CN108531711B - 一种x形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及表面工程技术与激光加工技术领域，具体涉及一种X形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法和装置。针对X形管道接头处焊缝相贯线形的特征，采用激光器上下移动与步进电机旋转协调运作的方法，对X形焊接接头焊缝连续进行激光冲击强化从而在X形管道焊接接头的焊缝处引入残余压应力，提高了X形管道焊接接头的力学性能和抗腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及表面工程技术与激光加工技术领域，具体涉及一种X形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法和装置，能够有效地提高激光冲击强化处理特殊形状焊接件的效果，从而有效地提高焊接件在实际应用中的使用寿命。
背景技术
激光冲击强化(laser shock peening/processing,LSP)是一种新型的表面强化技术，主要是采用短脉冲(几十纳秒)、高峰值功率密度(>109W/cm2)的激光辐照在金属表面，激光束通过约束层之后被吸收层吸收，吸收层从而获得能量形成爆炸性气化蒸发，产生高温高压的等离子体，由于外层约束层的约束，等离子体形成高压冲击波从而向材料内部传播，利用冲击波的力效应在材料表层发生塑性变形，使得表层材料微观组织发生变化，同时在冲击区域产生残余压应力，提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能，主要用于使焊缝表面的残余压应力层分布均匀，使焊缝的晶粒细化，从而提高焊接件的力学性能。
在现代的工业生产和应用中，管道运输的运用越来越多，管道之间相互连接，一般采用对接焊接的方法，而X形管道由于形状和空间的限制，焊接形成的焊缝难以达到满意的效果，同时，在焊接过程中出现温度不一致现象是由于局部的迅速升温和冷却，并且焊接完成之后，在焊接件焊缝处的应力以拉应力为主使得焊接结构出现开裂、变形等问题，降低焊接结构件的疲劳寿命和强度，直接影响焊接构件的质量和性能。并且焊缝长时间处于液体环境中，由于拉应力的存在更易出现应力腐蚀、开裂等焊接件失效的现象。X形管焊接接头由于形状特殊，不易进行表面强化处理，因此，开发出一种针对于X形管道焊接接头的表面强化方法就显得尤为重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种X形管接头相贯线形焊缝的激光冲击强化方法和装置，针对X形管接头由于形状特殊不易处理的问题，通过激光器的上下移动和步进电机协同运动的方法，达到均匀强化焊缝的效果，提高X形焊接接头的耐腐蚀性和抗应力开裂的性能。
其具体步骤如下：
(1)采用砂纸对焊缝表面进行打磨，将相贯线形焊缝以X形管接头的直径作为分界线划分为两条抛物线形焊缝。分别标记为第一和第二两个部分。
(2)将与X形管接头相配合的芯棒置于X形管接头内，防止X形管接头因激光冲击强化而发生凹陷变形。
(3)调节专用夹具的直径与X形管接头的直径相同，将X形管接头加持在与步进电机相连的夹具上，设置步进电机的转速为Arad/s。
(4)设置参数使激光器在PLC控制器的控制下以速度B mm/s做上下移动的周期运动，X形管接头的直径C mm，相贯线的高度为H mm，设置激光器的位移速度为B mm/s，与步进电机的转速A rad/s满足H/B＝πC/4A，使激光器和步进电机能够协调运作。
(5)以红外线代替激光，以步骤(3)和(4)中设置的参数运行步进电机和激光器，观察红外线运行轨迹和焊缝是否吻合，若不吻合，即调节参数A,B对轨迹进行校核。并以校核后的参数对焊缝的第一部分进行激光冲击强化处理，激光冲击的参数为光斑直径为3mm，脉宽为20ns，脉冲能量为8J。
(6)沿着管道轴线旋转X形管接头180°，改变夹具的夹持部分，重复步骤(3)-(5)，完成焊缝的第二部分的激光冲击强化处理，至此本方法的处理过程全部完成。
X形管接头的专用夹具直径能够调节，适用于不同直径的棒状试样的装夹，专用夹具与步进电机相连，随步进电机以相同的角速度旋转。
步进电机的匀速旋转使激光光斑的搭接率保持不变，搭接率为50％。
X形管接头相贯线形焊缝的最低点所在的切面与激光器的激光方向垂直。
相贯线形焊缝的两个部分以X形管接头的焊缝的两个最高点的连线作为分界线进行划分，将焊缝划分为两条在平面的投影为抛物线形的焊缝。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面对实例或现有技术所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本文所述方法的具体操作步骤流程图。
图2为本文所述装置的结构图。
图3为本文所述焊缝划分示意图。
图4为本文具体实施案例X形管道的尺寸。
表1为本文具体实施案例性能测试数据对比。
1、异步电机；2、夹紧弹簧；3、X形管接头；4、专用夹具；5、激光器；6、PLC控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施例采用X形管焊接接头的试样，具体尺寸如图3所示，试样的材料316L不锈钢。
一种X形管接头相贯线形焊缝的激光冲击强化方法和装置的实例，其步骤为：
(1)采用砂纸对焊缝表面进行打磨，将相贯线形焊缝以X形管接头的直径作为分界线进行划分为两条抛物线形焊缝。分别标记为第一和第二两个部分。
(2)将与X形管接头相配合的芯棒置于X形管接头内，防止X形管接头因激光冲击强化而发生凹陷变形。
(3)调节专用夹具的直径与X形管接头的直径相同为40mm，测得相贯线形焊缝的最高点和最低点之间的距离为15mm，将X形管接头呈“十”字形夹持在与步进电机相连的专用夹具上，设置步进电机的转速0.2rad/s。
(4)设置参数使激光器在PLC控制器的控制下以速度0.95mm/s做上下移动的周期运动，使激光光斑沿着第一部分焊缝的轨迹移动。
(5)以红外线代替激光，以步骤(3)和(4)中设置的参数运行步进电机和激光器，红外线运行轨迹能够沿着焊缝的轨迹行走，判断为吻合，无需调节参数A,B对轨迹进行校核。对焊缝的第一部分进行激光冲击强化处理，激光冲击的参数为光斑直径为3mm，脉宽为20ns，脉冲能量为8J。
(6)沿着管道轴线旋转X形管接头180°,改变夹具的夹持部分，重复步骤(3)-(5)，完成焊缝的第二部分的激光冲击强化处理，至此本方法的处理过程全部完成。
(7)测试原始X形管接头的各个区域的残余应力和抗腐蚀性能作为对比组1。
(8)测试经过该方法处理的X形管道的各个区域的残余应力和抗腐蚀性能作为对比组2。
对比组1和对比组2的残余应力分布情况和抗腐蚀性能如表4所示，对比组1是未经过激光冲击的X形管接头，由表1可知，该方法有效地使X形焊接接头的残余应力分布均匀，并提高了X形焊接接头的抗腐蚀性。
表1
Claims (7)
1.一种X形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法，其特征在于，将X形管接头的相贯线形焊缝以X形管接头的直径作为分界线划分为两条抛物线形焊缝进行激光冲击强化，步进电机与X形管接头的专用夹具相连，X形管接头被夹持在夹具上在步进电机作用下以一定的角速度旋转，同时激光器在PLC控制器的控制下做上下垂直周期运动并发出激光作用在X形管接头焊接接头处，激光光斑在激光器和步进电机协同运动下，沿着焊缝进行移动，完成相贯线形焊缝的强化；X形管接头的直径C，单位mm；相贯线的高度为H，单位mm；激光器的位移速度B和步进电机的转速A满足H/B＝πC/4A；激光器的位移速度B单位mm/s，步进电机的转速A的转速单位为rad/s。
2.如权利要求1所述的一种X形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)采用砂纸对焊缝表面进行打磨，将相贯线形焊缝以X形管接头的直径作为分界线划分为两条抛物线形焊缝，分别标记为第一和第二两个部分；
(2)将与X形管接头相配合的芯棒置于X形管接头内，防止X形管接头因激光冲击强化而发生凹陷变形；
(3)调节专用夹具的直径与X形管接头的直径相同，将X形管接头加持在与步进电机相连的夹具上，设置步进电机的转速为A；
(4)使激光器在PLC控制器的控制下以速度B做上下移动的周期运动，使激光器和步进电机能够协调运作；
(5)以红外线代替激光，以步骤(3)和(4)中设置的参数运行步进电机和激光器，观察红外线运行轨迹和焊缝是否吻合，若不吻合，即调节参数A，B对轨迹进行校核，使校核后的红外线运行轨迹与焊缝形状相重合，并以校核后的参数对焊缝的第一部分进行激光冲击强化处理；
(6)沿着管道轴线旋转X形管接头180°，改变夹具的夹持部分，重复步骤(3)-(5)，完成焊缝的第二部分的激光冲击强化处理，至此本方法的处理过程全部完成。
3.如权利要求2所述的一种X形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法，其特征在于，激光冲击强化处理的参数为光斑直径为3mm，脉宽为20ns，脉冲能量为8J。
4.如权利要求2所述的一种X形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法，其特征在于，X形管接头的专用夹具直径能够调节，适用于不同直径的棒状试样的装夹，专用夹具与步进电机相连，随步进电机以相同的角速度旋转。
5.如权利要求2所述的一种X形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法，其特征在于，步进电机的匀速旋转使激光光斑的搭接率保持不变，搭接率为50％。
6.如权利要求2所述的一种X形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法，其特征在于，X形管接头相贯线形焊缝的最低点所在的切面与激光器的激光方向垂直。
7.如权利要求2所述的一种X形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法，其特征在于，相贯线形焊缝的两个部分以X形管接头的焊缝的两个最高点的连线作为分界线进行划分，将焊缝划分为两条在平面的投影为抛物线形的焊缝。
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