CN104131154B - 一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，包括分激光处理和脉冲磁处理，具体是按以下步骤进行的：（1）、激光处理：利用分光镜对激光器发射的原始激光束进行分光，经过第一光栅形成三束光，分别为中央光束、光束a、b和光束c、d，之后通过反光镜和第二光栅控制三束光的光斑大小和位置；（2）、脉冲磁处理：脉冲放电装置通过不同形式的磁化器进行脉冲放电，从而产生强脉冲磁场，对焊管焊缝进行脉冲磁处理，即磁头输出具有脉冲磁处理参数的脉冲磁对焊缝进行扫描处理。将激光处理与脉冲磁处理相互结合，以激光处理对应热应力，以脉冲磁处理对应组织应力，既有采用激光处理的表面处理，又有采用脉冲磁处理的内部处理。
Description
技术领域
本发明专利是一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，依次通过激光对焊缝表面区域的残余热应力和通过脉冲磁对焊缝内部组织应力进行消除，使残余应力得到释放，提高焊缝的力学性能和耐腐蚀性能。
背景技术
石油和天然气作为重要能源，在我国能源结构中占有不可撼动的地位。但随着陆地油气资源的逐渐枯竭，人们把目光投向了更为广袤的海洋，预计未来五到十年，我国对海洋油气资源的开发利用将迎来新一轮高峰。利用长距离的海底油气输送管线将石油和天然气从海上开采平台运送到目的地，是一种安全、高效的运输方法。这也对我国的海底油气输送用管道提出了大厚径比、高强韧和抗大变形等新要求。目前，油气输送用管道采用成型、焊接、扩径的工艺流程，其中，焊接质量关系到整个管道使用性能和寿命，而焊后热处理则是提高焊接质量的有效手段。
通常，由于焊接时的温度变化和组织变化，焊接件焊缝附近会产生热应力和组织应力，而残余应力的存在将直接导致焊缝质量的下降。残余应力的消除除了传统的热处理手段之外，近年来还出现了利用激光、高能声磁耦合、脉冲电流和超声波等先进高效地处理方法。通过检索发现，专利（孔德军, 叶存冬, 王文昌等. 一种消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法. 申请号：201310140480.7, 申请日：2013-04-22）利用激光对X80管线钢焊接接头进行处理，残余拉应力得到释放，提高焊管抗应力腐蚀能力。但其缺点是激光处理深度浅、范围大，无法对组织应力进行有效消除。论文（林健, 赵海燕等. 脉冲磁处理法降低工程结构的焊接残余应力[J]. 清华大学学报(自然科学版). 2007, 47(2).）提出了利用脉冲磁对焊缝进行处理的想法并采用模拟方法对应力较大处进行了脉冲磁处理，发现脉冲磁处理可有效降低残余应力。但是，由于脉冲磁不产生温度变化，无法对热应力进行有效消除。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，将激光和脉冲磁进行有效结合，达到有效消除热应力和组织应力的目的。
一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，包括激光处理和脉冲磁处理，具体是按以下步骤进行的：
（1）、激光处理：利用分光镜对激光器发射的原始激光束进行分光，经过第一光栅形成三束光，分别为中央光束、光束a、b和光束c、d，之后通过反光镜和第二光栅控制三束光的光斑大小和位置；激光器的输出功率为0~15kW，移动速度15~35mm/s，中央光束光斑直径为0~15mm，光束a、b的光斑直径为0~10mm，光束c、d的光斑直径为0~5mm，搭接量为0.2~1.0mm，扫描次数为3~7次
（2）、脉冲磁处理：脉冲放电装置通过不同形式的磁化器进行脉冲放电，从而产生强脉冲磁场，对焊管焊缝进行脉冲磁处理，即磁头输出具有脉冲磁处理参数的脉冲磁对焊缝进行扫描处理；脉冲磁场强度为105~106 A/ m，频率为0. 2~1.0 Hz，脉宽15%~35%，处理时间90~150s，扫描次数3~6次。
激光处理的步骤是：首先，依据焊缝实际宽度，调整三束光的光斑直径，使得激光可照射到焊缝、热影响区和母材；其次，调整输出功率，使三束光的强度依次减小；再次，确定三束光之间的搭接量，使光斑有交汇；最后，使三束光同步对焊缝区域进行扫描。
脉冲磁处理的步骤是：首先，确定脉冲磁场方向为垂直于焊缝方向；然后调整脉冲磁参数沿焊缝方向对焊缝进行处理。
激光处理采用连续方式二氧化碳激光器。
三束光并行进行扫描，并根据焊接接头的具体尺寸，确定激光处理参数。
激光处理参数包括激光器的输出功率、移动速度、光斑直径、搭接量和扫描次数。
脉冲磁处理采用低频、高场强的窄脉冲磁场。
脉冲磁处理参数包括脉冲磁场强度、频率、脉宽、处理时间和扫描次数。
本发明的有益效果是：
本发明将激光处理与脉冲磁处理相互结合，以激光处理对应热应力，以脉冲磁处理对应组织应力，既有采用激光处理的表面处理，又有采用脉冲磁处理的内部处理；同时，激光处理覆盖面可涵盖焊缝、热影响区和母材，达到全部处理，而脉冲磁可以针对残余应力较大处进行重点处理。因此，两者的结合可有效消除焊管焊接残余应力。
附图说明
图1为本发明中激光处理的工作示意图；
图2为实施例1中残余应力测量结果图；
图3为实施例2中残余应力测量结果图；
图4为实施例3中残余应力测量结果图。
图中，1.分光镜；2.第一光栅；3.反光镜；4.第二光栅；5. 工件。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，包括激光处理和脉冲磁处理，具体是按以下步骤进行的：
（1）、激光处理：激光处理采用连续方式二氧化碳激光器，利用分光镜1对激光器发射的原始激光束进行分光，经过第一光栅2形成三束光，分别为中央光束、光束a、b和光束c、d，之后通过反光镜3和第二光栅4控制三束光的光斑大小和位置；
首先，依据焊缝实际宽度，调整三束光的光斑直径，使得激光可照射到焊缝、热影响区和母材；其次，调整输出功率，使三束光的强度依次减小；再次，确定三束光之间的搭接量，使光斑有交汇；最后，使三束光同步对焊缝区域进行扫描。
三束光并行进行扫描，并根据焊接接头的具体尺寸，确定激光处理参数。
激光处理参数包括激光器的输出功率、移动速度、光斑直径、搭接量和扫描次数。
激光器的输出功率为0~15kW，移动速度15~35mm/s，中央光束光斑直径为0~15mm，光束a、b的光斑直径为0~10mm，光束c、d的光斑直径为0~5mm，搭接量为0.2~1.0mm，扫描次数为3~7次。
（2）、脉冲磁处理：脉冲磁处理采用低频、高场强的窄脉冲磁场，脉冲放电装置通过不同形式的磁化器进行脉冲放电，从而产生强脉冲磁场，对焊管焊缝进行脉冲磁处理，即磁头输出具有脉冲磁处理参数的脉冲磁对焊缝进行扫描处理；
首先，确定脉冲磁场方向为垂直于焊缝方向；然后调整脉冲磁参数沿焊缝方向对焊缝进行处理。
脉冲磁处理参数包括脉冲磁场强度、频率、脉宽、处理时间和扫描次数。
脉冲磁场强度为105~106 A/
m，频率为0. 2~1.0 Hz，脉宽15%~35%，处理时间90~150s，扫描次数3~6次。
本发明的原理为：
激光处理是一种表面处理技术，利用激光对金属表面进行快速加热的一种处理方式，由于激光在照射区域的单位面积上集中有极高的功率，可以使金属材料局部快速熔化。本发明利用激光进行焊管焊接残余应力的消除，重点针对残余应力中的热应力。热应力是在焊接加热及冷却过程中材料内部温度改变时，由于母材、热影响区和焊缝之间以及各部分微观组织之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。消除热应力的方法是有控制地重新对各部分进行加热及冷却，达到各部分的相互协调。本发明中三束光分别针对不同区域进行处理，其中，中央光束对应焊缝、光束a、b对应热影响区、光束c、d对应母材，采用不同的光斑直径和激光强度既针对又相互协调地进行同步处理，可以有效消除残余热应力。
脉冲磁处理着眼于焊管焊接残余应力中的组织应力，因为焊缝的组织应力在微观上由晶粒、亚晶与滑移面所包围的体积内的作用力以及更微小范围内原子偏离平衡状态而处于亚稳态造成的残余畸变等组成，因为组织应力一直难以有效消除。在强脉冲磁场中，伴随磁化作用，铁磁性材料中会发生包括磁致伸缩、磁畴畴壁迁移、磁矩转动、磁畴越过阻碍或脱离钉扎移动、合并及消失等物理变化，使得材料内部微区应力状态随之发生变化，从而导致金属内部发生弥散分布性的微区塑性变形而产生应力松弛，有效消除组织应力。
实施例
1
本发明的实施例的测试对象为300×150×15mm的45钢钢板，采用双面自动埋弧焊将两块钢板焊接，再先后进行激光处理和脉冲磁处理，采用盲孔法测量残余应力，测量50mm、100mm、150mm、200mm和250mm处的第一主应力值。
激光处理参数确定如下：输出功率为10kW，移动速度20mm/s，中央光束光斑直径为8mm，光束1、2的光斑直径为5mm，光束3、4的光斑直径为2，搭接量为0.5mm，扫描次数为3次；脉冲磁处理参数确定如下：脉冲磁场强度为105A/ m，频率为0. 5Hz，脉宽20%，处理时间120s，扫描次数3次。残余应力测量结果如图2所示。
实施例
2
脉冲磁处理参数同实施例1，激光处理参数中移动速度为35mm/s，扫描次数为5次，其余参数不变。残余应力测量结果如图3所示。
实施例
3
激光处理参数同实施例1，脉冲磁处理参数中处理时间90s，扫描次数5次，其余参数不变。残余应力测量结果如图4所示。
Claims (8)
1.一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，其特征在于：包括激光处理和脉冲磁处理，具体是按以下步骤进行的：
（1）、激光处理：利用分光镜对激光器发射的原始激光束进行分光，经过第一光栅形成三束光，分别为中央光束、光束a、b和光束c、d，之后通过反光镜和第二光栅控制三束光的光斑大小和位置；激光器的输出功率为0~15kW，移动速度15~35mm/s，中央光束光斑直径为0~15mm，光束a、b的光斑直径为0~10mm，光束c、d的光斑直径为0~5mm，搭接量为0.2~1.0mm，扫描次数为3~7次；
（2）、脉冲磁处理：脉冲放电装置通过不同形式的磁化器进行脉冲放电，从而产生强脉冲磁场，对焊管焊缝进行脉冲磁处理，即磁头输出具有脉冲磁处理参数的脉冲磁对焊缝进行扫描处理；脉冲磁场强度为105~106 A/
m，频率为0. 2~1.0 Hz，脉宽15%~35%，处理时间90~150s，扫描次数3~6次。
2.如权利要求1所述的基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，其特征在于：激光处理的步骤是：首先，依据焊缝实际宽度，调整三束光的光斑直径，使得激光可照射到焊缝、热影响区和母材；其次，调整输出功率，使三束光的强度依次减小；再次，确定三束光之间的搭接量，使光斑有交汇；最后，使三束光同步对焊缝区域进行扫描。
3.如权利要求1所述的基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，其特征在于：脉冲磁处理的步骤是：首先，确定脉冲磁场方向为垂直于焊缝方向；然后调整脉冲磁参数沿焊缝方向对焊缝进行处理。
4.如权利要求1所述的基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，其特征在于：激光处理采用连续方式二氧化碳激光器。
5.如权利要求2所述的基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，其特征在于：三束光并行进行扫描，并根据焊接接头的具体尺寸，确定激光处理参数。
6.如权利要求5所述的基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，其特征在于：激光处理参数包括激光器的输出功率、移动速度、光斑直径、搭接量和扫描次数。
7.如权利要求1或2所述的基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，其特征在于：脉冲磁处理采用低频、高场强的窄脉冲磁场。
8.如权利要求1或2所述的基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，其特征在于：脉冲磁处理参数包括脉冲磁场强度、频率、脉宽、处理时间和扫描次数。
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