[发明专利]一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法

说明书

技术领域

本发明专利是一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，依次通过激光对焊缝表面区域的残余热应力和通过脉冲磁对焊缝内部组织应力进行消除，使残余应力得到释放，提高焊缝的力学性能和耐腐蚀性能。

背景技术

石油和天然气作为重要能源，在我国能源结构中占有不可撼动的地位。但随着陆地油气资源的逐渐枯竭，人们把目光投向了更为广袤的海洋，预计未来五到十年，我国对海洋油气资源的开发利用将迎来新一轮高峰。利用长距离的海底油气输送管线将石油和天然气从海上开采平台运送到目的地，是一种安全、高效的运输方法。这也对我国的海底油气输送用管道提出了大厚径比、高强韧和抗大变形等新要求。目前，油气输送用管道采用成型、焊接、扩径的工艺流程，其中，焊接质量关系到整个管道使用性能和寿命，而焊后热处理则是提高焊接质量的有效手段。

通常，由于焊接时的温度变化和组织变化，焊接件焊缝附近会产生热应力和组织应力，而残余应力的存在将直接导致焊缝质量的下降。残余应力的消除除了传统的热处理手段之外，近年来还出现了利用激光、高能声磁耦合、脉冲电流和超声波等先进高效地处理方法。通过检索发现，专利（孔德军, 叶存冬, 王文昌等. 一种消除X80管线钢焊接接头残余应力的方法. 申请号：201310140480.7, 申请日：2013-04-22）利用激光对X80管线钢焊接接头进行处理，残余拉应力得到释放，提高焊管抗应力腐蚀能力。但其缺点是激光处理深度浅、范围大，无法对组织应力进行有效消除。论文（林健, 赵海燕等. 脉冲磁处理法降低工程结构的焊接残余应力[J]. 清华大学学报(自然科学版). 2007, 47(2).）提出了利用脉冲磁对焊缝进行处理的想法并采用模拟方法对应力较大处进行了脉冲磁处理，发现脉冲磁处理可有效降低残余应力。但是，由于脉冲磁不产生温度变化，无法对热应力进行有效消除。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，将激光和脉冲磁进行有效结合，达到有效消除热应力和组织应力的目的。

一种基于激光和脉冲磁的焊管焊接残余应力消除方法，包括分激光处理和脉冲磁处理，具体是按以下步骤进行的：

（1）、激光处理：利用分光镜对激光器发射的原始激光束进行分光，经过第一光栅形成三束光，分别为中央光束、光束a、b和光束c、d，之后通过反光镜和第二光栅控制三束光的光斑大小和位置；

（2）、脉冲磁处理：脉冲放电装置通过不同形式的磁化器进行脉冲放电，从而产生强脉冲磁场，对焊管焊缝进行脉冲磁处理，即磁头输出具有脉冲磁处理参数的脉冲磁对焊缝进行扫描处理。

激光处理的步骤是：首先，依据焊缝实际宽度，调整三束光的光斑直径，使得激光可照射到焊缝、热影响区和母材；其次，调整输出功率，使三束光的强度依次减小；再次，确定三束光之间的搭接量，使光斑有交汇；最后，使三束光同步对焊缝区域进行扫描。

脉冲磁处理的步骤是：首先，确定脉冲磁场方向为垂直于焊缝方向；然后调整脉冲磁参数沿焊缝方向对焊缝进行处理。

激光处理采用连续方式二氧化碳激光器。

三束光并行进行扫描，并根据焊接接头的具体尺寸，确定激光处理参数。

激光处理参数包括激光器的输出功率、移动速度、光斑直径、搭接量和扫描次数。

激光器的输出功率为0~15kW，移动速度15~35mm/s，中央光束光斑直径为0~15mm，光束a、b的光斑直径为0~10mm，光束3、4的光斑直径为0~5mm，搭接量为0.2~1.0mm，扫描次数为3~7次。

脉冲磁处理采用低频、高场强的窄脉冲磁场。

脉冲磁处理参数包括脉冲磁场强度、频率、脉宽、处理时间和扫描次数。

脉冲磁场强度为10⁵~10⁶ A/ m，频率为0. 2~1.0 Hz，脉宽15%~35%，处理时间90~150s，扫描次数3~6次。

本发明的有益效果是：

本发明将激光处理与脉冲磁处理相互结合，以激光处理对应热应力，以脉冲磁处理对应组织应力，既有采用激光处理的表面处理，又有采用脉冲磁处理的内部处理；同时，激光处理覆盖面可涵盖焊缝、热影响区和母材，达到全部处理，而脉冲磁可以针对残余应力较大处进行重点处理。因此，两者的结合可有效消除焊管焊接残余应力。

附图说明

图1为本发明中激光处理的工作示意图；

图2为实施例1中残余应力测量结果图；

图3为实施例2中残余应力测量结果图；