长输管道激光-电弧复合焊接技术研究

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1、长输管道激光-电弧复合焊接技术研究惠林张元皮1东邹岳蜂中国石油天然气管道科学研宄院有限公司中国石油天然气管道局有限公司传统的电弧焊工艺由于受到焊接速度和焊层厚度的制约，难以进一步提高焊接施工效率。激光-电弧复合焊将激光和电弧两种热源复合在一起，实现优势互补，为管道施工提供了一种新的焊接方法。激光-电弧复合焊速度快，熔深大，可以显著提高施工效率。国外多家研究机构在试验室内成功实现了管道全位置激光-电弧复合焊，但未能实现工业化应用。光纤激光器的发明为激光-电弧复合焊现场应用提供丫可能。初步试验表明，光纤激光-电弧复合焊能够满足

2、管道环焊缝焊接的要求，力学性能满足现行标准要求。关键词：管道;全位置焊接;激光-电弧复合焊;激光焊;曾惠林，中国石油天然气管道科学研究院冇限公司皮亚东，中国石汕天然气管道科学研宂院有限公司；张元，中国石油天然气管道局有限公司邹岳峰，中国石油天然气管道局有限公司。1.概述随着国民经济的发展和对淸洁能源的需求口益增加，我国对石油和天然气需求也大幅增长，管道建设规模也在不断进一步扩大。焊接是管道施工建设中最重要的工作，它关系到整个工程的建设成本、工程质量，寻求高效的焊接方法是降低施工成木，提高经济效益，提高建设质量的重要途径。焊

3、接作业中两个因素被认为尤其重要，一是焊接速度，它决定着施工进度;二是操作工数量，它影响着人工成本。1.管道激光-电弧复合焊的特点(1)管道焊接的特点出于提高输送能力，并降低耗材，降低成本的考虑，管道正向着大口径、高压力、高钢级的方向发展。当其他条件基本相同时，随管径增大，输油成木将降低;而提高管道工作压力，可以增加输量、增大站间距、减少站数，使投资减少、成本降低。因此，采用大口径、高压输送是管道工程发展的趋势。已经开工建设的屮俄东线天然气管道工程管径为56in(lin=2.54mm)、设计压力12MPa。传统的焊接方法主耍

4、是电弧焊。施工的通常做法是两根钢管对接后静止，一个焊枪围绕管道焊接一周完成一道根焊，或者两个焊枪各焊半周完成一道根焊，然后用自动焊、半自动焊或人工焊填盖剩余的坡口。这种全位置焊接工艺工位多变,兼具平焊、立焊、仰焊的特点。受电弧焊自身特点的限制，己无法通过进一步提高焊接速度、增加焊接熔深的方法提高施工效率，FI前全位置的熔化极电弧自动焊焊接速度为500min/s,焊层厚度为2〜3mmo(2)激光-电弧复合焊的特点激光焊与电弧另外一种焊接技术相结合的焊接工艺叫做激光复合焊，包括激光-等离子复合焊、激光-TTG复合焊、激光-MT

5、G复合焊等。其屮研宂及应用最广泛的是激光-MIG电弧复合焊。与激光焊相比，激光-电弧复合焊的桥接能力好，能够适应较大的对口间隙和错边，且焊缝的硬度较低而韧性好;与电弧焊和比，激光-电弧复合焊熔深大，焊接速度快、变形小。由于以上独特优点，激光-电弧复合焊得到更多的研究，并已在汽车、船舶、航空、机械及钢铁等制造领域实现工业化应用。(3)管道激光-电弧复合焊的优点油气管道壁厚较大，为Y保证焊透需开坡门，而后用焊材一层一层的填满。激光-电弧复合焊熔深比较大，尤其适合于厚壁材料的焊接，不仅节省焊材，而且节省人员配置。以管径1219m

6、m、壁厚18.4mm管道为例，坡口形式如图1所示，左边为自动焊坡U形式，右边为复合焊坡U形式。复合焊坡U的填充面积随钝边厚度h的增加而降低，当钝边达到8mm时，与自动焊相比，可以节省一半的焊材。随着钝边厚度的增加，节省耗材的量越大(见图2)。工作量的减少可相应减少施工人员数量。复合焊机组至少比自动焊机组节省四分之一的人员配罝。2.管道激光-电弧复合焊工艺研宄进展激光器的发展与管道激光-电弧复合焊管道现场施工环境复杂，包括平原、高山、沙漠、丘陵等多种地形。这些特点使得焊接施工对设备便携性、环境适应能力要求比较高。目前，工业中

7、应用最多的激光器是0)2激光器和Nd:YAG激光器。C02激光质量好，功率密度高，能实现深熔焊，但(：02激光要靠镜片组传输，设备笨重。Nd:YAG激光器结构相对紧凑，但效率低下，大约仅有3%输入热量转化为焊接激光束的功率，这就意味着系统不但需要巨大的能量来产生激光，而且需要冷却设备来冷却浪费的能量，这个特点意味着该设备不可能是轻便型的。对大多数制造行业来说，这些都不是主要问题，但对管道焊接现场施工来说，设备的可移动性是一个关键问题。受激光器的限制，管道激光-电弧复合焊在试验室成功过，却始终未能商业化。最近几年，固体激光器

8、有了重大发展，尤其是光纤激光器的出现，管道激光焊接应用的最后障碍已被清除。功率级人于20kW的光纤激光器已开发成功。光纤激光像NckYAG激光一样可使用光纤传输，操作灵活性很强，光束质量比Nd:YAG器更好，稳定性更高。光纤激光器便携式性比CO2激光器好，其所占空间只有同功率Nd:YAG激光器的五分之一