[發明專利]激光熱處理改善X80管線鋼焊接接頭性能的方法

有效

• 申請號: 201410046152.5
• 申請日: 2014-02-10
• 公開（公告）號: CN103785958B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: 孔德軍;葉存冬;王文昌;付貴忠;張壘;王進春
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: B23K26/70
• 分類號: B23K26/70
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明專利涉及X80管線鋼，特指一種利用激光熱處理效應改善X80管線鋼焊接接頭性能的方法；經激光熱處理處理后，X80管線鋼焊接接頭晶粒細化，消除焊后殘余拉應力，在表層形成一定深度的殘余壓應力，有利提高管線鋼焊管力學性能；本專利是利用寬帶掃描轉鏡生成寬帶激光光斑，并利用激光熱效應對焊接接頭表面進行改性處理的方法，屬于先進材料表面改性處理領域。

背景技術

管線鋼在成型過程中需要經過焊接工藝，會引起組織粗大，引起殘余拉應力等缺陷，嚴重的影響了管線鋼的安全使用性能；激光熱處理技術是一種新型的熱處理技術，具有加熱速度快，重復性強等特點；然而受到激光光斑大小的限制，直接使用聚焦激光光斑進行熱處理時，單位時間內熱處理面積較小，總體效率較低，因此如何提高激光熱處理效率成為人們研究的重點；隨著大功率CO₂激光器問世，寬帶掃描轉鏡用來生成大光斑能夠達到預期的熱處理效果，并極大的提高了激光熱處理的效率；本發明專利提出把激光分束后，重新聚焦成兩束激光，然后使用寬帶掃描轉鏡同時對兩束激光進行大光斑轉化，利用兩束轉化后的激光同時對X80管線鋼焊接接頭進行熱處理，進一步提高激光熱處理的效率。

發明內容

本發明專利采用大功率CO₂激光器生成激光束，并利用分光鏡對激光束進行分束，把激光分成功率相同的兩束，利用聚焦鏡對兩束分散的光束重新聚焦，然后使用寬帶掃描轉鏡對兩束聚焦后的光束進行光斑轉化，生成寬帶型激光光斑，達到單位時間內熱處理面積增大的目的，在激光熱處理過程中，使兩束激光并行進行熱處理，根據焊接接頭的具體尺寸，確定光斑尺寸。

本發明提供激光熱處理改善X80管線鋼焊接接頭性能的方法，其特征在于：將激光器發出的激光束經反光鏡反射，照射到分光鏡上，分光鏡把經反光鏡反射的激光分成兩束光，經分光鏡反射后的激光照射到聚焦鏡上，聚合后的兩束激光束照射到寬帶掃描轉鏡上，通過寬帶掃描轉鏡的高速旋轉在工件表面上形成帶型光斑，使工件與光斑相對移動，進而完成熱處理。

進一步地，在激光熱處理過程中，X80管線鋼管線焊管水平放置在V型固定支座上，用定位標桿對焊縫位置進行定位，保證焊接接頭位于正上方，以方便熱處理過程的進行。

進一步地，所述激光器為大功率CO₂激光器，功率10kW。

進一步地，激光熱處理工藝參數為：激光器的輸出功率為7kW，寬帶掃描轉鏡掃描頻率選取7×10⁴次/分鐘，掃描速度為12mm/s，調整分光鏡鍥形角的大小、調整寬帶掃描轉鏡轉鏡的偏移角和選擇相應規格的寬帶掃描轉鏡，使得帶型光斑的寬度為3mm，帶型光斑的長度為15mm，使得光斑產生相對1mm的疊加量。

如圖1所示，激光器發射高能激光經反射鏡反射，照射到分光鏡上，分光鏡把經反光鏡反射的激光分成兩束光，經分光鏡反射后的激光照射到聚焦鏡上，激光會重新聚合成高能量密度的激光束，聚合后的激光束照射到寬帶掃描轉鏡上，通過寬帶掃描轉鏡的高速旋轉形成帶型光斑，使工件與光斑相對移動，進而完成熱處理；通過調整分光鏡鍥形角的大小可以調整兩束激光間的相對位置，同時調整寬帶掃描轉鏡的相對位置使聚焦好的光束照射到寬帶掃描轉鏡的棱鏡面上，選取不同規格的寬帶掃描轉鏡，可以獲得不同長度的光斑，其中光斑長度連續可調，調整寬帶掃描轉鏡的偏移角可以調整光斑的寬度。

在激光熱處理過程中，X80管線鋼管線焊管水平放置在V型固定支座上，用定位標桿對焊縫位置進行定位，保證焊接接頭位于正上方，以方便熱處理過程的進行。

附圖說明

圖1?激光熱處理示意圖；1-激光器；2-反光鏡；3-分光鏡；4-工件；5-寬帶掃描轉鏡；6-聚焦鏡。

圖2?寬帶掃描轉鏡工作原理圖，聚焦激光束入射到寬帶掃描轉鏡上，使多面轉鏡以角速度ω高速轉動，激光以弧扇面向下反射，就會在工作面上形成一條矩形光斑，調整轉鏡的旋轉軸的偏移角可以調整矩形光斑的寬度。

圖3?管線鋼焊管定位與裝夾示意圖。

圖4?激光熱處理局部示意圖。

圖5?金相組織對比圖；(a)?原始狀態，(b)?激光熱處理后。

圖6?激光熱處理前后殘余應力對比圖；(a)?原始狀態(b)?激光熱處理后。

具體實施方式

（1）焊管定位與裝夾：X80管線鋼焊管放置在V型定位裝置上，保證焊接接頭與定位標桿在同一直線位置，管線鋼焊管通過自重進行夾緊，如圖3所示。