本發(fā)明屬于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高級(jí)別管線鋼的激光-電弧復(fù)合焊接方法。

背景技術(shù)：

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

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(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)韌性不足，嚴(yán)重影響管線鋼焊接接頭的服役可靠性與耐久性，無法適應(yīng)未來大管徑大壁厚管道施工對(duì)管線鋼焊接強(qiáng)韌性和效率的要求。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)仍未解決x80、x90、x100、x120等高級(jí)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(jí)別管線鋼焊接工藝成為當(dāng)務(wù)之急。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高級(jí)別管線鋼的激光-電弧復(fù)合焊接方法，該方法利用激光和電弧組成的復(fù)合熱源同時(shí)熔化焊件的待焊部位和焊絲形成焊縫從而實(shí)現(xiàn)焊接，滿足了高級(jí)別管線鋼的焊接需求。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種高級(jí)別管線鋼的激光-電弧復(fù)合焊接方法，包括以下步驟：

步驟一、焊絲選擇，選擇與焊件的母材成份相近的焊絲；

步驟二、坡口加工，在焊件的待焊部位加工出帶鈍邊的坡口，坡口的鈍邊厚度為1～8mm，坡口的形狀為i型、u型、x型、y型或復(fù)合型，其中x型和y型坡口的角度范圍為5°～60°；

步驟三、設(shè)備參數(shù)設(shè)定及焊接機(jī)器人編程，焊絲的干伸長(zhǎng)設(shè)置為10～25mm，光絲間距設(shè)置為0～5mm，離焦量設(shè)置為-5～10mm，送絲速度設(shè)置0.5～22m/min，激光功率設(shè)置為0.2～10kw，焊接電流設(shè)置為20～500a，焊接速度設(shè)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(jī)器人復(fù)合焊程序并示教目標(biāo)點(diǎn)；

步驟四、焊前準(zhǔn)備，使用夾具將焊件裝夾固定，并對(duì)焊件進(jìn)行打磨清理；

步驟五、激光-電弧復(fù)合焊接，焊接時(shí)保持激光沿焊接方向位于電弧的前方，激光與焊件表面的垂線之間的夾角設(shè)置為0°～30°，電弧與焊件表面的垂線之間的夾角設(shè)置為0°～45°，激光和電弧同步加熱焊件的待焊部位，成型。

優(yōu)選地，焊接時(shí)，向焊接部位輸送保護(hù)氣，保護(hù)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，焊接時(shí)，采用多層多道焊接方式，層間溫度設(shè)置為100～150℃。

優(yōu)選地，每道焊接完成后對(duì)層間焊縫進(jìn)行清理。確保無氧化皮、夾雜等污染物。

優(yōu)選地，多層多道焊分別為打底焊、填充焊和蓋面焊，其中，打底焊的激光功率為3～10kw，焊接電流為130～300a，焊接速度為0.8～3m/min；填充焊的激光功率為1～8kw，焊接電流為180～270a，焊接速度為0.3～3m/min；蓋面焊的激光功率為1～8kw，焊接電流為250～350a，焊接速度為0.3～3m/min。

優(yōu)選地，步驟四中，對(duì)焊件的坡口周圍20mm的范圍進(jìn)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(duì)焊件裝夾固定，其中反變形角度設(shè)置為2°～10°。

優(yōu)選地，焊件厚度在5mm以下時(shí)，采用單面焊雙面成型方式焊接，所述坡口為i型或y型，所述鈍邊厚度為1～3mm；焊件厚度為5mm至10mm之間時(shí)，所述坡口為y型，所述鈍邊厚度為3～5mm；焊件厚度為10mm以上時(shí)，采用單面焊雙面成型或雙面焊方式焊接，所述坡口為u型、x型、y型或復(fù)合坡口，所述鈍邊厚度為3～8mm。

優(yōu)選地，步驟五中，焊接時(shí)激光與焊件表面的垂線之間的夾角為5°，電弧與焊件表面的垂線之間的夾角為35°。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明高級(jí)別管線鋼的激光-電弧復(fù)合焊接方法不僅具有激光焊接能量密度高、焊接速度快、熱影響區(qū)窄和焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，又具有電弧焊接搭橋能力好、對(duì)間隙要求低、可使用填充材料來改善焊縫冶金性能的優(yōu)點(diǎn)；

2、通過焊接過程中對(duì)激光-電弧復(fù)合焊工藝參數(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；

3、本發(fā)明焊接時(shí)保持激光沿焊接方向位于電弧的前方，避免了激光在后時(shí)焊縫表面容易出現(xiàn)溝槽的現(xiàn)象，激光在前電弧在后，電弧作用面積大，熱源移走后焊縫冷卻慢，有利于熔池中氣泡的溢出，降低了氣孔缺陷。

附圖說明

圖1為高級(jí)別管線剛激光-電弧復(fù)合焊示意圖；

圖2為激光-電弧復(fù)合焊接流程圖；

圖3a為激光-電弧復(fù)合焊原理示意圖；

圖3b為激光-電弧復(fù)合焊核心工藝參數(shù)；

圖4為激光-電弧復(fù)合焊機(jī)器人焊接程序；

圖5a為x80/x90管線鋼y型坡口；

圖5b為x100管線鋼i型坡口；

圖6a為x80管線鋼復(fù)合焊填充焊道成型效果圖；

圖6b為x80管線鋼復(fù)合焊最終焊縫成型效果圖；

圖6c為x80管線鋼復(fù)合焊焊縫截面宏觀金相；

圖7a為x90管線鋼復(fù)合焊填充焊道成型效果圖；

圖7b為x90管線鋼復(fù)合焊最終焊縫成型效果圖；

圖8a為x100管線鋼復(fù)合焊正面成型效果圖；

圖8b為x100管線鋼復(fù)合焊背面成型效果圖；

圖8c為x100管線鋼復(fù)合焊焊縫截面宏觀金相。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例中，焊件為x80管線鋼，其化學(xué)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。

焊絲選擇，選用awsa5.28：er80s-g焊絲，其化學(xué)成分(wt％)為：c0.06％、si0.71％、mn1.57％、p0.007％、s0.009％、cr0.02％、mo0.01％、ni0.91％、cu0.03％，焊絲直徑1.2mm。

坡口加工，如圖5a，坡口的鈍邊厚度為8mm，坡口形狀為y型，坡口的角度為20°。

設(shè)備參數(shù)設(shè)定及焊接機(jī)器人編程，本實(shí)施例中焊接平臺(tái)采用萬瓦級(jí)碟片激光器、全數(shù)字化弧焊電源、大功率復(fù)合頭、高精度六軸機(jī)械臂、兩軸變位機(jī)和焊接工裝夾具，其中，焊絲的干伸長(zhǎng)為15～20mm，光絲間距為0.8～1.2mm，離焦量為-5～-4mm，焊接電流為500a，保護(hù)氣體采用高純氬氣，打底焊：激光功率4.3kw，激光波長(zhǎng)為1030nm，焊接速度2m/min，送絲速度6m/min；填充焊：激光功率5kw，焊接速度1.5m/min，送絲速度6m/min；蓋面焊：激光功率5.6kw，焊接速度1m/min，送絲速度7m/min，機(jī)器人復(fù)合焊程序采用圖4的焊接程序。本實(shí)施例中，大功率復(fù)合頭的聚焦透鏡焦距為300mm的長(zhǎng)焦距，長(zhǎng)焦距相比短焦距而言，激光束焦點(diǎn)到復(fù)合頭之間距離變大，激光和電弧兩熱源的相對(duì)位置調(diào)節(jié)范圍變大，焊接能力增強(qiáng)；其二，長(zhǎng)焦距也使復(fù)合頭調(diào)節(jié)更為靈活，焊接可達(dá)性更好，比如可以焊接較為復(fù)雜、可達(dá)性差的結(jié)構(gòu)件，可從不同焊接方向焊接不同的位置；其三，長(zhǎng)焦距可以避免焊接過程的煙塵和飛濺進(jìn)入激光鏡頭，延長(zhǎng)復(fù)合頭使用壽命；其四，長(zhǎng)焦距可以避免工件反射的激光束進(jìn)入聚焦透鏡，干擾設(shè)備穩(wěn)定性。

焊前準(zhǔn)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(duì)。

激光-電弧復(fù)合焊接，焊接時(shí)，沿焊接方向激光在前，電弧在后，激光與焊件表面的垂線之間的夾角為5°，電弧與焊件表面的垂線之間的夾角為35°，本實(shí)施例中，激光和電弧兩熱源的相對(duì)位置可調(diào)，即焊絲軸線和工件的交點(diǎn)與激光焦點(diǎn)的相對(duì)位置可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為x(-2～2mm)、y(-1～6mm)、z(-20～10mm)，另外還采用非常穩(wěn)定的推拉式送絲機(jī)構(gòu)。焊接時(shí)，在保證設(shè)備參數(shù)和焊件裝夾準(zhǔn)確無誤后，操作人員退到復(fù)合焊防護(hù)裝置以外，啟動(dòng)復(fù)合焊機(jī)器人焊接程序，待焊接程序運(yùn)行完畢，機(jī)器人復(fù)位后，方可進(jìn)入焊接現(xiàn)場(chǎng)。

成型效果如圖6a和圖6b所示，首層熔透良好，成型美觀，焊接過程中電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊接中呈現(xiàn)典型的射流過渡；蓋面焊，飛濺小，成型良好，無咬邊、裂紋、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(duì)大厚材料焊接極具優(yōu)勢(shì)。

激光-電弧復(fù)合焊接的原理如圖3a所示，恒定電流通過導(dǎo)電嘴7施加到電極2。在電極2和焊件6之間產(chǎn)生電弧等離子體8。焊絲作為電極2被連續(xù)向焊件6方向送進(jìn)，并因?yàn)楦邷仉娀〉臒嵝?yīng)和大電流下的焊絲電阻熱電極尖端熔化形成液態(tài)熔滴4。熔滴4在電極2末端不斷長(zhǎng)大，然后分離并被快速轉(zhuǎn)移到焊件6上。在高溫熔滴的連續(xù)高速?zèng)_擊、動(dòng)態(tài)的高溫高壓電弧等離子體8和高能激光束9產(chǎn)生的光致等離子體10和“匙孔”12效應(yīng)的協(xié)同作用下，在焊件6上形成焊接熔池。熔池5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(dòng)，并隨復(fù)合熱源的遠(yuǎn)離而冷卻形成焊縫3。保護(hù)氣體11通過保護(hù)氣噴嘴1提供，用于防止熔融金屬氧化。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中，焊件為x90管線鋼，其化學(xué)成分(wt％)為：c0.04％、si0.24％、cr0.23％、mo0.24％、ni0.30％、cu0.30％、nb0.08％，焊件尺寸為150×50×18.4mm。

焊絲選擇，選用awsa5.28：er80s-g焊絲，其化學(xué)成分(wt％)為：c0.06％、si0.71％、mn1.57％、p0.007％、s0.009％、cr0.02％、mo0.01％、ni0.91％、cu0.03％，焊絲直徑1.2mm。

坡口加工，如圖5a，坡口的鈍邊厚度為8mm，坡口形狀為y型，坡口的角度為20°。

設(shè)備參數(shù)設(shè)定及焊接機(jī)器人編程，本實(shí)施例中焊接平臺(tái)與實(shí)施例1中的焊接平臺(tái)相同，其中，焊絲的干伸長(zhǎng)為15～20mm，光絲間距為0.8～1.2mm，離焦量為-5～-4mm，焊接電流為500a，保護(hù)氣體采用高純氬氣，填充焊：激光功率5kw，焊接速度1.5m/min，送絲速度5m/min；蓋面焊：激光功率6.2kw，焊接速度1.25m/min，送絲速度8m/min，機(jī)器人復(fù)合焊程序采用上述焊接程序。

焊前準(zhǔn)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(duì)。

激光-電弧復(fù)合焊接，焊接時(shí)，沿焊接方向激光在前，電弧在后，激光與焊件表面的垂線之間的夾角為5°，電弧與焊件表面的垂線之間的夾角為35°，在保證設(shè)備參數(shù)和工件裝夾準(zhǔn)確無誤后，操作人員退到復(fù)合焊防護(hù)裝置以外，啟動(dòng)機(jī)器人復(fù)合焊焊接程序，待焊接程序運(yùn)行完畢，機(jī)器人復(fù)位后，方可進(jìn)入焊接現(xiàn)場(chǎng)。

成型效果如圖7a和圖7b所示，首層熔透良好，成型美觀，焊接過程中電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊接中呈現(xiàn)典型的射流過渡；蓋面焊，飛濺小，成型良好，無咬邊、裂紋、駝峰等缺陷。

實(shí)施例3

本實(shí)施例中，焊件為x100管線鋼，其化學(xué)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150×50×18.4mm。

焊絲選擇，選用awsa5.28：er80s-g焊絲，其化學(xué)成分(wt％)為：c0.06％、si0.71％、mn1.57％、p0.007％、s0.009％、cr0.02％、mo0.01％、ni0.91％、cu0.03％，焊絲直徑1.2mm。

坡口加工，如圖5b，坡口形狀為i型。

設(shè)備參數(shù)設(shè)定及焊接機(jī)器人編程，本實(shí)施例中焊接平臺(tái)與實(shí)施例1中的焊接平臺(tái)相同，其中，焊絲的干伸長(zhǎng)為15～20mm，光絲間距為0.8～1.2mm，離焦量為-5～-4mm，焊接電流為500a，保護(hù)氣體采用高純氬氣，雙面焊：激光功率6.25kw，焊接速度1.25m/min，送絲速度6.7m/min，機(jī)器人復(fù)合焊程序采用上述焊接程序。

焊前準(zhǔn)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(duì)。

激光-電弧復(fù)合焊接，焊接時(shí)，沿焊接方向激光在前，電弧在后，激光與焊件表面的垂線之間的夾角為5°，電弧與焊件表面的垂線之間的夾角為35°，在保證設(shè)備參數(shù)和工件裝夾準(zhǔn)確無誤后，操作人員退到復(fù)合焊防護(hù)裝置以外，啟動(dòng)機(jī)器人復(fù)合焊焊接程序，待焊接程序運(yùn)行完畢，機(jī)器人復(fù)位后，方可進(jìn)入焊接現(xiàn)場(chǎng)。

成型效果如圖8a和圖8b所示，可以看出首層熔透良好，成型美觀，焊接過程中電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊接中呈現(xiàn)典型的射流過渡；蓋面焊，飛濺小，成型良好，無咬邊、裂紋、駝峰等缺陷；從圖8c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(duì)大厚材料焊接極具優(yōu)勢(shì)。

最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。