CN103785958A - 激光热处理改善x80管线钢焊接接头性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及X80管线钢，特指一种利用激光热处理效应改善X80管线钢焊接接头性能的方法。其特征在于：将激光器发出的激光束经反光镜反射，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，聚合后的两束激光束照射到宽带扫描转镜上，通过宽带扫描转镜的高速旋转在工件表面上形成带型光斑，使工件与光斑相对移动，进而完成热处理。

Description

激光热处理改善X80管线钢焊接接头性能的方法
技术领域
本发明专利涉及X80管线钢，特指一种利用激光热处理效应改善X80管线钢焊接接头性能的方法；经激光热处理处理后，X80管线钢焊接接头晶粒细化，消除焊后残余拉应力，在表层形成一定深度的残余压应力，有利提高管线钢焊管力学性能；本专利是利用宽带扫描转镜生成宽带激光光斑，并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
管线钢在成型过程中需要经过焊接工艺，会引起组织粗大，引起残余拉应力等缺陷，严重的影响了管线钢的安全使用性能；激光热处理技术是一种新型的热处理技术，具有加热速度快，重复性强等特点；然而受到激光光斑大小的限制，直接使用聚焦激光光斑进行热处理时，单位时间内热处理面积较小，总体效率较低，因此如何提高激光热处理效率成为人们研究的重点；随着大功率CO2激光器问世，宽带扫描转镜用来生成大光斑能够达到预期的热处理效果，并极大的提高了激光热处理的效率；本发明专利提出把激光分束后，重新聚焦成两束激光，然后使用宽带扫描转镜同时对两束激光进行大光斑转化，利用两束转化后的激光同时对X80管线钢焊接接头进行热处理，进一步提高激光热处理的效率。
发明内容
本发明专利采用大功率CO2激光器生成激光束，并利用分光镜对激光束进行分束，把激光分成功率相同的两束，利用聚焦镜对两束分散的光束重新聚焦，然后使用宽带扫描转镜对两束聚焦后的光束进行光斑转化，生成宽带型激光光斑，达到单位时间内热处理面积增大的目的，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，确定光斑尺寸。
本发明提供激光热处理改善X80管线钢焊接接头性能的方法，其特征在于：将激光器发出的激光束经反光镜反射，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，聚合后的两束激光束照射到宽带扫描转镜上，通过宽带扫描转镜的高速旋转在工件表面上形成带型光斑，使工件与光斑相对移动，进而完成热处理。
进一步地，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。
进一步地，所述激光器为大功率CO2激光器，功率10kW。
进一步地，激光热处理工艺参数为：激光器的输出功率为7kW，宽带扫描转镜扫描频率选取7×104次/分钟，扫描速度为12mm/s，调整分光镜锲形角的大小、调整宽带扫描转镜转镜的偏移角和选择相应规格的宽带扫描转镜，使得带型光斑的宽度为3mm，带型光斑的长度为15mm，使得光斑产生相对1mm的叠加量。
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，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，聚合后的激光束照射到宽带扫描转镜上，通过宽带扫描转镜的高速旋转形成带型光斑，使工件与光斑相对移动，进而完成热处理；通过调整分光镜锲形角的大小可以调整两束激光间的相对位置，同时调整宽带扫描转镜的相对位置使聚焦好的光束照射到宽带扫描转镜的棱镜面上，选取不同规格的宽带扫描转镜，可以获得不同长度的光斑，其中光斑长度连续可调，调整宽带扫描转镜的偏移角可以调整光斑的宽度。
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-工件；5-宽带扫描转镜；6-聚焦镜。
图2 宽带扫描转镜工作原理图，聚焦激光束入射到宽带扫描转镜上，使多面转镜以角速度ω高速转动，激光以弧扇面向下反射，就会在工作面上形成一条矩形光斑，调整转镜的旋转轴的偏移角可以调整矩形光斑的宽度。
图3 管线钢焊管定位与装夹示意图。
图4 激光热处理局部示意图。
图5 金相组织对比图；(a) 原始状态，(b) 激光热处理后。
图6 激光热处理前后残余应力对比图；(a) 原始状态(b) 激光热处理后。
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3所示。
（2）黑化处理：对焊接接头进行黑化处理，使用黑色碳素墨汁作为涂料，均匀涂抹在焊接接头表面，激光热处理前需要进行自然干燥。
（3）确定热处理工艺参数：激光器为10kW大功率激光器，该系统参数包括光斑长度、光斑宽度、功率、转镜转速以及扫描速度；为确定工艺参数在热处理前进行试处理。首先锲形角调为零度，只采用单束激光进行调试，转镜扫描频率选取7×104次/分钟，调整转镜的偏移角试之达到宽度为3mm，调整光斑长度为15mm，逐步提高激光器输出功率，改变扫描速度，根据正交实验数据分析得出优化的工艺参数，最后选取功率为3.5kW，扫描速度为12mm/s，在试处理过程通过变化桥接参数，确定出良好的搭接参数1mm。
（4）激光热处理：调整激光器的输出功率为7kW，调整锲形角的大小与转镜的相对位置，使光斑宽度为3mm，光斑长度为15mm，并使得光斑产生相对1mm的叠加量，如图4所示，以12mm/s的速度移动工件，一次性完成焊接接头的激光热处理过程。
（5）激光热处理后，X80管线钢焊接接头表面晶粒得到进一步的细化，如图5所示，并获得了有利于抗应力腐蚀的残余压应力，如图6所示。 

Claims (4)

1.激光热处理改善X80管线钢焊接接头性能的方法，其特征在于：将激光器发出的激光束经反光镜反射，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，聚合后的两束激光束照射到宽带扫描转镜上，通过宽带扫描转镜的高速旋转在工件表面上形成带型光斑，使工件与光斑相对移动，进而完成热处理。
2.如权利要求1所述的激光热处理改善X80管线钢焊接接头性能的方法，其特征在于：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。
3.如权利要求1所述的激光热处理改善X80管线钢焊接接头性能的方法，其特征在于：所述激光器为大功率CO2激光器，功率10kW。
4.如权利要求1所述的激光热处理改善X80管线钢焊接接头性能的方法，其特征在于：激光热处理工艺参数为：激光器的输出功率为7kW，宽带扫描转镜扫描频率选取7×104次/分钟，扫描速度为12mm/s，调整分光镜锲形角的大小、调整宽带扫描转镜转镜的偏移角和选择相应规格的宽带扫描转镜，使得带型光斑的宽度为3mm，带型光斑的长度为15mm，使得光斑产生相对1mm的叠加量。
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