CN115747786A - 一种x80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法 - Google Patents
一种x80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于X80钢养护技术领域，本发明公开了一种X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法。本发明将特定组分的合金钢填补于焊接接头处，减小了热影响区的影响深度；同时本发明所述X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法通过多层堆积的厚覆合金钢组成，合金钢与基材遵循高强匹配原则，增强了焊接接头处的耐腐蚀性，提高了焊接X80钢的耐用性；本发明所述方法增强的X80钢片材经土壤提取液浸泡后其质量的损失为0.7～2g，极大的提高了X80钢焊接接头处的耐腐蚀性。本发明所述X80钢焊接接头处的增强处理方法仅采用激光熔覆技术，工艺简单，适于大范围推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及X80钢养护技术领域，尤其涉及一种X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法。
背景技术
西气东输所采用的Φ1219mm×18.4mm规格X80钢管(材质为Fe基MnNbTiMoNi合金，微观组织为针状铁素体，晶粒尺寸5～10μm)。因管壁厚度大，管段间焊接普遍采用大焊接电流，热输入高，造成焊接接头晶粒粗大(尺寸150～300μm)，母材热影响区晶粒粗化(尺寸70～90μm)，微观组织为多边形铁素体。与母材相比，焊接接头和热影响区的组织性能均严重恶化。X80管道在西部土壤环境下的耐腐蚀寿命研究表明，管道防腐层存在制造缺陷或现场施工损伤缺陷，多数地段管道的土壤腐蚀寿命低于30年。
解决焊接接头失效的现行方法是采用B型套筒包裹失效焊接接头，利用电弧焊将套筒焊接到管道外表面形成新的焊接接头。B型套筒焊接接头腐蚀行为研究表明，焊接热输入造成基体热影响区深度4～5mm，显微组织晶粒粗化，晶界活化。在乌恰-鄯善段连木沁土壤模拟溶液中浸泡7天后，热影响区的腐蚀速率大于母材，且随腐蚀时间延长，热影响区腐蚀加剧。X80钢焊接接头不同部位在碱性土壤溶液中的腐蚀行为研究表明，从母材到热影响区再到焊接接头，组织晶粒尺寸逐渐增大，耐腐蚀性依次降低。可见，现有的采用B型套筒包裹失效焊接接头的增强处理方法，由于焊接方法和焊接接头材质未得到改进，仍无法解决焊接接头过早失效问题。因此，发展一种可从根本上解决焊接接头失效的增强处理方法成为本领域亟需。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，以解决现有的采用B型套筒包裹失效焊接接头的增强处理方法存在焊接接头处腐蚀速率大，其仍无法从根本上解决焊接接头过早失效问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，包括如下步骤：
将X80钢焊接接头处的钢材去除，形成凹槽，之后利用激光熔覆将合金钢填充于凹槽中，完成对X80钢焊接接头处的增强作用；
所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1～2份、铁120～150份、锰3～6份、钴2～4份、铜5～8份、铌1.2～1.5份、硅0.8～1份、硼1.5～2.5份、锆0.5～0.8份。
作为优选，所述激光熔覆的激光功率为1200～2000W，激光熔覆的扫描速度为300～500mm/min，激光熔覆的光斑直径为1.5～3mm，激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离为6～10mm。
作为优选，所述合金钢为线材，其横截面的平均直径为1～2mm。
作为优选，所述凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角为100～150°，凹槽的深度为8～10mm，凹槽的底边宽度为20～25mm。
作为优选，所述填充为将合金钢利用激光熔覆进行多层填充。
作为优选，所述填充的结束时间为至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
(1)本发明将特定组分的合金钢填补于焊接接头处，减小了热影响区的影响深度；同时本发明所述X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法通过多层堆积的厚覆合金钢组成，合金钢与基材遵循高强匹配原则，增强了焊接接头处的耐腐蚀性，提高了焊接X80钢的耐用性；
(2)本发明所述X80钢焊接接头处的增强处理方法仅采用激光熔覆技术，工艺简单，适于大范围推广应用。
具体实施方式
本发明提供了一种X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，包括如下步骤：
将X80钢焊接接头处的钢材去除，形成凹槽，之后利用激光熔覆将合金钢填充于凹槽中，完成对X80钢焊接接头处的增强作用；
所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1～2份、铁120～150份、锰3～6份、钴2～4份、铜5～8份、铌1.2～1.5份、硅0.8～1份、硼1.5～2.5份、锆0.5～0.8份。
在本发明中，所述合金钢优选为包括如下质量份数的组分：碳1.2～1.8、铁125～145份、锰3.5～5份、钴2.5～3.5份、铜6～7份、铌1.3～1.4份、硅0.9～0.95份、硼1.8～2.4份、锆0.6～0.7份，进一步优选为包括如下质量份数的组分：碳1.3～1.5份、铁130～140份、锰4～4.5份、钴2.8～3.2份、铜6.5份、铌1.32～1.38份、硅0.9～0.95份、硼1.8～2.4份、锆0.6～0.7份。
在本发明中，所述激光熔覆的激光功率优选为1200～2000W，进一步优选为1500～1800W；激光熔覆的扫描速度优选为300～500mm/min，进一步优选为350～450mm/min；激光熔覆的光斑直径优选为1.5～3mm，进一步优选为2～2.5mm；激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离优选为6～10mm，进一步优选为7～8mm。
在本发明中，所述合金钢为线材，其横截面的平均直径优选为1～2mm，进一步优选为1.2～1.8mm。
在本发明中，所述凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角优选为100～150°，进一步优选为110～140°；凹槽的深度优选为8～10mm，进一步优选为8.5～9.5mm；凹槽的底边宽度优选为20～25mm，进一步优选为21～24mm。
在本发明中，所述填充为将合金钢利用激光熔覆进行多层填充。
在本发明中，所述填充的结束时间为至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平。
在本发明中，所述合金钢的制备步骤为：
(1)将碳、锰、铌、硅进行第一次熔炼，之后加入铁、钴、锆、硼、铜进行第二次熔炼，得到钢水；
(2)将钢水依次经过浇注、锻造，得到合金钢坯料；
(3)将合金钢坯料顺次进行正火处理、淬火处理和回火处理，得到合金钢。
其中，所述步骤(1)中，第一次熔炼的温度优选为500～600℃，进一步优选为520～580℃；第一次熔炼的时间优选为5～10min，进一步优选为6～8min；第二次熔炼的温度优选为800～900℃，进一步优选为850～880℃；第二次熔炼的时间优选为10～15min，进一步优选为11～14min；
所述步骤(1)中，得到钢水前，对第二次熔炼所得产物进行升温出炉处理，升温出炉处理的具体步骤为：将第二次熔炼所得产物以50～60℃/min的升温速率升温至1400～1500℃，之后出炉得到钢水；
所述升温速率优选为51～57℃/min，进一步优选为52～55℃/min，所述出炉的温度优选为1430～1470℃，进一步优选为1450～1460℃；
所述步骤(2)中，浇注在模具中进行，浇注的温度优选为150～200℃，进一步优选为160～180℃；浇注前，优选为将钢水在室温下静置冷却5～10min，进一步优选为将钢水在室温下静置冷却6～8min；
所述步骤(2)中，锻造前，优选为将浇注所得产物在常温下冷凝至低于60℃，进一步优选为将浇注所得产物在常温下冷凝至低于55℃；锻造的初锻温度优选为920～1000℃，进一步优选为950～980℃；锻造的终锻温度优选为800～900℃，进一步优选为820～880℃；
所述锻造过程中采用压力机进行锻打，当温度为900～1000℃时，进行重锻打，压力机的压力优选为18～20MPa，进一步优选为19～19.5MPa；当温度＜900℃且≥800℃时，进行轻锻打，压力机的压力优选为10～15MPa，进一步优选为11～14MPa；
所述步骤(2)中，得到合金钢坯料前，对锻造所得产物冷却至室温，冷却的速率优选为10～15℃/min，进一步优选为11～14℃/min；所述冷却的方式为炉冷；
所述步骤(3)中，正火处理的温度优选为800～900℃，进一步优选为850～880℃；正火处理的升温速率优选为30～40℃/min，进一步优选为32～35℃/min；正火处理的保温时间优选为2～3h，进一步优选为140～150min；
所述步骤(3)中，淬火处理前，优选为将正火处理所得产物在常温下静置50～90min，进一步优选为将正火处理所得产物在常温下静置60～80min；淬火处理的温度优选为600～700℃，进一步优选为650～690℃；淬火处理的保温时间优选为1～2h，进一步优选为70～100min；
所述步骤(3)中，当淬火处理结束后，对淬火处理所得产物进行油冷；所述油冷后所得产物的温度优选为20～50℃，进一步优选为25～30℃；
所述步骤(3)中，回火处理的温度优选为500～600℃，进一步优选为510～580℃；回火处理的升温速率优选为20～25℃/min，进一步优选为21～24℃/min；回火处理的时间优选为2～2.5h，进一步优选为130～140min；
所述步骤(3)中，得到合金钢前，对回火处理所得产物在室温下降温至20～30℃。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
合金钢线材的制备：
本实施例所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1份、铁120份、锰3份、钴2份、铜5份、铌1.2份、硅0.8份、硼1.5份、锆0.5份；
制备工艺：
(1)在熔炼炉中，将上述质量份数的碳、锰、铌、硅混合在500℃下进行5min的第一次熔炼，之后向其中加入上述质量份数的铁、钴、锆、硼、铜，后升温至800℃进行10min的第二次熔炼，然后将炉温以50℃/min的速率升至1400℃后出炉，得到钢水；
(2)将钢水在室温下静置冷却5min，后以150℃的温度在模具中浇注，然后将浇注所得产物在常温下冷凝至60℃，得到浇注钢锭，将浇注钢锭放入锻造炉中先升温至920℃，在压力机的压力为18MPa的条件下进行重锻打；随着重锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到890℃时，在压力机的压力为10MPa的条件下进行轻锻打；随着轻锻打的进行，浇注钢锭的温度会降低；当浇注钢锭的温度降低到800℃时停止轻锻打，然后将所得产物在锻造炉中以冷却速率为10℃/min冷却至室温，得到合金钢坯料；
(3)在箱式炉中，先将合金钢坯料以30℃/min的升温速率升温至800℃进行2h的正火处理，之后在常温下降温50min；然后再放入箱式炉中升温至600℃进行1h的淬火处理，之后将淬火处理所得产物进行油冷至淬火处理所得产物的温度为20℃；最后将油冷后淬火处理所得产物放入箱式炉中以20℃/min的升温速率升温至500℃进行2h的回火处理，后空冷至室温，得到合金钢；将所得合金钢通过拉丝加工得到合金钢线材。
实施例2
取边长为10cm的两块X80钢片材，然后以片材厚度作为焊接区进行焊接；后以X80钢焊接接头处为中心，通过砂轮或铣刀制备凹槽，凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角为100°、凹槽的深度为8mm、凹槽的底边宽度为20mm。然后利用激光熔覆将实施例1所得合金钢线材逐层填充于凹槽内直至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平，得到增强的X80钢片材；
所述激光熔覆的激光功率优选为1200～2000W，进一步优选为1500～1800W；激光熔覆的扫描速度优选为300～500mm/min，进一步优选为350～450mm/min；激光熔覆的光斑直径优选为1.5～3mm，进一步优选为2～2.5mm
激光熔覆的参数为：激光熔覆的激光功率为1500W，激光熔覆的扫描速度为300mm/min，激光熔覆的光斑直径为1.5mm，激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离为6mm。
实施例3
取边长为10cm的两块X80钢片材，然后以片材厚度作为焊接区进行焊接；后以X80钢焊接接头处为中心，通过砂轮或铣刀制备凹槽，凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角为110°、凹槽的深度为9mm、凹槽的底边宽度为22mm。然后利用激光熔覆将实施例1所得合金钢线材逐层填充于凹槽内直至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平，得到增强的X80钢片材；
激光熔覆的参数为：激光熔覆的激光功率为1600W，激光熔覆的扫描速度为310mm/min，激光熔覆的光斑直径为1.8mm，激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离为7mm。
实施例4
取边长为10cm的两块X80钢片材，然后以片材厚度作为焊接区进行焊接；后以X80钢焊接接头处为中心，通过砂轮或铣刀制备凹槽，凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角为120°、凹槽的深度为9.5mm、凹槽的底边宽度为23mm。然后利用激光熔覆将实施例1所得合金钢线材逐层填充于凹槽内直至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平，得到增强的X80钢片材；
激光熔覆的参数为：激光熔覆的激光功率为1700W，激光熔覆的扫描速度为350mm/min，激光熔覆的光斑直径为2mm，激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离为7.5mm。
实施例5
取边长为10cm的两块X80钢片材，然后以片材厚度作为焊接区进行焊接；后以X80钢焊接接头处为中心，通过砂轮或铣刀制备凹槽，凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角为130°、凹槽的深度为10mm、凹槽的底边宽度为24mm。然后利用激光熔覆将实施例1所得合金钢线材逐层填充于凹槽内直至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平，得到增强的X80钢片材；
激光熔覆的参数为：激光熔覆的激光功率为1900W，激光熔覆的扫描速度为360mm/min，激光熔覆的光斑直径为2.4mm，激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离为8mm。
实施例6
取边长为10cm的两块X80钢片材，然后以片材厚度作为焊接区进行焊接；后以X80钢焊接接头处为中心，通过砂轮或铣刀制备凹槽，凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角为140°、凹槽的深度为9.5mm、凹槽的底边宽度为25mm。然后利用激光熔覆将实施例1所得合金钢线材逐层填充于凹槽内直至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平，得到增强的X80钢片材；
激光熔覆的参数为：激光熔覆的激光功率为2000W，激光熔覆的扫描速度为400mm/min，激光熔覆的光斑直径为2.5mm，激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离为9mm。
实施例7
取边长为10cm的两块X80钢片材，然后以片材厚度作为焊接区进行焊接；后以X80钢焊接接头处为中心，通过砂轮或铣刀制备凹槽，凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角为150°、凹槽的深度为10mm、凹槽的底边宽度为25mm。然后利用激光熔覆将实施例1所得合金钢线材逐层填充于凹槽内直至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平，得到增强的X80钢片材；
激光熔覆的参数为：激光熔覆的激光功率为1900W，激光熔覆的扫描速度为450mm/min，激光熔覆的光斑直径为2.5mm，激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离为10mm。
实施例8
取边长为10cm的两块X80钢片材，然后以片材厚度作为焊接区进行焊接；后以X80钢焊接接头处为中心，通过砂轮或铣刀制备凹槽，凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角为150°、凹槽的深度为10mm、凹槽的底边宽度为25mm。然后利用激光熔覆将实施例1所得合金钢线材逐层填充于凹槽内直至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平，得到增强的X80钢片材；
激光熔覆的参数为：激光熔覆的激光功率为2000W，激光熔覆的扫描速度为500mm/min，激光熔覆的光斑直径为3mm，激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离为10mm。
对实施例2～8所得增强的X80钢片材和对照样品的耐腐蚀性进行检测，检测结果如表1所示。
制备对照样品：
取边长为10cm的两块X80钢片材，然后以片材厚度作为焊接区进行焊接，得到对照样品1；
取边长为10cm的两块X80钢片材，然后以片材厚度作为焊接区进行焊接，取现有常用Q345R套筒的钢片材(长为10cm、宽为40mm)，以X80钢焊接接头处为中心，利用焊接技术将Q345R套筒的钢片材覆于焊缝上，得到对照样品2。
检测方法如下：
采集西气东输塔里木段的土壤经风干，过1～2mm筛网，将筛网下的土壤用无菌蒸馏水提取土壤溶液，得到土壤提取液，备用。分别测定实施例2～8所得增强的X80钢片材与对照样品1和2的质量记为m，然后将实施例2～8所得增强的X80钢片材与对照样品1和2逐一单独的放置于容器中，将土壤提取液分别加入上述容器中至浸没X80钢片材和对照样品，经过14d的浸泡，取出X80钢片材和对照样品，在50～60℃的条件下烘干，然后分别测定烘干后的实施例2～8所得增强的X80钢片材与对照样品1和2的质量记为m1。
表1实施例2～8所得增强的X80钢片材和对照样品的耐腐蚀性测试结果
| m(g) | m<sub>1</sub>(g) | m-m<sub>1</sub>(g) | |
| 实施例2 | 380 | 379 | 1 |
| 实施例3 | 400 | 398 | 2 |
| 实施例4 | 398 | 397 | 1 |
| 实施例5 | 389 | 388 | 1 |
| 实施例6 | 395 | 394.3 | 0.7 |
| 实施例7 | 394 | 393 | 1 |
| 实施例8 | 410 | 409.2 | 0.8 |
| 对照样品1 | 450 | 430 | 20 |
| 对照样品2 | 562 | 549 | 13 |
测定烘干后的实施例2～8所得增强的X80钢片材与对照样品1和2中10个最深孔的长度，并计算其平均值。所得结果如表2所示。
表2实施例2～8所得增强的X80钢片材与对照样品1和2的点蚀结果
由表1可知，本发明所述方法增强的X80钢片材经土壤提取液浸泡后其质量的损失为0.7～2g，而未经任何处理的X80钢片材的质量损失达到了20g，经过B型套筒包裹失效焊接接头的方法处理的X80钢片材的质量损失为13g。可见，本发明所述X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，可以很好的处理X80钢焊接接头处耐腐蚀性能差的问题，与现有的采用B型套筒包裹失效焊接接头的方法相比，本发明所述方法可以更大范围的提高X80钢焊接接头处的耐腐蚀性。
由表2可知，本发明所述方法增强的X80钢片材经土壤提取液浸泡后其并未发生严重的点蚀现象，极大的提高了管道的寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
将X80钢焊接接头处的钢材去除，形成凹槽，之后利用激光熔覆将合金钢填充于凹槽中，完成对X80钢焊接接头处的增强作用；
所述合金钢包括如下质量份数的组分：碳1～2份、铁120～150份、锰3～6份、钴2～4份、铜5～8份、铌1.2～1.5份、硅0.8～1份、硼1.5～2.5份、锆0.5～0.8份。
2.根据权利要求1所述X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，其特征在于，所述激光熔覆的激光功率为1200～2000W，激光熔覆的扫描速度为300～500mm/min，激光熔覆的光斑直径为1.5～3mm，激光熔覆的喷嘴底至合金钢表面的距离为6～10mm。
3.根据权利要求2所述X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，其特征在于，所述合金钢为线材，其横截面的平均直径为1～2mm。
4.根据权利要求1～3任一项所述X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，其特征在于，所述凹槽的左右两侧斜边与底边的夹角为100～150°，凹槽的深度为8～10mm，凹槽的底边宽度为20～25mm。
5.根据权利要求4所述X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，其特征在于，所述填充为将合金钢利用激光熔覆进行多层填充。
6.根据权利要求5所述X80钢焊接接头处激光熔覆超厚材料的增强处理方法，其特征在于，所述填充的结束时间为至合金钢在垂直方向与X80钢焊接接头处的基材表面持平。
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