CN103421933B - 一种消除x80管线钢焊接接头残余应力的方法 - Google Patents

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一种消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法，属于先进材料表面改性处理领域。本发明专利是一种利用激光热处理效应消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法。经激光热处理处理后，X80管线钢焊接接头由于焊接热效应产生的残余拉应力得到了释放了，形成了低应力状态，有利提高管线钢焊管抗应力腐蚀能力。

Description

一种消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法
技术领域
本发明专利是一种利用激光热处理效应消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法。经激光热处理处理后，X80管线钢焊接接头由于焊接热效应产生的残余拉应力得到了释放了，形成了低应力状态，有利提高管线钢焊管抗应力腐蚀能力；本专利提出的利用激光热效应对焊接接头表面进行改性处理的方法，属于先进材料表面改性处理领域。 
背景技术
焊接是X80管线钢焊管成型过程中不可缺少的一道工艺，由于在焊接过程中管线钢经历了一系列复杂的非平衡物理化学过程，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，焊接接头的残余应力处于拉应力状态，严重降低了X80管线钢抗应力腐蚀性能；为解决上述问题，本专利利用激光热处理效应对管线钢焊接接头进行表面改性处理，使其处于低残余应力状态；本发明专利提出把激光分束后，重新聚焦成两束激光，利用两束激光同时对X80管线钢焊接接头进行热处理，可以改善焊接接头的应力状态，提高生产效率，为提高管线钢焊接头抗应力腐蚀性能提供良好的保证。 
发明内容
本发明专利提出激光热处理消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法，热处理用激光器为二氧化碳激光器，最大输出功率5kW，热处理的具体工艺参数根据具体实施步骤（1）进行确定，使用单束激光对X80管线钢焊接接头进行热处理，由于受到光斑直径的限制，需要对焊接接头进行多次激光扫描，耗费时间较长。本专利对激光进行分束，在分成能量相同的两束激光后，重新进行聚焦，通过双束激光同时进行热处理，可以提高激光淬火的效率；在激光热处理过程中，使两束激光并行进行热处理，根据焊接接头的具体尺寸，确定光斑直径和两光束间的距离。 
如图1所示，激光器发射高能激光经反射镜（2）反射，照射到分光镜上（3）上，分光镜把经反光镜反射的激光分成两束光，经分光镜反射后的激光照射到聚焦镜（5）上，激光会重新聚合成高能量密度的激光束。通过调整分光镜锲形角的大小可以调整左右激光束间距，两束激光能同时对焊接接头进行淬火，提高工作效率；X80管线钢焊接接头热处理分两次完成，第一次热处理，第一激光束沿焊接接头的一端边缘扫描，第二激光束在X80管线钢焊接接头中间表面扫描；第二次热处理，两束激光束整体偏移，第一激光束在X80管线钢焊接接头中间表面扫描，第二激光束沿焊接接头另一端边缘扫描，通过选择激光束光斑大小和调整两束激光束之间的间距，使得两次热处理扫描能够覆盖X80管线钢焊接接头的全部表面，前后两次扫描激光束之间应形成搭接。 
在激光热处理过程中，X80管线钢管线焊管水平放置在V型固定支座上，用定位标杆对焊缝位置进行定位，保证焊接接头位于正上方，以方便热处理过程的进行。 
附图说明
图1 激光热处理示意图； 
（1）激光器；（2）反光镜；（3）分光镜；（4）焊管；（5）聚焦镜；
图2 管线钢焊管定位与装夹示意图；
图3 热处理的局部示意图；
图4 激光束搭接示意图；
1代表第一次激光热处理时激光束相对位置，2代表进行第二道激光热处理时，激光束相对位置；
图5  激光热处理前后残余应力对比示意图。
具体实施方式
（1）焊管定位与装夹：X80管线钢焊管放置在V型定位装置上，保证焊接接头与定位标杆在同一直线位置，管线钢焊管通过自重进行夹紧，如图2所示。 
（2）黑化处理：对焊接接头进行黑化处理，使用秸秆焚烧后产生的草木灰和水按照质量比2：1混合均匀后的混合物作为涂层，均匀涂抹在焊接接头表面，自然干燥后进行激光热处理；热处理后焊接接头表面的涂层便于清除，不会造成任何的污染，相比于常规使用的86—1 型黑色涂料，配合正交分析得到的激光工艺参数，能更有效地降低焊接接头的残余应力。 
（3）确定淬火参数：激光热处理参数包括激光输出功率，淬火速度，光斑直径，为确定具体的工艺参数，首先进行试处理；试处理时，锲形角调为零度，单束激光进行热处理，考虑到效率及热处理效果等问题，光斑直径选择6mm；阶梯式改变激光输出功率，及热处理时的速度，制备出若干热处理试样，分别测量热处理后焊接接头的应力状态，根据正交实验数据分析得出最优的工艺参数，即激光输出功率为1.2KW，淬火速度为20mm/s；在试淬火过程通过变化桥接参数，确定出良好的搭接参数0.2～0.3mm。 
（4）激光热处理：焊接接头尺寸为22mm，调整分光镜的锲形角，调节光斑间距使之为11.6mm，根据步骤（1）确定的激光热处理参数进行热处理；一道激光束沿焊接接头边缘扫描，其中0.7mm光斑在热影响区，激光束沿焊接接头扫完一道后，激光束偏移5.8mm，激光束搭接量为0.2mm，完成激光热处理；其激光束相对位置如图3和4所示。 
（5）残余应力状态：原始状态焊接接头残余应力为，处于高应力状态，如图5所示。经激光热处理后焊接接头残余应力为压应力，在残余应力测试允许的公差范围，表明焊接接头残余应力接近于0，处于低应力状态，如图5所示，而使用黑色涂料，配以相同的激光热处理工艺参数，经激光热处理后焊接接头残余应力仍然为拉应力，为50MPa。 

Claims (5)

1.一种消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法，激光器发射高能激光经反射镜反射，照射到分光镜上，分光镜把经反光镜反射的激光分成两束光，经分光镜反射后的激光照射到聚焦镜上，激光会重新聚合成高能量密度的激光束；通过调整分光镜楔形角的大小可以调整左右激光束间距，两束激光同时对焊接接头进行热处理，其特征在于：热处理分两次完成，第一次热处理，第一激光束沿焊接接头的一端边缘扫描，第二激光束在X80管线钢焊接接头中间表面扫描；第二次热处理，两束激光束整体偏移，第一激光束在X80管线钢焊接接头中间表面扫描，第二激光束沿焊接接头另一端边缘扫描，通过选择激光束光斑大小和调整两束激光束之间的间距，使得两次热处理扫描能够覆盖X80管线钢焊接接头的全部表面，前后两次扫描激光束之间形成搭接。
2.如权利要求1所述的一种消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法，其特征在于：所述的激光热处理的工艺参数为：激光输出功率为1.2kW，热处理速度为20mm/s，激光搭接量为0.2～0.3mm。
3.如权利要求1所述的一种消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法，其特征在于：在激光热处理前，应对X80管线钢焊接接头进行黑化处理，使用秸秆焚烧后产生的草木灰和水按照质量比2：1混合均匀后的混合物作为涂层，均匀涂抹在焊接接头表面，自然干燥后再进行激光热处理。
4.如权利要求1所述的一种消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法，其特征在于：激光热处理时，X80管线钢放置在V型定位装置上，保证焊接接头与定位标杆在同一直线位置，管线钢焊管通过自重进行夹紧。
5.如权利要求1所述的一种消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法，其特征在于：当焊接接头尺寸为22mm时，调整分光镜的楔 形角，调节两束激光束的光斑间距使之为11.6mm，光斑直径选择6mm，激光输出功率为1.2kW，热处理速度为20mm/s；第一激光束沿焊接接头一端边缘扫描，其中0.7mm光斑在热影响区，第二激光束在X80管线钢焊接接头中间表面扫描，两束激光束沿焊接接头扫完一道后，激光束偏移5.8mm，激光束搭接量为0.2mm，进行第二次扫描，完成激光热处理。
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