组织不均匀容易引起电化学腐蚀的问题。
背景技术
X80管线钢是我国现役管道中使用级别最高的钢种，对于长距离的油气输送管道，焊接是不可缺少的一道工艺，目前，管道焊接施工采用的主要焊接工艺有：纤维素焊条和自保护药芯焊丝半自动焊的组合工艺（SMAW+FCAW，通常称为半自动焊）、富氩混合气体保护自动焊工艺（GMAW，通常称为自动焊）和纤维素焊条和低氢焊条的组合工艺（SMAW，通常称为手工焊）；在这些传统的焊接工艺过程当中由于焊接时管线钢经历了一系列复杂的非平衡的物理化学过程，从而造成焊缝和热影响区的化学成分不均匀、晶粒粗大、组织偏析等缺陷；为了改善焊接接头的质量，提高焊接接头在管道服役过程中的安全性能，本专利提出了一种新型的激光钎焊焊接方法；激光钎焊是一种利用激光融化焊丝的焊接工艺，然后利用机器人的牵引将熔化的焊丝浸润被焊零件，最终熔化的焊丝填充到所需焊接的工件之间，从而完成焊接过程，用于改善普通焊接技术带来的技术缺陷，对于大型钢材的激光钎焊技术应用较少；本发明专利对管线钢采用激光预热母材及钎料，增加母材与钎料的结合性能，然后继续利用激光束对钎料进行加热从而达到焊接目的，达到提高焊接接头使用性能的目的。
发明内容
本发明是长距离输油管道的焊接方法，利用激光对材料预热，融化钎料作为同一热源，避免多道工艺，保证预热过程中预热效果均匀，解决在焊接过程中不会出现焊不透的问题。
本发明专利利用高能激光源作为统一的预热光源与焊接光源，使用反射镜，分光镜，聚焦镜对激光进行包括激光反射、分束、能量分配、重新聚焦在内的步骤，形成前后两束激光束，前激光束作为预热光束，后激光束作为焊接光束，使用预热光束进行预热时应使用凹透镜对预热光束进行能量分散。
如图1所示，激光器发射高能激光经反射镜反射，照射到分光镜上，通过调整分光镜的位置可以达到分配激光束能量的目的，调整分光镜锲形角的大小可以调整前后激光束的间距；激光经分光镜反射后照射到聚焦镜上，激光会重新聚合成高能量密度的激光束，两束激光分别用于预热和钎焊加热，用于预热的激光束在预热前使用凹透镜向激光束两边分散激光能量，用于均匀预热作用，预热完成后后束激光直接进行钎焊熔接，可取得良好的焊接果，为确定焊接工艺参数，首先对X80管线钢材料进行试焊接，试焊接示意图如图2所示。
附图说明
图1 激光钎焊系统；
（1） 激光器；（2）反射镜；（3）分光镜；（4）凹透镜；（5）聚焦镜；（6）工件；
图2 试焊接示意图；
图3 X80管线钢焊管示意图；
图4 焊缝放大图；
图5 焊缝金相照片。
具体实施方式
（1）焊接设计：管线钢焊接件截面如图3所示，根据X80管线钢厚度及焊接要求，取V形焊缝用于填充钎料，为保证焊接使用硬性钎料，材料为银基钎料，钎剂选用KBF4型钎剂，激光器使用二氧化碳激光器，最大使用功率为10kW；为确定具体工艺参数，进行试焊，试焊示意图如图2所示，首先试焊试样做焊前处理，锲形角调为零，调整激光器功率输出值，以1m/min速度进行预热，通过管线钢内壁处的热传感器测量试焊试样内壁温度，使内壁温度达到400℃，上下偏差10℃，激光输出功率为2.5 kW左右，预热功率确定；确定焊接激光束功率，通过调整锲形角角度，及分光镜位置，改变激光输出功率，确保预热功率为2.5 kW，功率波动±50W；调整激光功率及分光镜位置，最后确定保证良好焊接接头的焊接功率3.75 kW，功率波动±50W；测定此时试焊焊接接头的力学性能较常规焊接方法有明显改善；最后确定激光束分光比1：1.5，通过调整分光镜角度使光束间距为10mm，光斑直径分别为6mm和4mm，确定焊接工艺参数。
（2）焊前清洗：对有油污的工件表面使用有机液（丙酮、酒精、汽油或三氯已烯）或是有机液蒸汽进行清洗，对氧化表面进行喷砂处理，确保焊接时有良好的毛细管作用。
（3）装夹：激光钎焊的装夹方式与常规焊接方法一致；即：把经三辊对称式卷板机辊制后制成的开口钢管使用V型定位结构定位，使用液压机构推动圆弧形夹紧装置对钢管进行对称加载，提供夹紧力并对焊缝尺寸进行微调。
（4）填充钎剂及钎料：装夹之后，在焊缝开口的母材上陂口位置涂抹上KBF4型钎剂，用于增加钎焊时液态钎料的毛细作用力，增强其铺展性，然后在管线钢焊缝开口内填满钎料，钎料为银基钎膏。
（5）激光加热。焊接工艺参数选用试焊结果参数，预热激光束功率2.5 kW，焊接光束功率为3.75 kW，光束间距为10mm，焊接速度为1m/min，激光器输出总功率为6 kW，预热激光束用于预热钎料及与钎料相接处的母材，后道激光用于融化焊料，完成焊接，焊接后焊缝如图5所示。
（6）在常温下焊接接头抗拉强度R m=798MPa，超过GB/T9711.2-1999试验标准要求抗拉强度R m≥625MPa，可满足拉伸试验要求。
Claims (7)
1.X80管线钢激光钎焊的焊接方法，其特征在于：利用高能激光源作为统一的预热光源与焊接光源，使用反射镜，分光镜，聚焦镜对激光进行包括激光反射、分束、能量分配、重新聚焦在内的步骤，通过调整分光镜的位置达到分配激光束能量的目的，调整分光镜锲形角的大小调整前后激光束的间距，形成前后两束激光束，前激光束作为预热光束，后激光束作为焊接光束，使用预热光束进行预热时应使用凹透镜对预热光束进行能量分散。
2.如权利要求1所述的X80管线钢激光钎焊的焊接方法，其特征在于：所述X80管线钢激光钎焊的焊缝为V形焊缝，材料为银基钎料，钎剂选用KBF4型钎剂。
3.如权利要求1所述的X80管线钢激光钎焊的焊接方法，其特征在于：所述前激光束的功率应使得X80管线钢内壁温度达到400℃，上下偏差10℃。
4.如权利要求3所述的X80管线钢激光钎焊的焊接方法，其特征在于：所述前激光束的功率为2.5 kW，功率波动±50W，光斑直径为6mm，以1m/min速度进行预热。
5.如权利要求1所述的X80管线钢激光钎焊的焊接方法，其特征在于：所述后激光束的功率为3.75 kW，功率波动±50W，光斑直径为4mm，与前激光束的光束间距为10mm，焊接速度为1m/min。
6.如权利要求1所述的X80管线钢激光钎焊的焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）焊接设计：根据X80管线钢厚度及焊接要求，取V形焊缝用于填充钎料，为保证焊接使用硬性钎料，材料为银基钎料，钎剂选用KBF4型钎剂，激光器使用二氧化碳激光器，最大使用功率为10kW；为确定具体工艺参数，进行试焊，首先试焊试样做焊前处理，锲形角调为零，调整激光器功率输出值，以1m/min速度进行预热，通过管线钢内壁处的热传感器测量试焊试样内壁温度，使内壁温度达到400℃，上下偏差10℃，激光输出功率为2.5 kW，功率波动±50W，预热功率确定；确定焊接激光束功率，通过调整锲形角角度及分光镜位置，改变激光输出功率，确保预热功率为2.5 kW，功率波动±50W；调整激光功率及分光镜位置，最后确定保证良好焊接接头的焊接功率为3.75 kW，功率波动±50W；测定此时试焊焊接接头的力学性能超过GB/T9711.2-1999试验标准要求抗拉强度；最后确定激光束分光比1：1.5，通过调整分光镜角度使光束间距为10mm，光斑直径分别为6mm和4mm，确定焊接工艺参数；
（2）焊前清洗：对有油污的工件表面使用有机液或是有机液蒸汽进行清洗，对氧化表面进行喷砂处理，确保焊接时有良好的毛细管作用；
（3）装夹：激光钎焊的装夹方式与常规焊接方法一致；即：把经三辊对称式卷板机辊制后制成的开口钢管使用V型定位结构定位，使用液压机构推动圆弧形夹紧装置对钢管进行对称加载，提供夹紧力，并对焊缝间隙调整至1mm；
（4）填充钎剂及钎料：装夹之后，在焊缝开口的母材上陂口位置涂抹上KBF4型钎剂，用于增加钎焊时液态钎料的毛细作用力，增强其铺展性，然后在管线钢焊缝开口内填满钎料，钎料为银基钎膏；
（5）激光加热：焊接工艺参数选用试焊结果参数，预热激光束功率2.5 kW，焊接光束功率为3.75 kW，光束间距为10mm，预热和焊接速度为1m/min，激光器输出总功率为6 kW，预热激光束用于预热钎料及与钎料相接处的母材，后道激光用于融化焊料，完成焊接。
7.如权利要求6所述的X80管线钢激光钎焊的焊接方法，其特征在于：所述的有机液为丙酮、酒精、汽油或三氯已烯。
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