一种高级别管线钢的激光焊接方法与流程

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焊接方法，该方法利用激光作为热源焊接高级别管线钢，适用于4.5～25mm的中厚材料长直焊缝的一次成型和25～100mm的大管径大壁厚管道的打底焊。

本发明的目的是这样实现的：一种高级别管线钢的激光焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、焊接方式选择，按照焊件的壁厚和管径选定适用的焊接方式；

步骤二、坡口加工，根据选定的焊接方式在焊件的待焊部位加工出坡口，坡口的钝边厚度为1～15mm，坡口的间隙为0～0.2mm，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、设备参数设定及机器人焊接编程，激光功率设置为1～10kw，离焦量设置为-5～10mm，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激光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、激光焊接，焊接时保持激光与焊件表面的垂线之间的夹角为0°～30°，成型。

优选地，焊件的壁厚小于8mm时，采用单面焊双面成型的焊接方式；焊件的壁厚在8～15mm时，当焊件的管径小于1000mm时，打底焊采用单面焊双面成型的焊接方式，当焊件的管径大于等于1000mm时，打底焊采用单面焊双面成型或双面焊的焊接方式；焊件的壁厚在15mm以上时，当焊件的管径小于1000mm时，打底焊采用单面焊双面成型的焊接方式，当焊件的管径大于等于1000mm时，打底焊采用单面焊双面成型或双面焊的焊接方式。

优选地，焊件的壁厚小于8mm时，坡口的形状为i型，坡口的间隙0～0.2mm；焊件的壁厚在8～15mm时，当焊件的管径小于1000mm时，坡口的形状为y型、u型或复合型，坡口的间隙为0～0.2mm，当焊件的管径大于等于1000mm时，坡口的形状为i型、y型、u型或复合型，坡口的间隙为0～0.2mm；焊件的壁厚在15mm以上时，当焊件的管径小于1000mm时，坡口的形状为y型、u型或复合型，坡口的间隙0～0.2mm，当焊件的管径大于等于1000mm时，坡口的形状为u型、x型、y型或复合型，坡口的间隙0～0.2mm。

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，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，步骤五中，焊接时保持激光与焊件表面的垂线之间的夹角为5°。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明具有激光能量密度高、焊接速度快、热输入小、变形小、焊接效率高等优点；

2、本发明对大口径大壁厚管线钢采用厚钝边窄间隙坡口，钝边厚度增大，降低了焊材的填充量，采用激光焊降低了焊接热输入，进而降低了焊接变形；

3、本发明通过对焊接过程中激光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。

附图说明

图1为高级别管线刚激光焊示意图；

图2为激光焊接流程图；

图3为激光焊原理示意图；

图4为激光焊机器人焊接程序；

图5a为x80管线钢y型坡口；

图5b为x100管线钢i型坡口；

图6a为x80管线钢激光焊打底焊道正面成型效果图；

图6b为x80管线钢激光焊打底焊道背面成型效果图；

图6c为x80管线钢激光焊焊缝截面宏观金相；

图7a为x100管线钢激光焊正面成型效果图；

图7b为x100管线钢激光焊背面成型效果图；

图7c为x100管线钢激光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，焊件是取自φ1219×18.4mm的x80管线钢管道，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。

焊接方式选择，焊件壁厚18.4mm大于15mm，且管径1219mm大于1000mm，选定单面焊双面成型的焊接方式。

坡口加工，采用机械方式加工如图5a所示坡口，坡口的钝边厚度为8mm，坡口形状为y型，坡口的角度为20°。

设备参数设定及机器人焊接编程，本实施例中焊接平台采万瓦级碟片激光器、大功率激光头、高精度六轴机械臂、两轴变位机和焊接工装夹具，其中，离焦量为-5～-4mm，保护气体采用高纯氩气，气体流量25l/min，背面保护气流量20l/min，打底焊：激光功率8kw，焊接速度0.035m/min，机器人焊接程序采用图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，长焦距可以避免焊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。

激光焊接，焊接时，保持激光倾角即激光与焊件表面的垂线之间的夹角为5°，在保证设备参数和焊件装夹准确无误后，操作人员退到激光焊防护装置以外，启动激光焊机器人焊接程序，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，焊接过程中飞溅小，无咬边、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。

激光焊接的原理如图3所示，高能激光束从激光器经过光缆和聚焦透镜聚焦到焊件上，焊件在高能激光束产生的光致等离子体和“匙孔”效应的协同作用下形成焊接熔池，熔池中的液态金属在体积力和表面力的综合作用下发生流动，并随热源的远离而冷却形成焊缝。

实施例2

本实施例中，焊件是取自φ1219×12.8mm的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150×50×12.8mm。

焊接方式选择，焊件壁厚12.8mm在8～15mm之间，管径1219mm大于1000mm，选定双面焊成型的焊接方式。

坡口加工，采用机械方式加工如图5b所示坡口，坡口的形状为i型，间隙为0～0.2mm。

设备参数设定及机器人焊接编程，本实施例中焊接平台与实施例1中的焊接平台相同，其中，离焦量为-5～-4mm，保护气体采用高纯氩气，气体流量25l/min，正面焊：激光功率8kw，焊接速度0.035m/min；背面焊：激光功率10kw，焊接速度0.035m/min，机器人焊接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。

激光焊接，焊接时，保持激光倾角即激光与焊件表面的垂线之间的夹角为5°，在保证设备参数和焊件装夹准确无误后，操作人员退到激光焊防护装置以外，启动激光焊机器人焊接程序，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7a和图7b所示，可以看出首层熔透良好，成型美观，焊接过程中，飞溅小，无咬边、裂纹等缺陷；从图7c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。