長輸天然氣管道激光—電弧復(fù)合焊接工藝

胡忠文 陳斐 中國石化中原建設(shè)工程有限公司

長輸天然氣管道激光—電弧復(fù)合焊接工藝

胡忠文 陳斐 中國石化中原建設(shè)工程有限公司

對長輸天然氣管道焊接工藝和手工焊條下向焊、手工鎢極氬弧焊、半自動下向焊等典型焊接技術(shù)方法進(jìn)行對比分析，提出激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)工藝。激光與電弧采用旁軸復(fù)合方式，激光聚焦頭和電弧焊槍前后排列，激光聚焦頭在前，電弧焊槍在后，激光束與電弧呈30°夾角進(jìn)行管道焊接操作。對激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析表明，焊接點(diǎn)的硬度、拉伸輕度、抗沖擊力度都高于母材，說明激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)效果良好，但是空間位置對焊接接頭與焊接點(diǎn)成形具有較大影響，在135～180°區(qū)間內(nèi)焊縫背面余高較低，焊接點(diǎn)不同位置的金相組織差別也較大。

天然氣管道；焊接；激光—電弧復(fù)合焊接；下向焊；實(shí)驗(yàn)

1 焊接工藝及選擇

1.1 手工焊條下向焊

手工焊條下向焊是當(dāng)前長輸天然氣管道焊接工藝應(yīng)用最廣泛的方法，它是從管道頂部中心引弧，自上而下直至管道底部中心的全位置焊接，手工焊條下向焊操作簡單，焊接速度快，焊縫美觀，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，一般分為全纖維素手工下向焊、混合型手工下向焊兩種。

全纖維素手工下向焊是指根焊、熱焊、填充焊及蓋面焊均采用纖維素型焊條的手工下向焊接方式，焊接工藝要求單面焊雙面成形，常用于管道材料等級較低的大口徑薄壁?；旌闲褪止は孪蚝覆捎貌煌暮笚l完成焊接工藝的不同階段，一般采用纖維素型焊條進(jìn)行根焊、熱焊，低氫型焊條進(jìn)行填充焊、蓋面焊，主要用于管道材料等級高、天然氣含硫量高、氣候環(huán)境寒冷的長輸管道焊接。

1.2 手工鎢極氬弧焊

手工鎢極氬弧焊又可以稱為惰性氣體保護(hù)焊，是使用鎢材質(zhì)電極、以氬氣進(jìn)行保護(hù)的焊接工藝，焊接質(zhì)量好、焊縫穩(wěn)固，焊接點(diǎn)耐腐蝕性強(qiáng)。但是由于材質(zhì)和工藝要求高等原因，焊接成本較高，焊接準(zhǔn)備階段進(jìn)行坡口清理對環(huán)境條件要求也較高。同時，鎢材質(zhì)電極載流能力差，焊縫較淺，焊接工藝僅適合管道管壁較薄的地方。

1.3 半自動下向焊

半自動下向焊是指焊接工藝中部分操作由機(jī)器自動化控制的焊接方式，一般包括藥芯焊絲自保護(hù)半自動下向焊和活性氣體保護(hù)半自動下向焊兩種。

2 激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)

針對上述3種長輸天然氣管道焊接方法，本文結(jié)合激光焊性能好、焊縫接頭綜合性好的特點(diǎn)，以及電弧焊無氣孔、裂紋的優(yōu)點(diǎn)，提出激光—電弧復(fù)合焊接工藝。該工藝充分利用電弧焊低成本的特點(diǎn)，并彌補(bǔ)激光焊的缺點(diǎn)，形成一種新型的效率好、性能好的焊接技術(shù)。

激光與電弧采用旁軸復(fù)合方式，激光聚焦頭和電弧焊槍前后排列，激光聚焦頭在前，電弧焊槍在后，激光束與電弧呈30°夾角進(jìn)行管道焊接操作。激光熔化金屬為電弧提供自由電子，降低了電弧通道的電阻，激光束對電弧還有聚焦、引導(dǎo)作用，使焊接過程中的電弧更加穩(wěn)定。本文通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，研究激光—電弧復(fù)合焊接效果。

2.1 確定實(shí)驗(yàn)條件

激光—電弧復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)采取下向焊工藝技術(shù)，從0～180°一次性完成，激光和電弧形成單一熔池，從0～180°區(qū)間將實(shí)驗(yàn)樣本分作3段，按照不同位置測試不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。焊接實(shí)驗(yàn)完成后分別在距離焊接點(diǎn)0°、45°、90°、135°等4個位置截取焊縫進(jìn)行力學(xué)性能測試，分析焊接效果。實(shí)驗(yàn)具體分段和工藝參數(shù)確定見表1。

表1 激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)中激光和電弧的功率匹配對試件上段焊縫成形影響比較大，當(dāng)電弧輸送電流較大時，0～60°區(qū)間焊縫容易形成焊瘤、凹陷等，因此焊接時可適當(dāng)降低焊接速度，給予焊絲溶液充分的凝固時間抑制；同時，由于焊接后焊接點(diǎn)處容易出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力，對管道出現(xiàn)裂紋、腐蝕等影響較大，所以在焊接過后采用熱處理方式進(jìn)行殘余應(yīng)急消除，降低焊接點(diǎn)破壞的危險(xiǎn)性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 焊接后熱處理結(jié)果

對焊接實(shí)驗(yàn)管道緩慢加熱至要求的溫度值，加熱速度控制在60～180℃/h，在可控的要求溫度范圍內(nèi)保溫1h，然后降溫緩慢冷卻至300°，再保溫直至常溫狀態(tài)。焊接點(diǎn)熱處理溫度最高達(dá)到近600℃，熱處理有助于消除焊接殘余應(yīng)力、防止延遲裂紋和改善焊接接頭組織，對于實(shí)驗(yàn)焊接接頭應(yīng)力測試分析的正確性和穩(wěn)定性具有重要作用，在天然氣管道焊接實(shí)際操作中具有重要的意義。

2.2.2 焊縫力學(xué)性能測試結(jié)果

在焊接點(diǎn)接頭的不同位置測量管材硬度，以焊縫為界將試件分為左、右兩個部分，測試其硬度數(shù)據(jù)，測試結(jié)果見表2，顯示為焊接點(diǎn)接頭區(qū)的硬度高于管道母材硬度，熱影響區(qū)域材質(zhì)硬度有所波動。

表2 焊接點(diǎn)接頭的不同位置硬度（HV）結(jié)果

在測試焊接點(diǎn)硬度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)材料拉伸測試，管道焊接后出現(xiàn)裂縫斷裂位置一般發(fā)生在母材部位，裂縫一般發(fā)生在距離焊縫和熱影響區(qū)較遠(yuǎn)的位置，斷裂時常常出現(xiàn)內(nèi)部氣孔、未熔透等缺陷，焊接點(diǎn)材質(zhì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。分析焊接點(diǎn)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，焊接管道發(fā)生斷裂的位置一般是在母材上，而且斷裂常因?yàn)楣艿篮附雍蟛馁|(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，焊接導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低從而出現(xiàn)斷裂。

表3 管道焊接接頭點(diǎn)拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果

在低溫條件下（-10℃）測試焊接點(diǎn)低溫沖擊韌性性能，焊接熔合區(qū)的管道抗沖擊性強(qiáng)于焊縫區(qū)，分別對焊接點(diǎn)接頭進(jìn)行砸斷試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，焊接試件沒有發(fā)生明顯缺陷。

2.2.3 結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)分析出，激光—電弧復(fù)合焊接效果較好，但是空間位置對焊接接頭與焊接點(diǎn)成形具有較大影響，在135～180°區(qū)間內(nèi)焊縫背面余高較低，焊接點(diǎn)不同位置的金相組織差別也較大?？傮w上，采用激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)形成的管道焊接點(diǎn)、焊縫的硬度、拉伸強(qiáng)度、抗沖擊性能都較好，普遍高于母材，這說明激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)效果良好，適合長輸天然氣管道焊接工藝要求。

3 結(jié)語

（1）對長輸天然氣管道焊接工藝和手工焊條下向焊、手工鎢極氬弧焊、半自動下向焊等典型焊接技術(shù)方法進(jìn)行對比分析，提出激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)方法。

（2）對激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，研究表明，焊接點(diǎn)的硬度、拉伸強(qiáng)度、抗沖擊力度都高于母材，說明激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)效果良好。

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.063