激光根焊在长输管道施工中的应用研究

激光根焊在长输管道施工中的应用激光根焊在长输管道施工中的应用 研究研究 激光根焊与 gmaw 自动填充盖面焊组合工艺是管道施工中 出现的新技术 在长输管道施工中有着广阔的应用前景 文中从 激光根焊的应用条件出发 详细论述了大功率光纤激光器的在 管道根焊工艺中应用的优越性和局限性 并通过具体试验参数 阐述了激光根焊参数的配置 长期以来 国内的长距离油气管道的根焊工艺是以 gmaw 为主的熔化极气体保护焊 按施焊部位的不同可分为管内根焊 和管外根焊两种方式 随着激光技术的发展和逐步普及 我国 的油气管道施工企业开始尝试将激光焊接技术应用在长距离大 通径管道的施工中 激光根焊是指用激光炽熔方式直接熔化对 接管道的母材从而完成管道组对时的根焊工艺 激光根焊的高 速特性注定了它是一项必须与管道全位置自动焊匹配的焊接技 术 1 激光根焊的优越性 与 gmaw 根焊工艺相比激光根焊具有诸多优点 具体如下 1 1 可将输入热量降到最低的需要量 热影响区金相变化范 围小 且因热传导所导致的变形亦最低 实验证明激光根焊的 输入热量为 gmaw 根焊的 1 3 至 1 4 热影响区仅为 gmaw 根焊的 1 4 至 1 5 1 2 焊接速度快 焊缝强度高 以 4kw 光纤激光器为例 在焊接 4 8mm 厚度 x80 管线钢对接试片时的速度可以达到 1 2 2 5m min 根焊接头的拉伸强度和屈服强度均大于母材的 机械性能 1 3 激光束易于聚焦 对准 焊接空间的可达性高 尤其适 用于大壁厚的高等级管线钢的自动焊焊缝的打底根焊 根焊工 艺中省掉填料金属和送丝系统 降低施工成本 简化了设备机 构 1 4 不需使用电极 没有电极污染或受损的顾虑 且因属非 接触式焊接制程 执行机构的耗损 负载及变形接可降至最低 1 5 激光焊很好的回避了 gmaw 焊接中大电流对执行机构 的 emc 电磁干扰问题 对于集成精密的运动执行机构提供了良 好的电磁兼容环境 2 激光根焊的局限性 考虑到长距离油气管道的实际施工条件 激光根焊技术也 存在以下的局限性 2 1 激光焊对焊缝位置要求非常精确 必须确保焊件的最终 位置与激光束将冲击的焊点对准 其焊点必须在激光束的聚焦 范围内 由于激光束流比较细小 因此焊接时对接坡口的间隙要 求很高 一般要求小于 0 10mm 这对长输管道的破口尺寸公差 以及管道组对的定位精度和间隙控制提出了更高的要求 2 2 最大可焊厚度受到激光器的功率限制 以目前最大功率 的 6kw 的光纤激光器为例 其对低碳管线钢的稳定质量的熔深 在 12mm 左右 这相对于壁厚大于 20mm 的 x80 或更高等级的 管线钢来说是远远不够的 2 3 对施焊环境的要求较高 激光器的稳定工作温度在 10 40 之间 尤其是夏冬季施工需要对激光器进行环境保温和预 热 激光焊接头的透镜组会因灰尘附着 水汽凝结而造成过热 烧毁 而且在全位置焊中连接激光焊接头的传输光纤的转弯半 径限制可能成为焊接作业空间的障碍 3 焊接工艺及装备研究 3 1 焊接工艺方法研究 就目前激光焊接技术的发展水平而言 用激光焊在高等级 油气管线对接焊作业中实现一次焊接成型的难度很大 可行的 工艺方案是采用 laser gmaw 的组合工艺 即将激光根焊与 gmaw 填充盖面焊组合 该组合工艺方法是利用激光焊大熔深比的特点 实现根焊 中对钝边的无填料 高强度熔敷成型 根焊完成再采用成熟的 gmaw 工艺完成管外填充盖面工艺 为减少填充焊中较大的 gmaw 焊输入热对激光焊缝的热影响 管线对接坡口的钝边厚 度应控制 4mm 6mm 之间 这样的钝边设计能有效减少填充焊 的填充量 其焊缝坡口采用 i 型钝边 u 型复合坡口形式 3 2 焊接工艺参数 激光器采用国产 rfl c4000 型光纤激光器 最大输出功率 为 4kw 光斑直径 0 4mm 透镜焦距 125mm 保护气为氩气 气体流量 6 5l min 焊接工艺参数主要包括 激光功率 焊接速度和离焦量三 项指标 3 2 1 激光功率 激光功率是指激光器的输出功率 激光焊接的熔深与激光 输出功率密度密切相关 对一定的光斑直径 在其他条件不变 的情况下 焊接熔深随着激光功率的增加而增加 3 2 2 焊接速度 在一定的激光功率下 提高焊接速度 热输入能量密度值 下降 焊接熔深减小 尽管适当降低焊接速度可以加大熔深 但是若焊接速度过低 熔深却不会增加 反而熔宽增加 主要 原因在于随着焊接速度降低 热输入会增加 小孔区温度上升 等离子体的浓度增加 因而对激光吸收也增加 焊接速度的取 值范围为 0 6 2 5m min 3 2 3 离焦量 离焦量不仅影响焊件表面激光光斑大小 而且影响光束的 入射方向 因而对焊接熔深 焊缝宽度和横截面积都有较大的 影响 在离焦量很大时 熔深很小 属于传热焊 在离焦量减 小到某一数值时 熔深产生跳跃式增加 此处标志着小孔的产 生 此时的熔深是不稳定的 熔深随着离焦量的微小变化而改 变很大 激光焊接过程中 熔深最大的焦点位置是位于焊件表 面下方某处 即为负离焦量 此时焊缝成形最好 离焦量的取 值范围为 1 5 1 5mm 3 2 4 工艺参数配置 经过反复实验对比 确定了 x80 管线激光根焊的合理参数 配置如下 钝边厚度 5mm 熔宽 3w4mm 功率 3 88kw 焊接 速度 1 45m min 离焦量 0 835mm 最大熔深 5 29mm 目前激光根焊技术在长距离油气管道焊接领域的应用还在 处于研试阶段 laser gmaw 组合工艺 即激光根焊与 gmaw 自动填充盖