一种高级别管线钢的激光‑电弧复合焊接方法与流程

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种高级别管线钢的激光-电弧复合焊接方法。

背景技术：

伴随油气管线建设的飞速发展，管线钢持续朝着高钢级、高强韧、高压力、大管径和大壁厚等方向发展，以降低管道建设成本和提高油气输送效率与安全性。焊接是长输管道施工的关键和核心技术，目前主要采用焊条电弧焊(smaw)、熔化极气体保护焊(gmaw)、埋弧焊(saw)等电弧焊技术。

由于电弧焊能量密度和熔透能力的限制，在大管径大壁厚管线钢焊接中，主要采用增大热输入和多层多道焊保障焊接质量和提高焊接效率，但是伴生的热影响区宽和粗晶区组织恶化的现象导致焊接接头强韧性不足，严重影响管线钢焊接接头的服役可靠性与耐久性，无法适应未来大管径大壁厚管道施工对管线钢焊接强韧性和效率的要求。

鉴于现有技术仍未解决x80、x90、x100、x120等高级别管线钢焊接中的质量和效率等问题，研发一种新的高级别管线钢焊接工艺成为当务之急。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高级别管线钢的激光-电弧复合焊接方法，该方法利用激光和电弧组成的复合热源同时熔化焊件的待焊部位和焊丝形成焊缝从而实现焊接，满足了高级别管线钢的焊接需求。

本发明的目的是这样实现的：一种高级别管线钢的激光-电弧复合焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、焊丝选择，选择与焊件的母材成份相近的焊丝；

步骤二、坡口加工，在焊件的待焊部位加工出带钝边的坡口，坡口的钝边厚度为1～8mm，坡口的形状为i型、u型、x型、y型或复合型，其中x型和y型坡口的角度范围为5°～60°；

步骤三、设备参数设定及焊接机器人编程，焊丝的干伸长设置为10～25mm，光丝间距设置为0～5mm，离焦量设置为-5～10mm，送丝速度设置0.5～22m/min，激光功率设置为0.2～10kw，焊接电流设置为20～500a，焊接速度设置为0.3～6m/min，并依据焊接路径、焊接次序和焊接方向编写机器人复合焊程序并示教目标点；

步骤四、焊前准备，使用夹具将焊件装夹固定，并对焊件进行打磨清理；

步骤五、激光-电弧复合焊接，焊接时保持激光沿焊接方向位于电弧的前方，激光与焊件表面的垂线之间的夹角设置为0°～30°，电弧与焊件表面的垂线之间的夹角设置为0°～45°，激光和电弧同步加热焊件的待焊部位，成型。

优选地，焊接时，向焊接部位输送保护气，保护气为氩气、氦气或者氩氦混合气，气流量大小15～35l/min。

优选地，焊接时，采用多层多道焊接方式，层间温度设置为100～150℃。

优选地，每道焊接完成后对层间焊缝进行清理。确保无氧化皮、夹杂等污染物。

优选地，多层多道焊分别为打底焊、填充焊和盖面焊，其中，打底焊的激光功率为3～10kw，焊接电流为130～300a，焊接速度为0.8～3m/min；填充焊的激光功率为1～8kw，焊接电流为180～270a，焊接速度为0.3～3m/min；盖面焊的激光功率为1～8kw，焊接电流为250～350a，焊接速度为0.3～3m/min。

优选地，步骤四中，对焊件的坡口周围20mm的范围进行打磨清理，直到露出金属光泽。确保无油、水等污染物。

优选地，步骤四中，采用刚性固定、反变形固定或者刚性固定结合反变形固定的方式对焊件装夹固定，其中反变形角度设置为2°～10°。

优选地，焊件厚度在5mm以下时，采用单面焊双面成型方式焊接，所述坡口为i型或y型，所述钝边厚度为1～3mm；焊件厚度为5mm至10mm之间时，所述坡口为y型，所述钝边厚度为3～5mm；焊件厚度为10mm以上时，采用单面焊双面成型或双面焊方式焊接，所述坡口为u型、x型、y型或复合坡口，所述钝边厚度为3～8mm。

优选地，步骤五中，焊接时激光与焊件表面的垂线之间的夹角为5°，电弧与焊件表面的垂线之间的夹角为35°。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明高级别管线钢的激光-电弧复合焊接方法不仅具有激光焊接能量密度高、焊接速度快、热影响区窄和焊接效率高等优点，又具有电弧焊接搭桥能力好、对间隙要求低、可使用填充材料来改善焊缝冶金性能的优点；

2、通过焊接过程中对激光-电弧复合焊工艺参数的优化控制，避免了焊接中气孔、裂纹和咬边等缺陷的产生；

3、本发明焊接时保持激光沿焊接方向位于电弧的前方，避免了激光在后时焊缝表面容易出现沟槽的现象，激光在前电弧在后，电弧作用面积大，热源移走后焊缝冷却慢，有利于熔池中气泡的溢出，降低了气孔缺陷。

附图说明

图1为高级别管线刚激光-电弧复合焊示意图；

图2为激光-电弧复合焊接流程图；

图3a为激光-电弧复合焊原理示意图；

图3b为激光-电弧复合焊核心工艺参数；

图4为激光-电弧复合焊机器人焊接程序；

图5a为x80/x90管线钢y型坡口；

图5b为x100管线钢i型坡口；

图6a为x80管线钢复合焊填充焊道成型效果图；

图6b为x80管线钢复合焊最终焊缝成型效果图；

图6c为x80管线钢复合焊焊缝截面宏观金相；

图7a为x90管线钢复合焊填充焊道成型效果图；

图7b为x90管线钢复合焊最终焊缝成型效果图；

图8a为x100管线钢复合焊正面成型效果图；

图8b为x100管线钢复合焊背面成型效果图；

图8c为x100管线钢复合焊焊缝截面宏观金相。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

实施例1

本实施例中，焊件为x80管线钢，其化学成分(wt％)为：c0.079％、mn1.50％、p0.023％、s0.007％、si0.274％、nb0.019％、v0.016％、ti0.015％、n0.002％、cr0.067％、mo0.324％、ni0.131％，焊件尺寸为150×50×18.4mm。

焊丝选择，选用awsa5.28：er80s-g焊丝，其化学成分(wt％)为：c0.06％、si0.71％、mn1.57％、p0.007％、s0.009％、cr0.02％、mo0.01％、ni0.91％、cu0.03％，焊丝直径1.2mm。

坡口加工，如图5a，坡口的钝边厚度为8mm，坡口形状为y型，坡口的角度为20°。

设备参数设定及焊接机器人编程，本实施例中焊接平台采用万瓦级碟片激光器、全数字化弧焊电源、大功率复合头、高精度六轴机械臂、两轴变位机和焊接工装夹具，其中，焊丝的干伸长为15～20mm，光丝间距为0.8～1.2mm，离焦量为-5～-4mm，焊接电流为500a，保护气体采用高纯氩气，打底焊：激光功率4.3kw，激光波长为1030nm，焊接速度2m/min，送丝速度6m/min；填充焊：激光功率5kw，焊接速度1.5m/min，送丝速度6m/min；盖面焊：激光功率5.6kw，焊接速度1m/min，送丝速度7m/min，机器人复合焊程序采用图4的焊接程序。本实施例中，大功率复合头的聚焦透镜焦距为300mm的长焦距，长焦距相比短焦距而言，激光束焦点到复合头之间距离变大，激光和电弧两热源的相对位置调节范围变大，焊接能力增强；其二，长焦距也使复合头调节更为灵活，焊接可达性更好，比如可以焊接较为复杂、可达性差的结构件，可从不同焊接方向焊接不同的位置；其三，长焦距可以避免焊接过程的烟尘和飞溅进入激光镜头，延长复合头使用寿命；其四，长焦距可以避免工件反射的激光束进入聚焦透镜，干扰设备稳定性。

焊前准备，坡口焊缝周围20mm内打磨至露出金属光泽，采用刚性固定的方式固定焊件，并使二焊件的带钝边坡口相对。

激光-电弧复合焊接，焊接时，沿焊接方向激光在前，电弧在后，激光与焊件表面的垂线之间的夹角为5°，电弧与焊件表面的垂线之间的夹角为35°，本实施例中，激光和电弧两热源的相对位置可调，即焊丝轴线和工件的交点与激光焦点的相对位置可调，调节范围为x(-2～2mm)、y(-1～6mm)、z(-20～10mm)，另外还采用非常稳定的推拉式送丝机构。焊接时，在保证设备参数和焊件装夹准确无误后，操作人员退到复合焊防护装置以外，启动复合焊机器人焊接程序，待焊接程序运行完毕，机器人复位后，方可进入焊接现场。

成型效果如图6a和图6b所示，首层熔透良好，成型美观，焊接过程中电弧稳定，飞溅小，焊接中呈现典型的射流过渡；盖面焊，飞溅小，成型良好，无咬边、裂纹、驼峰等缺陷；从图6c可以看出焊缝完好无气孔、未熔合等内部缺陷，且焊缝深宽比较大，对大厚材料焊接极具优势。

激光-电弧复合焊接的原理如图3a所示，恒定电流通过导电嘴7施加到电极2。在电极2和焊件6之间产生电弧等离子体8。焊丝作为电极2被连续向焊件6方向送进，并因为高温电弧的热效应和大电流下的焊丝电阻热电极尖端熔化形成液态熔滴4。熔滴4在电极2末端不断长大，然后分离并被快速转移到焊件6上。在高温熔滴的连续高速冲击、动态的高温高压电弧等离子体8和高能激光束9产生的光致等离子体10和“匙孔”12效应的协同作用下，在焊件6上形成焊接熔池。熔池5中的液态金属在体积力和表面力的综合作用下发生流动，并随复合热源的远离而冷却形成焊缝3。保护气体11通过保护气喷嘴1提供，用于防止熔融金属氧化。

实施例2

本实施例中，焊件为x90管线钢，其化学成分(wt％)为：c0.04％、si0.24％、cr0.23％、mo0.24％、ni0.30％、cu0.30％、nb0.08％，焊件尺寸为150×50×18.4mm。

焊丝选择，选用awsa5.28：er80s-g焊丝，其化学成分(wt％)为：c0.06％、si0.71％、mn1.57％、p0.007％、s0.009％、cr0.02％、mo0.01％、ni0.91％、cu0.03％，焊丝直径1.2mm。

坡口加工，如图5a，坡口的钝边厚度为8mm，坡口形状为y型，坡口的角度为20°。

设备参数设定及焊接机器人编程，本实施例中焊接平台与实施例1中的焊接平台相同，其中，焊丝的干伸长为15～20mm，光丝间距为0.8～1.2mm，离焦量为-5～-4mm，焊接电流为500a，保护气体采用高纯氩气，填充焊：激光功率5kw，焊接速度1.5m/min，送丝速度5m/min；盖面焊：激光功率6.2kw，焊接速度1.25m/min，送丝速度8m/min，机器人复合焊程序采用上述焊接程序。

焊前准备，坡口焊缝周围20mm内打磨至露出金属光泽，采用刚性固定的方式固定焊件，并使二焊件的带钝边坡口相对。

激光-电弧复合焊接，焊接时，沿焊接方向激光在前，电弧在后，激光与焊件表面的垂线之间的夹角为5°，电弧与焊件表面的垂线之间的夹角为35°，在保证设备参数和工件装夹准确无误后，操作人员退到复合焊防护装置以外，启动机器人复合焊焊接程序，待焊接程序运行完毕，机器人复位后，方可进入焊接现场。

成型效果如图7a和图7b所示，首层熔透良好，成型美观，焊接过程中电弧稳定，飞溅小，焊接中呈现典型的射流过渡；盖面焊，飞溅小，成型良好，无咬边、裂纹、驼峰等缺陷。

实施例3

本实施例中，焊件为x100管线钢，其化学成分(wt％)为：c0.064、mn1.87％、p0.009％、si0.099％、nb0.017％、v0.002％、ti0.017％、n0.003％、cr0.023％、mo0.23％、ni0.47％，焊件尺寸为150×50×18.4mm。

焊丝选择，选用awsa5.28：er80s-g焊丝，其化学成分(wt％)为：c0.06％、si0.71％、mn1.57％、p0.007％、s0.009％、cr0.02％、mo0.01％、ni0.91％、cu0.03％，焊丝直径1.2mm。

坡口加工，如图5b，坡口形状为i型。

设备参数设定及焊接机器人编程，本实施例中焊接平台与实施例1中的焊接平台相同，其中，焊丝的干伸长为15～20mm，光丝间距为0.8～1.2mm，离焦量为-5～-4mm，焊接电流为500a，保护气体采用高纯氩气，双面焊：激光功率6.25kw，焊接速度1.25m/min，送丝速度6.7m/min，机器人复合焊程序采用上述焊接程序。

焊前准备，坡口焊缝周围20mm内打磨至露出金属光泽，采用刚性固定的方式固定焊件，并使二焊件的带钝边坡口相对。

激光-电弧复合焊接，焊接时，沿焊接方向激光在前，电弧在后，激光与焊件表面的垂线之间的夹角为5°，电弧与焊件表面的垂线之间的夹角为35°，在保证设备参数和工件装夹准确无误后，操作人员退到复合焊防护装置以外，启动机器人复合焊焊接程序，待焊接程序运行完毕，机器人复位后，方可进入焊接现场。

成型效果如图8a和图8b所示，可以看出首层熔透良好，成型美观，焊接过程中电弧稳定，飞溅小，焊接中呈现典型的射流过渡；盖面焊，飞溅小，成型良好，无咬边、裂纹、驼峰等缺陷；从图8c可以看出焊缝完好无气孔、未熔合等内部缺陷，且焊缝深宽比较大，对大厚材料焊接极具优势。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。