長輸管道全位置激光-電弧復合焊應用技術研究*

王魯君，皮亞東，閆 臣，郭曉疆，牛連山

（中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，河北 廊坊 065000）

管道焊接技術作為長輸管道工程現(xiàn)場施工的關鍵技術，直接關系到工程的施工質量、效率以及管線運行期間的安全可靠性和經(jīng)濟效益。由于管道全位置自動焊受焊接速度和單層焊接厚度的制約，若想將焊接速度提高到1 m/min 或單層厚度超過3.5 mm，則焊縫出現(xiàn)邊緣未熔合與層間未熔合的缺陷概率將顯著提高，焊縫的組織性能 （拉伸、沖擊功等）明顯變差。為此，研發(fā)新一代高效焊接技術和裝備已成為管道工程建設技術難題。激光-電弧復合焊接技術具有焊接速度快、質量好的特點，為管道自動焊焊接施工帶來了新的動力。

1 長輸管道自動焊接技術應用情況

我國長輸管道全位置自動焊技術主要用于機械化流水作業(yè)模式，施工流程如圖1 所示。包括集管口組對和根焊于一體的內(nèi)焊機、進行管道熱焊的單焊炬外焊機和填充蓋面的雙焊炬自動焊機。

圖1 長輸管道自動焊施工流程示意圖

1.1 內(nèi)焊機

內(nèi)焊機是將多把焊槍安裝在管道內(nèi)對口器上，形成組對和焊接一體化的焊接設備。內(nèi)焊機具有根焊質量好、工效極高的特點。八焊炬內(nèi)焊機如圖2 所示，完成一道Φ1 422 mm 焊縫的根焊只用90 s。

圖2 八焊炬內(nèi)焊機

1.2 外焊機

單焊炬外焊機由兩臺各裝一支焊槍的焊接小車沿環(huán)形軌道從管道的頂部分別相向向下焊接，焊接過程中的參數(shù)全部預設在控制系統(tǒng)中，焊接過程由焊接小車自動完成，一次焊接厚度為3 mm左右，如圖 3 （a）所示。雙焊炬外焊機由兩臺各裝兩支焊槍的焊接小車沿環(huán)形軌道從管道的頂部分別相向向下焊接，主要用于焊縫的填充和蓋面，工效較前者更高，一次焊接厚度可達5 mm左右，是目前主流機型，如圖 3 （b）所示。

1.3 焊接工藝

圖3 外焊機

管道全位置自動焊的典型工藝是多焊炬內(nèi)焊機+雙焊炬外焊機工藝。長輸管道主要以中厚度鋼管為主，由于一次焊接厚度有限，需要多個焊接工作站共同完成。由于自動焊設備昂貴，其成本也非常高。如果采用激光-電弧復合焊打底+雙焊炬填充蓋面，利用激光-電弧復合焊能量集中、穿透能力強、一次焊接厚度大的特點，既可節(jié)省外焊機設備，又可以提高焊接效率。目前，IPG 公司已經(jīng)推出30 kW 的激光源，可以一次熔透30 mm 壁厚，而效率最高的雙焊炬自動焊機一次焊接厚度也只有5 mm。因此，研究激光-電弧復合焊在管道全位置焊接應用具有重要的意義。

2 設備選用和研制

基于對管道焊接施工的自動化水平的提升，開展了管道激光-電弧復合焊技術研究，完成了國內(nèi)首套管道全位置激光-電弧復合焊接系統(tǒng)樣機的研制，焊接系統(tǒng)主要由激光器、弧焊電源、控制系統(tǒng)、激光跟蹤系統(tǒng)和焊接小車等5 部分構成，如圖 4 所示。

圖4 激光-電弧復合焊接系統(tǒng)示意圖

2.1 激光器和弧焊電源系統(tǒng)

激光器系統(tǒng)要適應海洋或陸地管線現(xiàn)場焊接施工任務，需具有體積較小、光束傳輸靈活等特點，弧焊系統(tǒng)則要求激光焊復合后對工況適應性強、飛濺小、穩(wěn)定性好。因此，最終采用 IPG 公司型號為 YLS （Ytterbium Fiber Laser）-10000 高功率光纖激光器和福尼斯公司生產(chǎn)的TransPuls Synergic 4000 電弧焊機組成焊接系統(tǒng)。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是激光-電弧復合焊的核心，主要完成行走電機控制，復合焊炬的上下、左右位置調(diào)整，送絲電機控制，激光器啟停、功率的調(diào)節(jié)，弧焊電源電流、電壓的控制等，采用了數(shù)字信號處理器 （DSP）+嵌入式微處理器 （ARM）組成運動和焊接的智能化控制系統(tǒng)，如圖5 所示。

圖5 復合焊控制系統(tǒng)實物照片

2.3 焊接小車和軌道

焊接小車的結構設計是雙對稱方式，上下滑板機構采用雙步進電機帶動滾珠絲杠運動，保證了移動的精度； 行走機構采用雙直流伺服電機驅動，焊接小車與軌道是齒輪齒條的嚙合，保證了運動的平穩(wěn)。

2.4 激光跟蹤系統(tǒng)

針對激光-電弧復合焊焊接速度快并要求焊槍與坡口中心重合的特點，激光跟蹤是復合焊接的首選方式，如圖6 所示。激光跟蹤系統(tǒng)采用三條激光條紋實時檢測，既保證了檢測精度，又保證了焊接穩(wěn)定性，實現(xiàn)了管道激光-電弧復合焊焊縫精確跟蹤和復合焊炬實時控制，確保焊接質量。

圖6 復合焊激光跟蹤系統(tǒng)裝置

3 焊接工藝研究

課題組針對不同管材、管徑和鈍邊厚度的鋼管分別進行了不同激光功率、焊接速度、焊絲直徑、錯邊量和對口間隙的焊接工藝試驗，試驗現(xiàn)場如圖7 所示。

圖7 焊接工藝試驗現(xiàn)場

3.1 鈍邊厚度對焊縫成形的影響

鈍邊厚度對焊接過程的影響顯而易見，為了研究和對比鈍邊厚度對焊接過程以及焊縫成形質量的影響，試驗對 4 mm、6 mm 和 8 mm 鈍邊的工件進行了工藝試驗，試驗結果如圖8 所示。從圖8 可以看出，4 mm、6 mm 和 8 mm 鈍邊的工件焊縫背面成形良好，不同的是4 mm 鈍邊的工件背面焊縫成形要優(yōu)于8 mm 鈍邊。8 mm 鈍邊的工件焊縫背面有內(nèi)凹傾向，其主要原因是4 mm鈍邊時采用的激光功率比較小，此時的熱輸入也較小，而8 mm 鈍邊焊接時激光功率較大，同時其形成的熔池也較大，重力作用相較于4 mm 和6 mm 鈍邊更大，因而在其他條件相同的情況下，8 mm 鈍邊的工件更容易出現(xiàn)內(nèi)凹缺陷。

圖8 4 mm、6 mm 和8 mm 鈍邊焊接工藝試驗結果

3.2 光-絲間距對焊縫成形的影響

激光-電弧復合焊光-絲間距如圖9 所示。光-絲間距太大，激光和電弧處于分離狀態(tài)，焊縫成形不美觀，焊縫熱影響區(qū)小，且容易在背面形成焊瘤。光-絲間距太小，激光打在焊絲上，損失了激光的能量，同時形成的焊縫不連續(xù)。在激光功率一定范圍內(nèi)，光-絲間距在2 mm 時是最優(yōu)距離，與母材兩邊熔合好，焊縫表面成形圓滑，既發(fā)揮了激光-電弧復合焊效率高的優(yōu)勢，又保證了保證焊接過程的穩(wěn)定性。

圖9 激光-電弧復合焊光-絲間距示意圖

4 焊接接頭的力學性能及金相組織

以 X80 鋼級 Φ1 219 mm×18.4 mm 管線鋼為例，鈍邊 8 mm，進行拉伸試驗、彎曲試驗、夏比沖擊試驗、硬度試驗和金相組織觀察。

4.1 拉伸試驗

拉伸試樣斷裂位置均為母材，表明焊接接頭強度要高于母材的強度。試驗數(shù)據(jù)最小696 MPa，最大 730 MPa，均值 717.25 MPa，均大于標準值。拉伸試樣斷裂位置如圖10 所示。

圖10 拉伸試樣斷裂位置示意圖

4.2 彎曲試驗

彎曲試驗采用18.4 mm×13 mm 試樣，橫向側彎 180°。彎曲試驗后試樣如圖11 所示，彎曲結果表明，試樣表面均未出現(xiàn)裂紋和缺陷，焊接接頭承受靜載彎曲變形的能力較強，具有較高的延展性； 試樣表面在熱影響區(qū)附近出現(xiàn)微小突起，這是熱影響區(qū)硬度高于母材所致。

圖11 側彎試驗后試樣

4.3 硬度試驗

在X80 管線鋼激光-電弧復合焊焊接頭力學性能測試過程中，發(fā)現(xiàn)接頭尤其是焊縫硬度偏高，因此對影響接頭硬度的因素 （預熱溫度、激光能量、對口間隙）進行了比較系統(tǒng)的試驗研究，結果如圖12 所示。試驗結論與能量的變化關系微小，預熱超過50 ℃是硬度的一個分界線，焊接接頭HV10可以控制在300 以下。以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)確定合理的解決方案，有效控制接頭硬度。

圖12 激光-電弧復合焊焊接接頭硬度試驗結果

4.4 夏比沖擊試驗

夏比沖擊試樣為V 形缺口的標準試樣，規(guī)格為 10 mm×10 mm×55 mm。試驗溫度-10 ℃，試樣吸收能量單值在160～263 J，焊縫的沖擊韌性很好。通過大量的試驗數(shù)據(jù)可以得出，激光能量的大小對焊縫沖擊韌性影響不大，沖擊試驗的單個值和平均值均高于標準要求。

4.5 金相組織

圖13 為激光-電弧復合焊焊接接頭的微觀組織形貌。由圖13 可以看出，焊縫由大量綜合力學性能優(yōu)良的針狀鐵素體構成。熱影響區(qū)由奧氏體、馬氏體、粒狀貝氏體組成。金相觀察沒有發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

圖13 激光-電弧復合焊焊接接頭的金相組織

5 工業(yè)化應用需要解決的問題

試驗中發(fā)現(xiàn)，激光-電弧復合焊在管道全位置根焊過程中存在一些問題，當鈍邊不大于8 mm時，仰臉位置的內(nèi)凹可通過優(yōu)化焊接參數(shù)予以改善，但不能完全消除。設備的精度和利用率不足，現(xiàn)場工程施工應用還需改進。

5.1 技術環(huán)節(jié)

（1）仰臉位置內(nèi)凹問題。在實驗室模擬工程應用情況下焊接試驗，由于對口間隙不同，導致內(nèi)部焊縫余高不一致。對口間隙過大時，仰臉4 點～6 點位置易出現(xiàn)內(nèi)凹情況，并且隨鈍邊厚度的變化有所不同。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析不僅與激光和電弧功率以及4 點～6 點位置的離焦量和光-絲間距有關，而且與鈍邊厚度有關。實驗室內(nèi)部的焊接試驗都無法徹底避免，如果工程應用，那么問題只會越來越大。后期的工藝研究需找到解決內(nèi)凹的技術方案。

（2）設備的可靠性及精度問題。由于是科研樣機，設備存在穩(wěn)定性差、精度低等問題。焊接工藝的可重復性不好，焊接合格率不高，還不能滿足現(xiàn)場試驗的要求。

（3）激光焊道的熔合問題。隨著焊接厚度的增加，激光焊道的有效和充分熔合也將是需要進一步考慮的問題。

5.2 經(jīng)濟性方面

由于大功率光纖激光器的價格比較昂貴，在10 mm 以下薄壁管道焊接方面，激光-電弧復合焊的成本較常規(guī)自動焊要高出許多，實用意義不大。但在中厚壁管道焊接方面，則隨著管道壁厚的增加，其經(jīng)濟性的提高則愈加明顯。

6 結 論

（1）隨著大功率激光器的工業(yè)化應用，激光-電弧復合焊在管線鋼焊接方面的應用具有非常好的前景。長輸管道的壁厚一般在10～30 mm，通過研究實現(xiàn)制管和現(xiàn)場施工高效的 “一站式焊接”將會使焊接效率有大幅提升。

（2）在制管行業(yè)，機械制造業(yè)水平的提高，可由激光-電弧復合焊一次完成約90%的焊接厚度，用傳統(tǒng)的方法進行封底和蓋面焊接。

（3）在管道施工方面，可由激光/電弧復合焊一次完成約80%的焊接厚度，內(nèi)部采用專用內(nèi)焊機進行焊接，再用其電弧焊炬進行蓋面焊接。