長輸管道激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究

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1、長輸管道激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究惠林張?jiān)?東鄒岳蜂中國石油天然氣管道科學(xué)研宄院有限公司中國石油天然氣管道局有限公司傳統(tǒng)的電弧焊工藝由于受到焊接速度和焊層厚度的制約，難以進(jìn)一步提高焊接施工效率。激光-電弧復(fù)合焊將激光和電弧兩種熱源復(fù)合在一起，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，為管道施工提供了一種新的焊接方法。激光-電弧復(fù)合焊速度快，熔深大，可以顯著提高施工效率。國外多家研究機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)室內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了管道全位置激光-電弧復(fù)合焊，但未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。光纖激光器的發(fā)明為激光-電弧復(fù)合焊現(xiàn)場應(yīng)用提供丫可能。初步試驗(yàn)表明，光纖激光-電弧復(fù)合焊能夠滿足

2、管道環(huán)焊縫焊接的要求，力學(xué)性能滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。關(guān)鍵詞：管道;全位置焊接;激光-電弧復(fù)合焊;激光焊;曾惠林，中國石油天然氣管道科學(xué)研究院冇限公司皮亞東，中國石汕天然氣管道科學(xué)研宂院有限公司；張?jiān)?，中國石油天然氣管道局有限公司鄒岳峰，中國石油天然氣管道局有限公司。1.概述隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)淸潔能源的需求口益增加，我國對(duì)石油和天然氣需求也大幅增長，管道建設(shè)規(guī)模也在不斷進(jìn)一步擴(kuò)大。焊接是管道施工建設(shè)中最重要的工作，它關(guān)系到整個(gè)工程的建設(shè)成本、工程質(zhì)量，尋求高效的焊接方法是降低施工成木，提高經(jīng)濟(jì)效益，提高建設(shè)質(zhì)量的重要途徑。焊

3、接作業(yè)中兩個(gè)因素被認(rèn)為尤其重要，一是焊接速度，它決定著施工進(jìn)度;二是操作工數(shù)量，它影響著人工成本。1.管道激光-電弧復(fù)合焊的特點(diǎn)(1)管道焊接的特點(diǎn)出于提高輸送能力，并降低耗材，降低成本的考慮，管道正向著大口徑、高壓力、高鋼級(jí)的方向發(fā)展。當(dāng)其他條件基本相同時(shí)，隨管徑增大，輸油成木將降低;而提高管道工作壓力，可以增加輸量、增大站間距、減少站數(shù)，使投資減少、成本降低。因此，采用大口徑、高壓輸送是管道工程發(fā)展的趨勢。已經(jīng)開工建設(shè)的屮俄東線天然氣管道工程管徑為56in(lin=2.54mm)、設(shè)計(jì)壓力12MPa。傳統(tǒng)的焊接方法主耍

4、是電弧焊。施工的通常做法是兩根鋼管對(duì)接后靜止，一個(gè)焊槍圍繞管道焊接一周完成一道根焊，或者兩個(gè)焊槍各焊半周完成一道根焊，然后用自動(dòng)焊、半自動(dòng)焊或人工焊填蓋剩余的坡口。這種全位置焊接工藝工位多變,兼具平焊、立焊、仰焊的特點(diǎn)。受電弧焊自身特點(diǎn)的限制，己無法通過進(jìn)一步提高焊接速度、增加焊接熔深的方法提高施工效率，F(xiàn)I前全位置的熔化極電弧自動(dòng)焊焊接速度為500min/s,焊層厚度為2?3mmo(2)激光-電弧復(fù)合焊的特點(diǎn)激光焊與電弧另外一種焊接技術(shù)相結(jié)合的焊接工藝叫做激光復(fù)合焊，包括激光-等離子復(fù)合焊、激光-TTG復(fù)合焊、激光-MT

5、G復(fù)合焊等。其屮研宂及應(yīng)用最廣泛的是激光-MIG電弧復(fù)合焊。與激光焊相比，激光-電弧復(fù)合焊的橋接能力好，能夠適應(yīng)較大的對(duì)口間隙和錯(cuò)邊，且焊縫的硬度較低而韌性好;與電弧焊和比，激光-電弧復(fù)合焊熔深大，焊接速度快、變形小。由于以上獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，激光-電弧復(fù)合焊得到更多的研究，并已在汽車、船舶、航空、機(jī)械及鋼鐵等制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。(3)管道激光-電弧復(fù)合焊的優(yōu)點(diǎn)油氣管道壁厚較大，為Y保證焊透需開坡門，而后用焊材一層一層的填滿。激光-電弧復(fù)合焊熔深比較大，尤其適合于厚壁材料的焊接，不僅節(jié)省焊材，而且節(jié)省人員配置。以管徑1219m

6、m、壁厚18.4mm管道為例，坡口形式如圖1所示，左邊為自動(dòng)焊坡U形式，右邊為復(fù)合焊坡U形式。復(fù)合焊坡U的填充面積隨鈍邊厚度h的增加而降低，當(dāng)鈍邊達(dá)到8mm時(shí)，與自動(dòng)焊相比，可以節(jié)省一半的焊材。隨著鈍邊厚度的增加，節(jié)省耗材的量越大(見圖2)。工作量的減少可相應(yīng)減少施工人員數(shù)量。復(fù)合焊機(jī)組至少比自動(dòng)焊機(jī)組節(jié)省四分之一的人員配罝。2.管道激光-電弧復(fù)合焊工藝研宄進(jìn)展激光器的發(fā)展與管道激光-電弧復(fù)合焊管道現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜，包括平原、高山、沙漠、丘陵等多種地形。這些特點(diǎn)使得焊接施工對(duì)設(shè)備便攜性、環(huán)境適應(yīng)能力要求比較高。目前，工業(yè)中

7、應(yīng)用最多的激光器是0)2激光器和Nd:YAG激光器。C02激光質(zhì)量好，功率密度高，能實(shí)現(xiàn)深熔焊，但(：02激光要靠鏡片組傳輸，設(shè)備笨重。Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，但效率低下，大約僅有3%輸入熱量轉(zhuǎn)化為焊接激光束的功率，這就意味著系統(tǒng)不但需要巨大的能量來產(chǎn)生激光，而且需要冷卻設(shè)備來冷卻浪費(fèi)的能量，這個(gè)特點(diǎn)意味著該設(shè)備不可能是輕便型的。對(duì)大多數(shù)制造行業(yè)來說，這些都不是主要問題，但對(duì)管道焊接現(xiàn)場施工來說，設(shè)備的可移動(dòng)性是一個(gè)關(guān)鍵問題。受激光器的限制，管道激光-電弧復(fù)合焊在試驗(yàn)室成功過，卻始終未能商業(yè)化。最近幾年，固體激光器

8、有了重大發(fā)展，尤其是光纖激光器的出現(xiàn)，管道激光焊接應(yīng)用的最后障礙已被清除。功率級(jí)人于20kW的光纖激光器已開發(fā)成功。光纖激光像NckYAG激光一樣可使用光纖傳輸，操作靈活性很強(qiáng)，光束質(zhì)量比Nd:YAG器更好，穩(wěn)定性更高。光纖激光器便攜式性比CO2激光器好，其所占空間只有同功率Nd:YAG激光器的五分之一