本發(fā)明屬于先進制造技術領域，涉及一種高級別管線鋼的激光焊接方法。

背景技術：

伴隨油氣管線建設的飛速發(fā)展，管線鋼持續(xù)朝著高鋼級、高強韌、高壓力、大管徑和大壁厚等方向發(fā)展，以降低管道建設成本和提高油氣輸送效率與安全性。焊接是長輸管道施工的關鍵和核心技術，目前主要采用焊條電弧焊(smaw)、熔化極氣體保護焊(gmaw)、埋弧焊(saw)等電弧焊技術。

由于電弧焊能量密度和熔透能力的限制，在大管徑大壁厚管線鋼焊接中，主要采用增大熱輸入和多層多道焊保障焊接質(zhì)量和提高焊接效率，但是伴生的熱影響區(qū)寬和粗晶區(qū)組織惡化的現(xiàn)象導致焊接接頭強韌性不足，嚴重影響管線鋼焊接接頭的服役可靠性與耐久性，無法適應未來大管徑大壁厚管道施工對管線鋼焊接強韌性和效率的要求。

鑒于現(xiàn)有技術仍未解決x80、x90、x100、x120等高級別管線鋼焊接中的質(zhì)量和效率等問題，研發(fā)一種新的高級別管線鋼焊接工藝成為當務之急。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種高級別管線鋼的激光焊接方法，該方法利用激光作為熱源焊接高級別管線鋼，適用于4.5～25mm的中厚材料長直焊縫的一次成型和25～100mm的大管徑大壁厚管道的打底焊。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種高級別管線鋼的激光焊接方法，包括以下步驟：

步驟一、焊接方式選擇，按照焊件的壁厚和管徑選定適用的焊接方式；

步驟二、坡口加工，根據(jù)選定的焊接方式在焊件的待焊部位加工出坡口，坡口的鈍邊厚度為1～15mm，坡口的間隙為0～0.2mm，坡口的形狀為i型、u型、x型、y型或復合型，其中x型和y型坡口的角度范圍為5°～60°；

步驟三、設備參數(shù)設定及機器人焊接編程，激光功率設置為1～10kw，離焦量設置為-5～10mm，焊接速度設置為0.3～6m/min，并依據(jù)焊接路徑、焊接次序和焊接方向編寫機器人激光焊程序并示教目標點；

步驟四、焊前準備，使用夾具將焊件裝夾固定，并對焊件進行打磨清理；

步驟五、激光焊接，焊接時保持激光與焊件表面的垂線之間的夾角為0°～30°，成型。

優(yōu)選地，焊件的壁厚小于8mm時，采用單面焊雙面成型的焊接方式；焊件的壁厚在8～15mm時，當焊件的管徑小于1000mm時，打底焊采用單面焊雙面成型的焊接方式，當焊件的管徑大于等于1000mm時，打底焊采用單面焊雙面成型或雙面焊的焊接方式；焊件的壁厚在15mm以上時，當焊件的管徑小于1000mm時，打底焊采用單面焊雙面成型的焊接方式，當焊件的管徑大于等于1000mm時，打底焊采用單面焊雙面成型或雙面焊的焊接方式。

優(yōu)選地，焊件的壁厚小于8mm時，坡口的形狀為i型，坡口的間隙0～0.2mm；焊件的壁厚在8～15mm時，當焊件的管徑小于1000mm時，坡口的形狀為y型、u型或復合型，坡口的間隙為0～0.2mm，當焊件的管徑大于等于1000mm時，坡口的形狀為i型、y型、u型或復合型，坡口的間隙為0～0.2mm；焊件的壁厚在15mm以上時，當焊件的管徑小于1000mm時，坡口的形狀為y型、u型或復合型，坡口的間隙0～0.2mm，當焊件的管徑大于等于1000mm時，坡口的形狀為u型、x型、y型或復合型，坡口的間隙0～0.2mm。

優(yōu)選地，焊接時，向焊接部位輸送保護氣，保護氣為氬氣、氦氣或者氬氦混合氣，氣流量大小15～35l/min。

優(yōu)選地，步驟四中，對焊件的坡口周圍20mm的范圍進行打磨清理，直到露出金屬光澤。確保無油、水等污染物。

優(yōu)選地，步驟四中，采用剛性固定、反變形固定或者剛性固定結(jié)合反變形固定的方式對焊件裝夾固定，其中反變形角度設置為2°～10°。

優(yōu)選地，步驟五中，焊接時保持激光與焊件表面的垂線之間的夾角為5°。

由于采用了上述技術方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明具有激光能量密度高、焊接速度快、熱輸入小、變形小、焊接效率高等優(yōu)點；

2、本發(fā)明對大口徑大壁厚管線鋼采用厚鈍邊窄間隙坡口，鈍邊厚度增大，降低了焊材的填充量，采用激光焊降低了焊接熱輸入，進而降低了焊接變形；

3、本發(fā)明通過對焊接過程中激光焊工藝參數(shù)的優(yōu)化控制，避免了焊接中氣孔、裂紋和咬邊等缺陷的產(chǎn)生。

附圖說明

圖1為高級別管線剛激光焊示意圖；

圖2為激光焊接流程圖；

圖3為激光焊原理示意圖；

圖4為激光焊機器人焊接程序；

圖5a為x80管線鋼y型坡口；

圖5b為x100管線鋼i型坡口；

圖6a為x80管線鋼激光焊打底焊道正面成型效果圖；

圖6b為x80管線鋼激光焊打底焊道背面成型效果圖；

圖6c為x80管線鋼激光焊焊縫截面宏觀金相；

圖7a為x100管線鋼激光焊正面成型效果圖；

圖7b為x100管線鋼激光焊背面成型效果圖；

圖7c為x100管線鋼激光焊焊縫截面宏觀金相。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步詳細說明。

實施例1

本實施例中，焊件是取自φ1219×18.4mm的x80管線鋼管道，其化學成分(wt％)為：c0.079％、mn1.50％、p0.023％、s0.007％、si0.274％、nb0.019％、v0.016％、ti0.015％、n0.002％、cr0.067％、mo0.324％、ni0.131％，焊件尺寸為150×50×18.4mm。

焊接方式選擇，焊件壁厚18.4mm大于15mm，且管徑1219mm大于1000mm，選定單面焊雙面成型的焊接方式。

坡口加工，采用機械方式加工如圖5a所示坡口，坡口的鈍邊厚度為8mm，坡口形狀為y型，坡口的角度為20°。

設備參數(shù)設定及機器人焊接編程，本實施例中焊接平臺采萬瓦級碟片激光器、大功率激光頭、高精度六軸機械臂、兩軸變位機和焊接工裝夾具，其中，離焦量為-5～-4mm，保護氣體采用高純氬氣，氣體流量25l/min，背面保護氣流量20l/min，打底焊：激光功率8kw，焊接速度0.035m/min，機器人焊接程序采用圖4的焊接程序。本實施例中，大功率復合頭的聚焦透鏡焦距為300mm的長焦距，長焦距相比短焦距而言，激光束焦點到復合頭之間距離變大，激光和電弧兩熱源的相對位置調(diào)節(jié)范圍變大，焊接能力增強；其二，長焦距也使復合頭調(diào)節(jié)更為靈活，焊接可達性更好，比如可以焊接較為復雜、可達性差的結(jié)構件，可從不同焊接方向焊接不同的位置；其三，長焦距可以避免焊接過程的煙塵和飛濺進入激光鏡頭，延長復合頭使用壽命；其四，長焦距可以避免焊件反射的激光束進入聚焦透鏡，干擾設備穩(wěn)定性。

焊前準備，坡口焊縫周圍20mm內(nèi)打磨至露出金屬光澤，采用剛性固定的方式固定焊件，并使二焊件的帶鈍邊坡口相對。

激光焊接，焊接時，保持激光傾角即激光與焊件表面的垂線之間的夾角為5°，在保證設備參數(shù)和焊件裝夾準確無誤后，操作人員退到激光焊防護裝置以外，啟動激光焊機器人焊接程序，待焊接程序運行完畢，機器人復位后，方可進入焊接現(xiàn)場。

成型效果如圖6a和圖6b所示，首層熔透良好，成型美觀，焊接過程中飛濺小，無咬邊、駝峰等缺陷；從圖6c可以看出焊縫完好無氣孔、未熔合等內(nèi)部缺陷，且焊縫深寬比較大，對大厚材料焊接極具優(yōu)勢。

激光焊接的原理如圖3所示，高能激光束從激光器經(jīng)過光纜和聚焦透鏡聚焦到焊件上，焊件在高能激光束產(chǎn)生的光致等離子體和“匙孔”效應的協(xié)同作用下形成焊接熔池，熔池中的液態(tài)金屬在體積力和表面力的綜合作用下發(fā)生流動，并隨熱源的遠離而冷卻形成焊縫。

實施例2

本實施例中，焊件是取自φ1219×12.8mm的x100管線鋼，其化學成分(wt％)為：c0.064、mn1.87％、p0.009％、si0.099％、nb0.017％、v0.002％、ti0.017％、n0.003％、cr0.023％、mo0.23％、ni0.47％，焊件尺寸為150×50×12.8mm。

焊接方式選擇，焊件壁厚12.8mm在8～15mm之間，管徑1219mm大于1000mm，選定雙面焊成型的焊接方式。

坡口加工，采用機械方式加工如圖5b所示坡口，坡口的形狀為i型，間隙為0～0.2mm。

設備參數(shù)設定及機器人焊接編程，本實施例中焊接平臺與實施例1中的焊接平臺相同，其中，離焦量為-5～-4mm，保護氣體采用高純氬氣，氣體流量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，機器人焊接程序采用上述焊接程序。

焊前準備，坡口焊縫周圍20mm內(nèi)打磨至露出金屬光澤，采用剛性固定的方式固定焊件，并使二焊件的帶鈍邊坡口相對。

激光焊接，焊接時，保持激光傾角即激光與焊件表面的垂線之間的夾角為5°，在保證設備參數(shù)和焊件裝夾準確無誤后，操作人員退到激光焊防護裝置以外，啟動激光焊機器人焊接程序，待焊接程序運行完畢，機器人復位后，方可進入焊接現(xiàn)場。

成型效果如圖7a和圖7b所示，可以看出首層熔透良好，成型美觀，焊接過程中，飛濺小，無咬邊、裂紋等缺陷；從圖7c可以看出焊縫完好無氣孔、未熔合等內(nèi)部缺陷，且焊縫深寬比較大，對大厚材料焊接極具優(yōu)勢。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。