一種基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，包括分激光處理和脈沖磁處理，具體是按以下步驟進行的：（1）激光處理：利用分光鏡對激光器發射的原始激光束進行分光，經過第一光柵形成三束光，分別為中央光束、光束a、b和光束c、d，之后通過反光鏡和第二光柵控制三束光的光斑大小和位置；（2）脈沖磁處理：脈沖放電裝置通過不同形式的磁化器進行脈沖放電，從而產生強脈沖磁場，對焊管焊縫進行脈沖磁處理，即磁頭輸出具有脈沖磁處理參數的脈沖磁對焊縫進行掃描處理。將激光處理與脈沖磁處理相互結合，以激光處理對應熱應力，以脈沖磁處理對應組織應力，既有采用激光處理的表面處理，又有采用脈沖磁處理的內部處理。
【專利說明】一種基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法

【技術領域】
[0001]本發明專利是一種基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，依次通過激光對焊縫表面區域的殘余熱應力和通過脈沖磁對焊縫內部組織應力進行消除，使殘余應力得到釋放，提高焊縫的力學性能和耐腐蝕性能。

【背景技術】
[0002]石油和天然氣作為重要能源，在我國能源結構中占有不可撼動的地位。但隨著陸地油氣資源的逐漸枯竭，人們把目光投向了更為廣袤的海洋，預計未來五到十年，我國對海洋油氣資源的開發利用將迎來新一輪高峰。利用長距離的海底油氣輸送管線將石油和天然氣從海上開采平臺運送到目的地，是一種安全、高效的運輸方法。這也對我國的海底油氣輸送用管道提出了大厚徑比、高強韌和抗大變形等新要求。目前，油氣輸送用管道采用成型、焊接、擴徑的工藝流程，其中，焊接質量關系到整個管道使用性能和壽命，而焊后熱處理則是提高焊接質量的有效手段。
[0003]通常，由于焊接時的溫度變化和組織變化，焊接件焊縫附近會產生熱應力和組織應力，而殘余應力的存在將直接導致焊縫質量的下降。殘余應力的消除除了傳統的熱處理手段之外，近年來還出現了利用激光、高能聲磁耦合、脈沖電流和超聲波等先進高效地處理方法。通過檢索發現，專利(孔德軍，葉存冬，王文昌等.一種消除X80管線鋼焊接接頭殘余應力的方法.申請號:201310140480.7，申請日:2013-04-22)利用激光對X80管線鋼焊接接頭進行處理，殘余拉應力得到釋放，提高焊管抗應力腐蝕能力。但其缺點是激光處理深度淺、范圍大，無法對組織應力進行有效消除。論文(林健，趙海燕等.脈沖磁處理法降低工程結構的焊接殘余應力[J].清華大學學報(自然科學版).2007, 47(2).)提出了利用脈沖磁對焊縫進行處理的想法并采用模擬方法對應力較大處進行了脈沖磁處理，發現脈沖磁處理可有效降低殘余應力。但是，由于脈沖磁不產生溫度變化，無法對熱應力進行有效消除。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，將激光和脈沖磁進行有效結合，達到有效消除熱應力和組織應力的目的。
[0005]一種基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，包括分激光處理和脈沖磁處理，具體是按以下步驟進行的:
(1)、激光處理:利用分光鏡對激光器發射的原始激光束進行分光，經過第一光柵形成三束光，分別為中央光束、光束a、b和光束C、d，之后通過反光鏡和第二光柵控制三束光的光斑大小和位置；
(2)、脈沖磁處理:脈沖放電裝置通過不同形式的磁化器進行脈沖放電，從而產生強脈沖磁場，對焊管焊縫進行脈沖磁處理，即磁頭輸出具有脈沖磁處理參數的脈沖磁對焊縫進行掃描處理。
[0006]激光處理的步驟是:首先，依據焊縫實際寬度，調整三束光的光斑直徑，使得激光可照射到焊縫、熱影響區和母材；其次，調整輸出功率，使三束光的強度依次減小；再次，確定三束光之間的搭接量，使光斑有交匯；最后，使三束光同步對焊縫區域進行掃描。
[0007]脈沖磁處理的步驟是:首先，確定脈沖磁場方向為垂直于焊縫方向；然后調整脈沖磁參數沿焊縫方向對焊縫進行處理。
[0008]激光處理采用連續方式二氧化碳激光器。
[0009]三束光并行進行掃描，并根據焊接接頭的具體尺寸，確定激光處理參數。
[0010]激光處理參數包括激光器的輸出功率、移動速度、光斑直徑、搭接量和掃描次數。
[0011]激光器的輸出功率為(Tl5kW，移動速度15~35mm/s，中央光束光斑直徑為(Tl5mm，光束a、b的光斑直徑為(TlOmm，光束3、4的光斑直徑為(T5mm，搭接量為0.2~1.0mm,掃描次數為3~7次。
[0012]脈沖磁處理采用低頻、高場強的窄脈沖磁場。
[0013]脈沖磁處理參數包括脈沖磁場強度、頻率、脈寬、處理時間和掃描次數。
[0014]脈沖磁場強度為15~16 A/ m，頻率為0.2~1.0 Hz，脈寬15%~35%，處理時間9(Tl50s，掃描次數3~6次。
[0015]本發明的有益效果是:
本發明將激光處理與脈沖磁處理相互結合，以激光處理對應熱應力，以脈沖磁處理對應組織應力，既有采用激光處理的表面處理，又有采用脈沖磁處理的內部處理；同時，激光處理覆蓋面可涵蓋焊縫、熱影響區和母材，達到全部處理，而脈沖磁可以針對殘余應力較大處進行重點處理。因此，兩者的結合可有效消除焊管焊接殘余應力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明中激光處理的工作示意圖；
圖2為實施例1中殘余應力測量結果圖；
圖3為實施例2中殘余應力測量結果圖；
圖4為實施例3中殘余應力測量結果圖。
[0017]圖中，1.分光鏡；2.第一光柵；3.反光鏡；4.第二光柵；5.工件。

【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0019]一種基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，包括分激光處理和脈沖磁處理，具體是按以下步驟進行的:
(I)、激光處理:激光處理采用連續方式二氧化碳激光器，利用分光鏡I對激光器發射的原始激光束進行分光，經過第一光柵2形成三束光,分別為中央光束、光束a、b和光束C、d,之后通過反光鏡3和第二光柵4控制三束光的光斑大小和位置；
首先，依據焊縫實際寬度，調整三束光的光斑直徑，使得激光可照射到焊縫、熱影響區和母材；其次，調整輸出功率，使三束光的強度依次減小；再次，確定三束光之間的搭接量，使光斑有交匯；最后，使三束光同步對焊縫區域進行掃描。
[0020]三束光并行進行掃描，并根據焊接接頭的具體尺寸，確定激光處理參數。
[0021]激光處理參數包括激光器的輸出功率、移動速度、光斑直徑、搭接量和掃描次數。
[0022]激光器的輸出功率為(Tl5kW，移動速度15~35mm/s，中央光束光斑直徑為(Tl5mm，光束a、b的光斑直徑為(TlOmm，光束C、d的光斑直徑為(T5mm，搭接量為0.2^1.0_，掃描次數為3~7次。
[0023](2)、脈沖磁處理:脈沖磁處理采用低頻、高場強的窄脈沖磁場，脈沖放電裝置通過不同形式的磁化器進行脈沖放電，從而產生強脈沖磁場，對焊管焊縫進行脈沖磁處理，即磁頭輸出具有脈沖磁處理參數的脈沖磁對焊縫進行掃描處理；
首先，確定脈沖磁場方向為垂直于焊縫方向；然后調整脈沖磁參數沿焊縫方向對焊縫進行處理。
[0024]脈沖磁處理參數包括脈沖磁場強度、頻率、脈寬、處理時間和掃描次數。
[0025]脈沖磁場強度為15~16 A/ m，頻率為0.2~1.0 Hz，脈寬15%~35%，處理時間9(Tl50s，掃描次數3~6次。
[0026]本發明的原理為:
激光處理是一種表面處理技術，利用激光對金屬表面進行快速加熱的一種處理方式，由于激光在照射區域的單位面積上集中有極高的功率，可以使金屬材料局部快速熔化。本發明利用激光進行焊管焊接殘余應力的消除，重點針對殘余應力中的熱應力。熱應力是在焊接加熱及冷卻過程中材料內部溫度改變時，由于母材、熱影響區和焊縫之間以及各部分微觀組織之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產生的應力。消除熱應力的方法是有控制地重新對各部分進行加熱及冷卻，達到各部分的相互協調。本發明中三束光分別針對不同區域進行處理，其中，中央光束對應焊縫、光束a、b對應熱影響區、光束C、d對應母材，采用不同的光斑直徑和激光強度既針對又相互協調地進行同步處理，可以有效消除殘余熱應力。
[0027]脈沖磁處理著眼于焊管焊接殘余應力中的組織應力，因為焊縫的組織應力在微觀上由晶粒、亞晶與滑移面所包圍的體積內的作用力以及更微小范圍內原子偏離平衡狀態而處于亞穩態造成的殘余畸變等組成，因為組織應力一直難以有效消除。在強脈沖磁場中，伴隨磁化作用，鐵磁性材料中會發生包括磁致伸縮、磁疇疇壁遷移、磁矩轉動、磁疇越過阻礙或脫離釘扎移動、合并及消失等物理變化，使得材料內部微區應力狀態隨之發生變化，從而導致金屬內部發生彌散分布性的微區塑性變形而產生應力松弛，有效消除組織應力。
[0028]實施例1
本發明的實施例的測試對象為300 X 150 X 15mm的45鋼鋼板，采用雙面自動埋弧焊將兩塊鋼板焊接，再先后進行激光處理和脈沖磁處理，采用盲孔法測量殘余應力，測量50mm、100mm、150mm、200mm和250mm處的第一主應力值。
[0029]激光處理參數確定如下:輸出功率為1kW,移動速度20mm/s，中央光束光斑直徑為8mm，光束1、2的光斑直徑為5mm，光束3、4的光斑直徑為2，搭接量為0.5mm，掃描次數為3次；脈沖磁處理參數確定如下:脈沖磁場強度為15A/ m,頻率為0.5Hz，脈寬20%，處理時間120s，掃描次數3次。殘余應力測量結果如圖2所示。
[0030]實施例2
脈沖磁處理參數同實施例1，激光處理參數中移動速度為35mm/s，掃描次數為5次，其余參數不變。殘余應力測量結果如圖3所示。
[0031]實施例3
激光處理參數同實施例1，脈沖磁處理參數中處理時間90s，掃描次數5次，其余參數不變。殘余應力測量結果如圖4所示。
【權利要求】
1.一種基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:包括分激光處理和脈沖磁處理，具體是按以下步驟進行的: (1)、激光處理:利用分光鏡對激光器發射的原始激光束進行分光，經過第一光柵形成三束光，分別為中央光束、光束a、b和光束C、d，之后通過反光鏡和第二光柵控制三束光的光斑大小和位置； (2)、脈沖磁處理:脈沖放電裝置通過不同形式的磁化器進行脈沖放電，從而產生強脈沖磁場，對焊管焊縫進行脈沖磁處理，即磁頭輸出具有脈沖磁處理參數的脈沖磁對焊縫進行掃描處理。
2.如權利要求1所述的基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:激光處理的步驟是:首先，依據焊縫實際寬度，調整三束光的光斑直徑，使得激光可照射到焊縫、熱影響區和母材；其次，調整輸出功率，使三束光的強度依次減小；再次，確定三束光之間的搭接量，使光斑有交匯；最后，使三束光同步對焊縫區域進行掃描。
3.如權利要求1所述的基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:脈沖磁處理的步驟是:首先，確定脈沖磁場方向為垂直于焊縫方向；然后調整脈沖磁參數沿焊縫方向對焊縫進行處理。
4.如權利要求1所述的基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:激光處理采用連續方式二氧化碳激光器。
5.如權利要求2所述的基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:三束光并行進行掃描，并根據焊接接頭的具體尺寸，確定激光處理參數。
6.如權利要求5所述的基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:激光處理參數包括激光器的輸出功率、移動速度、光斑直徑、搭接量和掃描次數。
7.如權利要求6所述的基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:激光器的輸出功率為(Tl5kW，移動速度15~35mm/s，中央光束光斑直徑為(Tl5mm，光束a、b的光斑直徑為(TlOmm，光束c、d的光斑直徑為0~5臟，搭接量為0.2~1.0mm，掃描次數為3~7次。
8.如權利要求1或2所述的基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:脈沖磁處理采用低頻、高場強的窄脈沖磁場。
9.如權利要求1或2所述的基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:脈沖磁處理參 數包括脈沖磁場強度、頻率、脈寬、處理時間和掃描次數。
10.如權利要求9所述的基于激光和脈沖磁的焊管焊接殘余應力消除方法，其特征在于:脈沖磁場強度為15~16 A/ m，頻率為0.2~1.0 Hz，脈寬15%~35%，處理時間90~150s，掃描次數3飛次。
【文檔編號】C21D10/00GK104131154SQ201410361316
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】姚正軍, 徐尚君 申請人:南京航空航天大學