CN108746992A - 一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，首先对对待处理的管线钢焊接接头进行喷砂除锈预处理；随后进行黑化处理，将黑化剂均匀涂覆在待处理的管线钢焊接接头上；然后调整加工参数及位置，选择激光参数；最后进行激光热处理，将激光照射在焊接接头表面，使其在极短的时间内温度升高至700℃及以上，被加热区域通过热传导快速降温达到自淬火作用。本发明对焊接接头部位正反表面进行处理，可以保证焊接接头两面对称受热，提高了管线钢焊接接头的抗拉强度，同时利用大功率激光光斑照射在焊接接头部位，使其快速加热快速冷却，达到细化晶粒的目的，从而提升了管线钢焊接接头的力学性能。

Description

一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法
技术领域
本发明涉及一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，属于表面改性领域。
背景技术
X100管线钢未来将作为天然气的主要输送管道，其管道之间的连接离不开焊接，由于在焊接过程中经历了一系列复杂的非平衡物理化学变化，从而造成焊接接头部位组织不均，晶粒粗大等缺点，使得焊接接头中的热影响区部位成为输气管道中最薄弱的部位。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，通过激光快速加热快速冷却的特点对焊接接头表面进行热处理，使焊接接头表面组织细化并产生残余压应力的强化层，强化其力学性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，具体步骤如下：
步骤1：对待处理的管线钢焊接接头进行喷砂除锈预处理；
步骤2：黑化处理，将黑化剂均匀涂覆在待处理的管线钢焊接接头上；
步骤3：调整加工参数及位置，选择激光参数，调整激光束角度，使激光束垂直于待处理的管线钢焊接接头表面，同时采用夹板将待处理的管线钢焊接接头固定，防止激光热处理过程中发生偏移；
步骤4：进行激光热处理，将激光照射在焊接接头表面，使其在1秒内表面温度升高至700℃及以上，达到自淬火作用。
优选地，所述步骤2中黑化剂包括骨料、粘合剂、防沉剂、助剂以及溶剂，且骨料、粘合剂、防沉剂、助剂的颗粒尺寸均小于50μm。
优选地，所述骨料包括SiO2和Al2O3两种粉末，且SiO2和Al2O3质量比为3：5。
优选地，所述粘合剂为虫胶。
优选地，所述防沉剂为膨润土。
优选地，所述助剂为CeO2粉末，且CeO2粉末的质量为黑化剂总质量的5%。
优选地，所述溶剂为酒精，用于将混合粉末充分溶解。
优选地，所述黑化剂的涂层厚度为0.3mm～0.5mm。
优选地，所述步骤3中激光参数包括激光光斑直径、激光扫描速度、激光输出功率和光斑之间的搭接参数。
优选地，所述激光参数中激光光斑直径为5mm，激光扫描速度为13mm/s，激光输出功率为1000W～1200W，光斑之间的搭接参数为0.5～1mm。
有益效果：本发明提供一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，对焊接接头部位正反表面进行处理，可以保证焊接接头两面对称受热，提高管线钢焊接接头的抗拉强度，同时利用大功率激光光斑照射在焊接接头部位，使其快速加热快速冷却，达到细化晶粒的目的，从而提升管线钢焊接接头的力学性能。
附图说明
图1 激光热处理示意图；
图2 激光热处理前后试样拉伸强度；
图3 未激光热处理试样拉伸断口形貌；
图4 激光热处理功率1000W试样拉伸断口形貌；
图5 激光热处理功率1200W试样拉伸断口形貌。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，具体步骤如下：
步骤1：对待处理的管线钢焊接接头进行喷砂除锈预处理；
步骤2：黑化处理，将黑化剂均匀涂覆在待处理的管线钢焊接接头上；
步骤3：调整加工参数及位置，选择激光参数，调整激光束角度，使激光束垂直于待处理的管线钢焊接接头表面，同时采用夹板将待处理的管线钢焊接接头固定，防止激光热处理过程中发生偏移；
步骤4：进行激光热处理，将激光照射在焊接接头表面，使其在1秒内表面温度升高至700℃及以上，而焊接接头内部温度仍然接近室温，使被处理的表面能够将热量通过基体快速传递至工作台及空气中，达到自淬火作用。
优选地，所述步骤2中黑化剂包括骨料、粘合剂、防沉剂、助剂以及溶剂，且骨料、粘合剂、防沉剂、助剂的颗粒尺寸均小于50μm。
优选地，所述骨料包括SiO2和Al2O3两种粉末，且SiO2和Al2O3质量比为3：5。
优选地，所述粘合剂为虫胶。
优选地，所述防沉剂为膨润土。
优选地，所述助剂为CeO2粉末，且CeO2粉末的质量为黑化剂总质量的5%。
优选地，所述溶剂为酒精，用于将混合粉末充分溶解。
优选地，所述黑化剂的涂层厚度为0.3mm～0.5mm。
优选地，所述步骤3中激光参数包括激光光斑直径、激光扫描速度、激光输出功率和光斑之间的搭接参数。
优选地，所述激光参数中激光光斑直径为5mm，激光扫描速度为13mm/s，激光输出功率为1000W～1200W，光斑之间的搭接参数为0.5～1mm。
本发明中，粘合剂、防沉剂、骨料占黑化剂总量的质量配比可由本领域技术人员根据实际需求进行配比，属于常规技术手段，故而未加详述。
对照试验：
取9件试样分别按照未激光热处理、1000W激光功率和1200W激光功率分别三组（每组包括三件样品），随后对9件试样进行预处理（需进行激光热处理的试样还要进行黑化处理），将处理好的试样放置水平工作台面上，调整激光角度使激光束垂直试样表面，之后使用夹具加紧，防止热处理过程中试样发生偏移。
设置激光热处理参数，激光功率分别为1000W和1200W，激光扫描速度均为13mm/s，光斑直径均为5mm，光斑之间的搭接参数为0.5～1mm，激光热处理方式如图1所示。
将激光热处理前后共计3组9件试样在万能拉伸试验机上进行拉伸试验，试验结果如图2所示，截取断后截面在扫描电镜下观察断口显微组织如图3～5所示。
实施例1
对于X100管线钢焊接接头，未进行激光热处理的试样平均抗拉强度为815MPa，由图3可见，断口形貌存在大量的韧窝且尺寸大于2μm，说明断裂形式为典型的韧性断裂。
实施例2
对X100管线钢焊接接头双面采用激光功率为1000W的热处理，其最终平均抗拉强度达到837MPa，整体强度提升2.8%，由图4可见，断口形貌仍然以韧窝为主，韧窝数量增加明显并且韧窝尺寸更加均匀，说明激光热处理后使得焊接导致的残余拉应力得到了释放，在拉伸过程中受力不均现象得到缓解，力学性能得到了强化。
实施例3
对X100管线钢焊接接头双面采用激光功率为1200W的热处理，其最终平均抗拉强度达到847MPa，整体强度提升4.1%，由图5可见，断口形貌相比实施例2有所变化，整体断口分布均匀，韧窝数量有所降低，对比实施例1可以看出韧性没有明显降低，断裂方式仍然为韧性断裂。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的两种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围 。

Claims (10)

1.一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：对待处理的管线钢焊接接头进行喷砂除锈预处理；
步骤2：黑化处理，将黑化剂均匀涂覆在待处理的管线钢焊接接头上；
步骤3：调整加工参数及位置，选择激光参数，调整激光束角度，使激光束垂直于待处理的管线钢焊接接头表面，同时采用夹板将待处理的管线钢焊接接头固定，防止激光热处理过程中发生偏移；
步骤4：进行激光热处理，将激光照射在焊接接头表面，使其在1秒内表面温度升高至700℃及以上，而焊接接头内部温度仍然接近室温，使被处理的表面能够将热量通过基体快速传递至工作台及空气中，达到自淬火作用。
2.根据权利要求1所述的一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，所述步骤2中黑化剂包括骨料、粘合剂、防沉剂、助剂以及溶剂，且骨料、粘合剂、防沉剂、助剂的颗粒尺寸均小于50μm。
3.根据权利要求2所述的一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，所述骨料包括SiO2和Al2O3两种粉末，且SiO2和Al2O3质量比为3：5。
4.根据权利要求2或3所述的一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，所述粘合剂为虫胶。
5.根据权利要求4所述的一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，所述防沉剂为膨润土。
6.根据权利要求4所述的一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，所述助剂为CeO2粉末，且CeO2粉末的质量为黑化剂总质量的5%。
7.根据权利要求2或6所述的一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，所述溶剂为酒精，用于将混合粉末充分溶解。
8.根据权利要求1所述的一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，所述黑化剂的涂层厚度为0.3mm～0.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，所述步骤3中激光参数包括激光光斑直径、激光扫描速度、激光输出功率和光斑之间的搭接参数。
10.根据权利要求1或9所述的一种激光热处理强化管线钢焊接接头力学性能的方法，其特征在于，所述激光参数中激光光斑直径为5mm，激光扫描速度为13mm/s，激光输出功率为1000W～1200W，光斑之间的搭接参数为0.5～1mm。
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