CN110229946A - 一种激光热处理强化x80管线钢力学性能的方法 - Google Patents

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吴立超
江兴
易思
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Abstract

本发明公开了一种激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法，首先对待处理的X80管线钢母材进行表面喷砂除锈，而后将黑化剂涂在管线钢的表面；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，使母材表面经历快速加热冷却，获得细化的晶粒和组织，使得硬化层深度加大，强化其耐磨性、耐腐蚀性、组织性能，显著提高得其力学性能，满足油气管道适应高压、薄壁以及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管线钢力学性能的方法
技术领域
本发明涉及一种强化X80管线钢力学性能的方法，具体涉及一种激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法，属于材料表面改性技术领域。
背景技术
现阶段，X80管线钢已经成为建设高压、大口径高强钢天然气管道的主要材料，对其强度、韧性方面均有很高的要求。
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。由于需激光热处理的金属工件表面大多经过了机械加工成型，表面光洁度较高，经精密机加工后对红外波段入射光的反射率可高达80％～90％。因此，如何制备有效的表面处理黑化剂来提高被加工工件表面对激光的吸收率，是激光热处理过程中必须解决的一个问题。金属表面对激光的吸收率与涂料特性、金属表面光洁度以及基体材料成分等因素都有密切关系。另外激光热处理的工艺参数对强化材料的性能也十分重要，过低的激光功率、过快的扫描速度以及过大的光斑直径均可能导致热处理的最高温度达不到材料的相变温度；而过高的激光功率、过低的扫描速度以及过小的光斑直径又可能导致金属表面剧烈熔化，表面质量大大降低。
简单的将激光热处理应用于对X80管线钢的表面处理，却并不能达到理想的改善X80管线钢的强度及韧性的效果，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通过激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法。
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管线钢力学性能的方法，包括以下步骤：
S1、对X80管线钢的表面进行喷砂及黑化处理；
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、光斑搭接率、扫描速度和扫描路线；
S3、对X80管线钢进行激光热处理。
上述步骤S1中黑化处理的黑化剂，包括混合的骨料、粘合剂、防沉剂、助剂，经球磨后粉末颗粒直径小于10μm，再加入一定量的无水乙醇进行混合；黑化剂的涂覆厚度为0.1-0.2mm。
进一步的，上述骨料为质量比为2:3的SiO2和Al2O3粉末，粘合剂为动物胶，防沉剂为有机膨润土，助剂为改性淀粉；
骨料、粘合剂、防沉剂、助剂的质量占比分别为75％、15％、5％和5％。
上述步骤S2中的光斑搭接率为50％。
上述步骤S2中的激光光斑直径为4mm，扫描速度为12mm/s，激光输出功率为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在X80管线钢的表面。
本发明的有益之处在于：
本发明的一种激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法，首先对待处理的X80管线钢母材进行表面喷砂除锈，而后将自制的黑化剂涂在管线钢的表面；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，使母材表面经历快速加热冷却，获得细化的晶粒和组织，使得硬化层深度加大，强化其耐磨性、耐腐蚀性、组织性能，显著提高其力学性能，满足油气管道适应高压、薄壁以及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为本发明的试样在激光热处理前后的抗拉强度对比表；
图2为本发明的未激光热处理试样的拉伸断口形貌图；
图3为本发明的激光热处理功率1000W试样的拉伸断口形貌图；
图4为本发明的激光热处理功率1200W试样的拉伸断口形貌图；
图5为本发明的激光热处理功率1400W试样的拉伸断口形貌图；
图6为本发明的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管线钢力学性能的方法，包括以下步骤：
S1、对X80管线钢的表面进行喷砂及黑化处理；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。
黑化剂由骨料、粘合剂、防沉剂、助剂，经混合、球磨后粉末颗粒尺寸小于10μm；再加入一定量的无水乙醇进行混合；黑化剂的涂覆厚度为0.1-0.2mm。
骨料为质量比2:3的SiO2和Al2O3混合粉末，粘合剂为动物胶，防沉剂为有机膨润土，助剂为改性淀粉。粘合剂为动物胶，防沉剂为有机膨润土，助剂为改性淀粉；骨料、粘合剂、防沉剂、助剂，各成分的质量占比分别为75％、15％、5％和5％。以此配比可以达到较高的激光吸收率，提高激光热处理硬化层深度以及材料的力学性能。
S2、设置激光热处理的工艺参数，包括：激光功率为1000-1400W、激光束角度垂直照射在X80管线钢的表面、光斑直径4mm、光斑搭接率50％、扫描速度12mm/s和扫描路线；S3、对X80管线钢进行激光热处理。
对照试验1：
取12件X80管线钢试样，分别进行上述预处理(包括对试样的喷砂及黑化处理)，将处理好的试样放置水平工作台上，调整激光角度使激光垂直于水平工作台，之后使用夹具夹紧，防止热处理过程中试样发生偏移。
设置激光处理热处理参数，激光扫描速度均为12mm/s，光斑直径均为4mm，光斑搭接率50％，并按照激光功率0W(未激光热处理)、1000W、1200W和1400W将试样分为四组(每组包括3件样品)。
将激光热处理前后共计4组试样在万能拉伸试验机上进行拉伸试验，试验结果如图1所示；截取断后，截面在扫描电镜下观察断口，显微组织如附图2～5所示。
可见：
对X80管线钢试样，未进行激光热处理的试样平均抗拉强度为739.67MPa，由图2可见，断口形貌以韧窝为主，说明断裂形式为典型的韧性断裂。
对X80管线钢试样，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761MPa，整体强度提升2.9％，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，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管线钢试样单面，采用激光功率为1200W的热处理，其最终平均抗拉强度达到817.33MPa，整体强度提升10.5％，由附图4可见，激光热处理后韧窝数量及尺寸均减少并在断口形貌图中出现裂纹，对比实施例1可以看出，断裂方式向脆性断裂过渡。
对X80管线钢试样单面，采用激光功率为1400W的热处理，其最终平均抗拉强度达到800.33MPa，整体强度提升8.2％，由附图5可见，激光热处理后硬化层最深，导致拉伸试样表面脆化，对比实施例1可以看出，断裂方式由韧性断裂向脆性断裂过渡。
对照试验2：
将经过不同功率激光热处理的X80管线钢切割加工成10mm×10mm的试样，使用金相预磨机对试样进行粗磨，使用金相砂纸从200目粗磨至800目。
将粗磨过后的试样放置在水平玻璃板上进行手工精磨，使用金相砂纸从1000目精磨至1200目。经抛光机对试样进行抛光后，使用4％硝酸酒精腐蚀8s后迅速用酒精清洗，最后用吹风机吹干制得测试硬度用金相试样。
硬度测试使用维氏硬度计分别对三个试样进行硬度试验，试验载荷为200g，保持时间为15s，从距离激光热处理表面0.2mm开始打第一个点，往后间隔0.2mm打一个点，总计打10个点，记录硬度数据。
由图6可见，X80管线钢硬度测试点可达基体位置，基体的硬度约为230HV。
经过不同功率激光热处理后，处理区域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。而激光功率1200W以及1400W对X80管线钢表面硬度提升约47％，原因在于激光热处理使X80管线钢表面形成极细马氏体组织。除了表面硬度提升之外，从图中以300HV为硬化层分界线可以发现激光1200W在X80管线钢硬化层深度为0.9mm，激光1400W硬化深度为1.18mm，由此可以证实在达到淬火温度前提下激光功率越高，其硬化深度越大。
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 (6)

1.一种激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对X80管线钢的表面进行喷砂及黑化处理；
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、光斑搭接率、扫描速度和扫描路线；
S3、对X80管线钢进行激光热处理。
2.根据权利要求1所述的激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法，其特征在于，所述步骤S1中黑化处理的黑化剂，包括混合的骨料、粘合剂、防沉剂、助剂，经球磨后粉末颗粒直径小于10μm，再加入一定量的无水乙醇进行混合；黑化剂的涂覆厚度为0.1-0.2mm。
3.根据权利要求2所述的激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法，其特征在于，所述骨料为质量比为2:3的SiO2和Al2O3粉末，粘合剂为动物胶，防沉剂为有机膨润土，助剂为改性淀粉；
骨料、粘合剂、防沉剂、助剂的质量占比分别为75％、15％、5％和5％。
4.根据权利要求1所述的激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法，其特征在于：所述步骤S2中的光斑搭接率为50％。
5.根据权利要求1所述的激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法，其特征在于，所述步骤S2中的激光光斑直径为4mm，扫描速度为12mm/s，激光输出功率为1000-1400W。
6.根据权利要求1所述的激光热处理强化X80管线钢力学性能的方法，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在X80管线钢的表面。
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