激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)在長輸管道焊接中的研究進(jìn)展

鄧俊， 皮亞東， 陳建爽， 石曉松， 閆臣， 秦偉

(1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北 廊坊 065000；2.曹妃甸新天液化天然氣有限公司，河北 唐山 063000；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000)

0 前言

在過去的幾十年里，電弧焊一直是長輸管道最主要的焊接方法，但經(jīng)過這些年對電弧焊設(shè)備和工藝的完善，使其在焊接效率方面的突破已接近極限，面對勞動力和自然資源的日益匱乏，應(yīng)用更加高效和節(jié)能的焊接方法替代原有的技術(shù)已成為趨勢。隨著科技的進(jìn)步，各種應(yīng)用于管道的新型焊接方法開始出現(xiàn)并不斷發(fā)展，其中激光-電弧復(fù)合焊接方法由于其高效性而成為研究熱點(diǎn)。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)結(jié)合了激光和電弧2種焊接方法的優(yōu)勢，具有熔深大、焊接速度快和裝配適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使激光-電弧復(fù)合焊能夠很好的滿足長輸管道施工對高效和節(jié)能日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前,國外多家研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)焊接管道的試驗(yàn)，主要以英國焊接研究所TWI，美國EWI等機(jī)構(gòu)為首[1-3]，對激光-電弧復(fù)合焊在管道應(yīng)用上開展了大量試驗(yàn)研究。中國石油天然氣管道科學(xué)研究院和哈爾濱工業(yè)大學(xué)最早開始相關(guān)試驗(yàn)研究[4-7]，對激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)開展管道的全位置焊接可行性和根焊焊接試驗(yàn)研究。有研究表明[8]，在試驗(yàn)條件下其單次能焊透厚度16 mm的管壁，從而減少焊道的層數(shù)，同時(shí)由于激光和電弧的相互促進(jìn)作用，使其焊接速度達(dá)到2 m/s，如該技術(shù)能應(yīng)用于現(xiàn)場油氣長輸管道焊接，將具有突破性的重大意義。

1 焊接用激光器的對比

最先用于管道深熔焊接的主要有2種激光，分別是CO2氣體激光和摻雜有釔、鋁、石榴石的釹(Nd:YAG)激光。CO2激光是最早開始能夠提供足夠高的能量將厚度大于6 mm結(jié)構(gòu)鋼熔透的激光，而當(dāng)時(shí)的Nd:YAG激光在提供大能量激光光束方面有一定有局限[9]。隨著Nd:YAG激光技術(shù)的發(fā)展，其可提供的功率也高達(dá)10 kW，使其商業(yè)化成為可能。Nd:YAG激光器與CO2激光器最主要的不同是它們所產(chǎn)生激光的波長不同，CO2激光器所產(chǎn)生的激光波長為10.6 μm，需要通過復(fù)雜的反射或傳輸系統(tǒng)才能到達(dá)工作現(xiàn)場，而Nd:YAG激光器產(chǎn)生的激光波長為1.06 μm，這種激光可僅用一根光纖進(jìn)行傳輸，與CO2激光相比更具有靈活性。這種光纖傳輸激光方式的出現(xiàn)，為管道焊接的現(xiàn)場應(yīng)用提供了可能。

近幾年發(fā)展的大功率小體積光纖激光器開始受到關(guān)注，其激光功率產(chǎn)生于激光模塊中，每個獨(dú)立的激光模塊能夠產(chǎn)生數(shù)百瓦甚至上千瓦的功率，組合起來能產(chǎn)生10 kW以上的功率。其產(chǎn)生激光的波長與Nd:YAG激光器的大致上相同，可通過光纖傳送到工作現(xiàn)場。Yb光纖激光器與Nd:YAG激光器相比，效率更高，且其結(jié)構(gòu)更為緊湊。近幾年光纖激光器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其中由IPG公司生產(chǎn)的YLR-50000 (IPG)激光器最高功率可達(dá)50 kW，國內(nèi)已有的激光器最高可到30 kW，光能轉(zhuǎn)化率高達(dá)30%～45%，表1為不同類型激光器性能比較[10]。

光纖激光器已經(jīng)證實(shí)了其在商業(yè)上的可行性，其應(yīng)用潛力也已超過了使用閃光燈激發(fā)的Nd:YAG激光器，尤其是在傾向于便攜性的管道焊接建設(shè)，且研究發(fā)現(xiàn)，相比于其他類型的激光器，用光纖激光器焊接管道焊縫，成形良好，具有很高的研究價(jià)值。

表1 不同激光器性能比較

2 不同類型激光技術(shù)在長輸管線上的應(yīng)用

2.1 CO2激光焊

最早應(yīng)用于管線焊接的激光技術(shù)為激光自熔技術(shù)。Bonigonan和Geertsen將CO2激光焊接技術(shù)用于海底管道焊接試驗(yàn)，以測試CO2激光焊在S形鋪管船海上管道應(yīng)用的可能性[11]。該系統(tǒng)采用的CO2激光器功率高達(dá)20 kW，可一次性焊接壁厚為20 mm的鋼管。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CO2激光焊用于管道全位置水平固定(5G)焊接的容差在可接受的范圍內(nèi)。Gainand等學(xué)者[12]在AXAL/ITP也開發(fā)出了管道全自動激光焊接系統(tǒng)用以提高海上管道的焊接速度。該系統(tǒng)同樣使用20 kW的CO2激光器，焊接壁厚為15.9 mm管道，焊縫的無損檢測結(jié)果基本符合API 1104:2013《Welding of pipelines and related facilities》標(biāo)準(zhǔn)，但其力學(xué)性能數(shù)據(jù)沒有公布。

2.2 閃光燈泵浦Nd:YAG激光焊

TWI最先開始研發(fā)高能Nd:YAG激光器在管道環(huán)焊中的應(yīng)用。TWI提高了現(xiàn)有的電弧焊接技術(shù)，并且高度評價(jià)了高能Nd:YAG激光器在降低管道建設(shè)成本上的作用。早期的試驗(yàn)研究內(nèi)容主要是激光在橫焊(2G)位置的焊接。結(jié)果表明：當(dāng)焊接速度較低時(shí)，其能實(shí)現(xiàn)厚度為12.7 mm鋼管的焊接，焊縫成形良好;當(dāng)增加焊接速度到1.0 m/min時(shí)，由于對口間隙的變化，造成焊縫成形不理想。研究還發(fā)現(xiàn)，激光自熔焊接焊縫的沖擊韌性差。為了解決高速焊接所帶來的裝配間隙適應(yīng)性小以及沖擊韌性低的問題，需要在此焊接方法上改進(jìn)升級，其中Howse等學(xué)者[13]和Booth等學(xué)者[14]提出了Nd:YAG/MAG復(fù)合焊接方法。

2.3 Nd:YAG激光/MAG復(fù)合焊

Nd:YAG激光焊接最早設(shè)計(jì)用于在陸地管線上替代MAG焊接填充，在激光焊之前采用MAG內(nèi)焊根焊，填充采用Nd:YAG激光自熔焊接，激光功率為9 kW。試驗(yàn)人員將Nd:YAG激光源和電弧焊槍裝配到一個復(fù)合焊炬上，進(jìn)行復(fù)合焊接試驗(yàn)，其目的是將激光焊與MAG焊絲填充結(jié)合起來，提高焊接速度及裝配間隙的適應(yīng)性，同時(shí)得到符合要求的微觀結(jié)構(gòu)和沖擊韌性[13]。試驗(yàn)表明，選擇合適的焊接參數(shù)，焊縫可一次性焊透，焊后焊縫無凝固缺陷。如果焊縫能夠達(dá)到一次性焊透，則在1 m/min的焊接速度下達(dá)到8 mm以上的熔深是可行的。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，在管道焊接中，把高能的Nd:YAG激光焊和MAG焊接結(jié)合起來，從而形成高熔透的焊接過程在工程上是可行的，其焊縫能夠滿足管道規(guī)范，檢測焊縫的缺陷在BS 4515:2009《Specification for welding of steel pipelines on land and offshore》和API 1104:2013標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。整個焊縫的硬度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且具有良好的低溫韌性,見表2和表3[13]。

表2 Nd:YAG激光/MAG電弧復(fù)合焊接API 5L X60鋼管的硬度HV10

表3 Nd:YAG激光/MAG電弧復(fù)合焊接API 5L X60鋼管的夏比沖擊吸收能量J

閃光燈觸發(fā)的Nd:YAG激光技術(shù)用于現(xiàn)場管道焊接的主要缺點(diǎn)是其低的光能轉(zhuǎn)化效率和便攜性，限制了其工業(yè)應(yīng)用。

2.4 Yb光纖激光/MAG 復(fù)合焊

TWI在2003年使用7 kW功率的Yb光纖激光器進(jìn)行了焊接試驗(yàn)[13-14]，該激光器的激光傳送采用光纖直徑為0.3 mm的光纖。經(jīng)測試，該激光器的光能轉(zhuǎn)化效率為20%，高于閃光燈激發(fā)的Nd:YAG激光器。該激光器中有一個獨(dú)立高效的激光源，便于攜帶，能夠用于管道焊接。在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)條件下，TWI開始嘗試焊接API 5L X80鋼管，以調(diào)研該技術(shù)的應(yīng)用潛力。該激光/電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)由Yb激光器、可編程 ESAB AristoMIG 450電弧焊機(jī)、AristoFeed 30送絲機(jī)和 MA6 控制器組合而成，激光頭安裝在Kawasaki ZX130L的6軸機(jī)器人上。激光頭聚焦鏡片的焦距為250 mm，最小光斑直徑為0.6 mm，在激光功率為7 kW時(shí)，激光的能量密度可達(dá)2.5×104W/mm2。試驗(yàn)所用的鋼管材料為X80，鈍邊厚度為8 mm，模擬了管道全位置(5G)焊接中的3個位置，分別為平焊(1G)，立焊(3G)和仰焊(4G)。上述3個位置均采用以下焊接工藝參數(shù)：焊接速度1.8 m/min，焊絲直徑1 mm，送絲速度10 m/min，脈沖電流215 A，電弧電壓25 V，電弧能量5 kW，激光能量7 kW，光斑直徑0.6 mm，光束焦點(diǎn)位置調(diào)制焊接工件表面。焊縫經(jīng)外觀檢測和射線檢測表明，焊縫成形好，且均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，對焊縫進(jìn)行硬度、拉伸和夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4[14]，焊縫試樣均具有較好的韌性，拉伸斷裂位置均位于母材。焊縫硬度較高，如果用于酸性服役管線，還需進(jìn)一步改善其硬度。

EWI研究機(jī)構(gòu)采用Yb光纖激光器進(jìn)行了激光-電弧復(fù)合管道環(huán)焊縫根焊試驗(yàn)[15]，以印證激光-電弧復(fù)合焊應(yīng)用于現(xiàn)場環(huán)境的可能。該機(jī)構(gòu)將光纖激光和電弧焊炬整合到CRC-Evans P450焊接小車上，采用4 kW激光功率，焊接速度1.78 m/min(70 ipm)，進(jìn)行鈍邊為4 mm的環(huán)焊縫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：其可完全焊透鈍邊，且焊接速度最高可達(dá)2.3 m/min，內(nèi)外表面成形良好。

表4 采用Yb光纖激光/MAG 復(fù)合焊的焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

大功率的光纖激光器也越來越多的應(yīng)用在管道環(huán)焊縫焊接試驗(yàn)，大功率激光器能一次焊透更厚的壁厚，提高焊接效率[16-17]。其中圣彼得堡彼得大帝理工大學(xué)的激光焊接研究機(jī)構(gòu)采用20 kW 的YLR-20000 (IPG)光纖激光[17]，研究了焊接速度和預(yù)熱溫度對激光-電弧復(fù)合焊縫的微觀組織及其力學(xué)性能的影響;研究表明，增加焊接速度，會增加馬氏體在焊縫組織中的比例，如果減慢焊接速度，則會產(chǎn)生相反的效果，提供更軟的微觀組織，預(yù)熱溫度對焊縫組織和力學(xué)性能的影響則相反。

最近幾年，中國石油天然氣管道科學(xué)研究院同樣采用IPG公司生產(chǎn)的10 kW功率光纖激光器進(jìn)行了φ1 016 mm×17.5 mm和φ1 219 mm×18.4 mm 2種管徑規(guī)格，4 mm，6 mm和8 mm 3種鈍邊厚度的焊接工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，焊縫成形良好，無損檢測和力學(xué)性能試驗(yàn)?zāi)軌蚍螦PI 1104:2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

高能激光材料加工在過去10年內(nèi)的發(fā)展十分迅速，每一代新產(chǎn)品的問世，都使激光在管道焊接應(yīng)用的潛能都得以提升。CO2激光器和閃光燈觸發(fā)的Nd:YAG激光器由于傳輸方式和效能的不利因素，不適于油氣管線長途作業(yè)，而高能Yb光纖激光技術(shù)在市場上的引入，推進(jìn)了激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在管道焊接現(xiàn)場應(yīng)用的步伐。

3 激光-電弧復(fù)合技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用

目前國外關(guān)于激光-電弧復(fù)合技術(shù)在長輸管道的工業(yè)化應(yīng)用報(bào)道較少，其中俄氣公司搭建的激光-電弧復(fù)合焊系統(tǒng)已通過認(rèn)證，焊接裝置ULST-1列入俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司項(xiàng)目批準(zhǔn)使用。計(jì)劃在直徑為1 420 mm的北歐天然氣管道工程對該裝置進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)。英國BMT集團(tuán)公司開發(fā)了激光-電弧復(fù)合焊(HLAW)系統(tǒng)，進(jìn)行了現(xiàn)場準(zhǔn)備工作，并通過了焊接驗(yàn)證，制定了高強(qiáng)鋼管道的激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)施工規(guī)范，而國內(nèi)激光-電弧復(fù)合技術(shù)在長輸油氣管道暫無工業(yè)化應(yīng)用。

在過去的一段時(shí)間內(nèi)通過大量焊接試驗(yàn)已證明激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)在焊接過程中的實(shí)用性，但畢竟該技術(shù)用于管道焊接仍處于試驗(yàn)階段，而且工業(yè)化應(yīng)用較少，僅有國外少數(shù)企業(yè)進(jìn)行了現(xiàn)場野外應(yīng)用嘗試，并未形成大規(guī)模應(yīng)用，工業(yè)化應(yīng)用及配套技術(shù)仍不成熟，該項(xiàng)技術(shù)若要在管道焊接領(lǐng)域的應(yīng)用被完全認(rèn)可，還需進(jìn)行大量野外應(yīng)用適用性探索。

4 目前存在的問題

現(xiàn)階段激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)應(yīng)用于管道焊接仍停留在試驗(yàn)室試驗(yàn)階段，并沒有廣泛應(yīng)用于管道工程中，其主要涉及焊接工藝、性能、設(shè)備和施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等幾個方面的原因，文中重點(diǎn)分析了以下幾個突出問題并提出了建議。

4.1 焊接缺陷

目前，國際上還沒有正式的激光-電弧復(fù)合焊用于管道的焊接施工標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收規(guī)范。但可以預(yù)見，由于激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)能夠一次焊透鈍邊較厚的材料，且其為單面焊雙面成形，如果焊縫出現(xiàn)缺陷，返修難度較大，故應(yīng)要求該技術(shù)能較好地控制焊縫缺陷。

現(xiàn)在大量的工作焦點(diǎn)是研究模擬管道平焊位置的最優(yōu)化激光-電弧復(fù)合焊接的參數(shù)試驗(yàn)，而很少有關(guān)于該技術(shù)用于管道不同位置的根焊焊縫試驗(yàn)以及微觀組織和力學(xué)性能研究，而其中管道焊接在仰部位置極易出現(xiàn)內(nèi)凹缺陷。中國石油天然氣管道科學(xué)研究院聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)雷正龍等學(xué)者[18]針對X70鋼管道全位置激光-熔化極活性氣體保護(hù)(MAG)電弧復(fù)合根焊焊接過程中，管道焊接4～6點(diǎn)位焊縫背面易出現(xiàn)內(nèi)凹，開展了管道全位置激光-MAG 電弧復(fù)合根焊焊縫成形試驗(yàn)研究。圖1為仰部位置的內(nèi)凹示意圖和實(shí)際焊接圖[18]，通過該試驗(yàn)研究雖能使仰部內(nèi)凹得到控制，但該缺陷仍沒有得到根本解決，完全消除激光-電弧復(fù)合焊4～6點(diǎn)位置的內(nèi)凹問題，還需進(jìn)一步的大量工藝試驗(yàn)研究。

圖1 仰部位置的內(nèi)凹示意圖和實(shí)際焊接圖

長輸管道施工條件受現(xiàn)場環(huán)境和管材標(biāo)準(zhǔn)因素的限制，坡口的尺寸、對口的間隙和錯邊量不易準(zhǔn)確控制在限定范圍內(nèi)，這些誤差對大鈍邊厚度的激光-電弧復(fù)合焊接非常不利，容易產(chǎn)生氣孔和未熔焊接缺陷(圖2為由對口間隙和錯邊引起的焊接缺陷)，從而降低焊接質(zhì)量，且由于環(huán)焊縫為全位置焊接，為保證焊縫表面和背面成形良好，要求焊槍和激光頭隨焊接的變化而變化，所以必須設(shè)置一種能在不同焊接位置設(shè)置跟蹤參數(shù)可調(diào)節(jié)的跟蹤系統(tǒng)，從而使跟蹤系統(tǒng)更智能化，更適應(yīng)管道的全位置焊接。檀朝彬等學(xué)者[19]通過利用650 nm 激光結(jié)構(gòu)光發(fā)射器與cmos光電傳感器結(jié)合獲取焊道圖像信息，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取縱向偏差、橫向偏差、錯邊量和對口間隙信息，焊道跟蹤系統(tǒng)根據(jù)縱向偏差、橫向偏差實(shí)時(shí)調(diào)整焊炬位置，保證激光焊點(diǎn)準(zhǔn)確對中，提高了焊接質(zhì)量，如該方法在今后現(xiàn)場應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)，將進(jìn)一步提高現(xiàn)場焊接焊縫合格率。

圖2 間隙和錯邊量對焊縫成形的影響

激光-電弧復(fù)合焊由于一次焊接鈍邊較厚，焊接熱輸入大，易在焊縫區(qū)產(chǎn)生凝固裂紋。圣卡塔琳娜州聯(lián)邦大學(xué)研究了激光-電弧復(fù)合焊縫的幾何形狀參數(shù)和工藝參數(shù)對凝固裂紋的形成的影響[20]，該試驗(yàn)通過膨脹擴(kuò)張角度β來定義焊縫外形尺寸變化的劇烈程度，如圖3所示。b代表焊縫水平方向最短距離，B代表焊縫水平方向最長距離，兩線段構(gòu)成了一個等腰梯形，h為兩線段之間的距離。研究表明，凝固裂紋的產(chǎn)生與焊縫的膨脹擴(kuò)張角度β有著極其密切的聯(lián)系，膨脹擴(kuò)張角度β越大，其產(chǎn)生凝固裂紋的長度和幾率越大。該研究還發(fā)現(xiàn)，即使凝固裂紋的位置發(fā)生在激光區(qū)域，且離電弧區(qū)有一段距離，填充材料的成分同樣能影響焊縫的凝固裂紋。

圖3 焊接裂紋

4.2 焊縫性能

采用激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)焊接的焊縫硬度一直是學(xué)者關(guān)注的問題之一，激光-電弧復(fù)合焊由于較快的焊接速度和冷卻速度，造成其焊縫組織明顯不同于電弧焊，其微觀組織中會產(chǎn)生較硬的貝氏體組織，從而使硬度值超過標(biāo)準(zhǔn)要求。中國石油天然氣管道科學(xué)研究院針對激光-電弧復(fù)合焊硬度做了一系列試驗(yàn)，以改善接頭硬度。該機(jī)構(gòu)采用激光-MAG復(fù)合焊接方法焊接X80鋼，如圖4所示；對接頭橫向斷面進(jìn)行硬度測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，不預(yù)熱時(shí)焊縫硬度高達(dá)330 HV；將鋼管預(yù)熱至100 ℃后進(jìn)行根焊，焊縫硬度顯著降低，熔合線附近硬度梯度變??；當(dāng)預(yù)熱溫度增加到200 ℃時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)硬度下降不明顯。不過，現(xiàn)行管道標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于管道電弧焊縫的硬度限制是針對采用纖維素焊條焊接的焊縫，其焊縫易產(chǎn)生氫元素聚集，從而導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)加氫脆化，然而在激光-電弧復(fù)合焊接方法中，氫元素含量被控制在一定范圍內(nèi)，該硬度標(biāo)準(zhǔn)是否仍然適用于激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)，還有待進(jìn)一步論證和商榷。

圖4 接頭橫向斷面宏觀圖像及硬度測量位置示意圖

圖5 不同預(yù)熱溫度下接頭硬度分布

管道施工規(guī)范要求焊接接頭在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度范圍內(nèi)有足夠的沖擊韌性，能夠滿足在高寒地區(qū)的管線進(jìn)行焊接的條件。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在激光-電弧復(fù)合焊的夏比沖擊試驗(yàn)中，易出現(xiàn)沖擊吸收能量較小且離散的現(xiàn)象，為此，中國石油天然氣管道科學(xué)研究院通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和預(yù)熱溫度，對焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性能進(jìn)行了改善。該機(jī)構(gòu)研究了不同預(yù)熱溫度和不同激光功率對焊縫沖擊性能的影響，試驗(yàn)采用X80鋼，對鈍邊厚度為8 mm鋼管進(jìn)行根焊，沖擊試樣選取激光電弧復(fù)合焊根焊位置，試驗(yàn)溫度為-20 ℃，試樣尺寸為55 mm×10 mm×5 mm。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從不預(yù)熱到預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)，沖擊吸收能量隨著預(yù)熱溫度的升高而增大如圖6所示，而激光功率對沖擊韌性影響較小如圖7所示，該試驗(yàn)也表明其在-20 ℃時(shí)，除個別沖擊吸收能量比較離散，大部分值比較穩(wěn)定，且有較高的沖擊吸收能量。

圖6 不同預(yù)熱溫度下的沖擊吸收能量

圖7 不同激光功率下的沖擊吸收能量

4.3 設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性

激光-電弧復(fù)合焊由2種熱源復(fù)合而成，在焊接過程中激光和電弧復(fù)合的穩(wěn)定性同樣影響焊縫質(zhì)量。

SLV Halle公司的Neubert等學(xué)者[21]研究發(fā)現(xiàn)，裝備技術(shù)是影響焊接缺陷的主要因素之一，在焊接過程中由于焊接小車較大的自重，焊接小車車身結(jié)構(gòu)很難達(dá)到所要求的剛度，以使其保證在環(huán)管道焊接過程中有很好的穩(wěn)定性。中國石油天然氣管道科學(xué)研究院對焊接小車和軌道的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對固定激光頭和焊槍的鋼板采用比剛度大的材料，盡量減少由于自重的原因造成焊接小車在繞管圈做圓周運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)定變化，焊接穩(wěn)定性明顯得到提高。設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到焊接過程的穩(wěn)定性，設(shè)備零件加工精度和安裝精度的保證為焊接過程的穩(wěn)定提供了重要保障。

通過上述分析總結(jié)，目前激光-電弧復(fù)合焊在現(xiàn)場應(yīng)用可能出現(xiàn)的問題，具體有以下幾點(diǎn)解決措施：①從激光-電弧復(fù)合焊接熔滴過渡和焊縫微觀組織角度進(jìn)行深入的仰部內(nèi)凹形成機(jī)理研究，找出形成內(nèi)凹缺陷的主要原因；②針對復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)置一種更智能化的焊縫跟蹤系統(tǒng)，從而更適應(yīng)現(xiàn)場管道的全位置焊接；③通過對坡口形式、坡口尺寸、焊接工藝參數(shù)及焊前和焊后的熱處理等焊接規(guī)范的研究，可避免焊接裂紋的產(chǎn)生，降低焊縫硬度以及提高焊縫的韌性值；④盡量增加設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性,為實(shí)現(xiàn)激光-電弧復(fù)合焊現(xiàn)場應(yīng)用提供了裝備保障。

5 結(jié)束語

(1)近幾年發(fā)展起來的大功率小體積光纖激光器Yb光纖激光器，光能轉(zhuǎn)化效率高，能達(dá)到30%～45%，且結(jié)構(gòu)緊湊。激光-電弧復(fù)合焊高效率和設(shè)備不易搬運(yùn)的特點(diǎn)正好符合海洋管道建設(shè)時(shí)間成本昂貴，不需要頻繁移動焊接設(shè)備的特殊要求，是以后該技術(shù)在管道焊接發(fā)展應(yīng)用的主要方向。

(2)從一系列激光-電弧復(fù)合焊應(yīng)用于管道焊接的研究進(jìn)展可以看出，國外開始該項(xiàng)技術(shù)研究比較早，國內(nèi)起步較晚，其中中國石油天然氣管道科學(xué)研究院最先開始也是僅有的幾家研究單位之一，技術(shù)和研究成果處于領(lǐng)先水平，目前該機(jī)構(gòu)已利用激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)進(jìn)行管道全位置焊接試驗(yàn)，成功焊接了管徑1 219 mm、鈍邊高度8 mm的X80鋼管，無論從焊縫外觀還是焊縫力學(xué)性能，均能適應(yīng)長輸管道焊縫合格標(biāo)準(zhǔn)。

(3)這項(xiàng)技術(shù)剛開始的試驗(yàn)結(jié)果比較理想，但距離現(xiàn)場管道應(yīng)用還有一段距離，盡快進(jìn)行焊接工藝現(xiàn)場適應(yīng)性試驗(yàn)，對焊縫缺陷進(jìn)行有效控制以提高焊縫合格率，同時(shí)制定適合激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)的長輸油氣管道施工標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收規(guī)范是最根本的解決方法。