CN110184443A - 一种激光热处理强化x80管线钢焊接接头拉伸性能的方法 - Google Patents

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吴立超
刘月
易思
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Abstract

本发明公开了一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，首先对焊接接头进行表面喷砂除锈，而后将黑化剂涂在表面；利用光纤激光器采用合适的功率、光斑直径和扫描速度照射，使接头表面在极短的时间内温度升高至900℃及以上，被加热区域通过热传导快速降温达到自淬火作用；使得经过激光热处理后的钢焊接接头的表面组织均匀，晶粒细化并产生残余压应力的强化层，强化其拉伸性能；使其满足油气管道适应高压、大口径长输的性能要求，进一步提高油气管道的使用安全、使用周期，降低其维护、更换的成本，具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法
技术领域
本发明涉及一种强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，具体涉及一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，属于材料表面改性技术领域。
背景技术
管线钢是用于输送石油、天然气等管道所用的一类具有特殊要求的钢种，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。
激光热处理作为一种金属材料表面处理的方法，在各个行业都取得了重要应用。
而简单的将激光热处理应用于对管线钢焊接接头进行表面处理，却并不能达到理想的改善X80管线钢的拉伸性能的效果，因此需要做细致的深入研究。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸强度的方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，包括以下步骤：
S1、对接头的表面进行喷砂及黑化处理；
所述黑化处理中应用的黑化剂，其骨料包含一定质量比的TiO2、ZrO2；
S2、设置激光热处理的工艺参数，包括：激光功率、激光束角度、光斑直径、光斑搭接长度、扫描速度和扫描路线；
S3、对接头进行激光热处理。
上述TiO2和ZrO2质量比为2：1，骨料的粒径小于5μm。
上述黑化剂还包括溶剂：环氧树脂、固化剂和无苯香蕉水，其中环氧树脂与固化剂的质量比为2:1-3:1。
上述黑化剂涂覆在表面的厚度为0.1mm。
上述步骤S2中的光斑搭接长度为3-5mm。
上述步骤S2中的光斑直径为6mm，扫描速度为8-10mm/s，激光功率为1000-1400W。
上述步骤S3中的激光热处理，扫描时的激光束垂直照射于接头的表面。
上述激光热处理后的接头，其表面的显微组织为细小的板条马氏体，硬化层深度达1.0-1.3mm。
本发明的有益之处在于：
本发明的一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，首先对焊接接头进行表面喷砂除锈，而后将黑化剂涂在表面；利用光纤激光器采用合适的功率、光斑直径和扫描速度照射，使接头表面在极短的时间内温度升高至900℃及以上，被加热区域通过热传导快速降温达到自淬火作用；使得经过激光热处理后的钢焊接接头的表面组织均匀，晶粒细化并产生残余压应力的强化层，强化其拉伸性能；使其满足油气管道适应高压、大口径长输的性能要求，进一步提高油气管道的使用安全、使用周期，降低其维护、更换的成本，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的激光热处理前后抗拉强度对比表；
图2为本发明的未激光热处理试样拉伸断口形貌图；
图3为本发明的激光热处理功率1000W试样拉伸断口形貌图；
图4为本发明的激光热处理功率1200W试样拉伸断口形貌图；
图5为本发明的激光热处理功率1400W试样拉伸断口形貌图；
图6为本发明的焊接热影响区激光热处理后硬度分布表。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明所使用的试剂均为市购；
本发明所使用的仪器设备包括：IPG公司生产的YSL-10000-S2型光纤激光器和ABB机器人
一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，包括以下步骤：
S1、对接头的表面进行喷砂及黑化处理；
喷砂：喷砂处理时磨料选择粒径为0.5mm-1.5mm的石英砂，喷嘴到金属表面距离为100-300mm，喷砂方向与金属表面法线的夹角为15-30°，除锈范围为激光热处理区域中心线左右各50mm以内。
黑化处理：将黑化剂以0.1mm的厚度涂覆在接头的表面；黑化剂由骨料和溶剂组成；其中，骨料为质量比2:1的TiO2、ZrO2，骨料的粒径小于5μm，环氧树脂、固化剂和无苯香蕉水，其中环氧树脂与固化剂的质量比为2:1-3:1。溶剂与骨料的质量比为1:4。
S2、设置激光热处理的工艺参数，包括：激光功率1000-1400W、激光束垂直接头的表面、光斑直径6mm、光斑搭接长度4mm、扫描速度8-10mm/s和扫描路线；
S3、对接头进行激光热处理。
将经过预处理的接头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。
本实施例分别以0W(未激光热处理)、1000W、1200W、1400W的激光功率做4组对比试验。
将激光热处理前后的接头试样在万能拉伸试验机上进行拉伸试验，试验结果如附图1所示；截取断后，截面在扫描电镜下观察断口形貌如附图2～4所示。
可见，
对X80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707.67MPa，由附图2可见，断口形貌以韧窝为主且尺寸大于2μm，说明断裂形式为典型的韧性断裂。
对X80管线钢焊接接头单面，采用激光功率为1000W的热处理，其最终平均抗拉强度达到748.33MPa，整体强度提升5.7％，硬化层深度为1.06mm。由附图3可见，断口形貌仍然以韧窝为主，韧窝尺寸明显减小，小于2μm，说明韧性有所下降，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，拉伸性能得到了强化。
对X80管线钢焊接接头单面，采用激光功率为1200W的热处理，其最终平均抗拉强度达到825.67MPa，整体强度提升16.7％，硬化层深度为1.27mm。由附图4可见，断口形貌相比实施例2有所变化，整体断口分布均匀，韧窝尺寸及数量明显降低，对比实施例1可以看出，断裂方式向脆性断裂过渡。
对X80管线钢焊接接头单面，采用激光功率为1400W的热处理，其最终平均抗拉强度达到779MPa，整体强度提升10.1％，硬化层深度为1.41mm。由附图5可见，断口形貌相比经1200W激光热处理的端面有所变化，韧窝数量有所降低，对比实施例1可以看出韧性有所降低，断裂方式向脆性断裂过渡。
图6为本发明的焊接热影响区激光热处理后硬度分布表。
由附图6可见，经过不同功率激光热处理后焊接热影响区维氏硬度均得到提升，激光功率1000W由于未发生淬火转变，仅对X80管线钢表面组织进行细化，因此硬度提升幅度较小；1200W和1400W激光热处理使X80管线钢表面形成极细马氏体组织，并且对组织分布不均的焊缝及HAZ起到均匀细化组织的作用。
可见1200W激光功率为最为合适的参数。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对接头的表面进行喷砂及黑化处理；
所述黑化处理中应用的黑化剂，其骨料包含一定质量比的TiO2、ZrO2；
S2、设置激光热处理的工艺参数，包括：激光功率、激光束角度、光斑直径、光斑搭接长度、扫描速度和扫描路线；
S3、对接头进行激光热处理。
2.根据权利要求1所述的一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，其特征在于，所述TiO2和ZrO2质量比为2：1，骨料的粒径小于5μm。
3.根据权利要求1所述的一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，其特征在于，所述黑化剂还包括溶剂：环氧树脂、固化剂和无苯香蕉水，其中环氧树脂与固化剂的质量比为2:1-3:1。
4.根据权利要求1所述的一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，其特征在于，所述黑化剂涂覆在表面的厚度为0.1mm。
5.根据权利要求1所述的一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，其特征在于：所述步骤S2中的光斑搭接长度为3-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，其特征在于，所述步骤S2中的光斑直径为6mm，扫描速度为8-10mm/s，激光功率为1000-1400W。
7.根据权利要求1所述的一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，其特征在于，所述步骤S3中的激光热处理，扫描时的激光束垂直照射于接头的表面。
8.如权利要求1所述的一种激光热处理强化X80管线钢焊接接头拉伸性能的方法，其特征在于，激光热处理后的接头，其表面的显微组织为细小的板条马氏体，硬化层深度达1.0-1.3mm。
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