2023年《安全技术》之激光根焊在长输管道施工中的应用研究.docx

激光根焊在长输管道施工中的应用研究 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。随着激光技术的开展和逐步普及，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到达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，降低施工本钱，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开展水平而言，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，但是假设焊接速度过低，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外表激光光斑大小，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外表下方某处，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 经过反复实验比照，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3≤w≤4mm，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自动填充盖面焊组合工艺不仅可保证打底根焊的焊接质量,又能发挥GMAW自动填充盖面焊的成熟技术,最大程度发挥上述两种焊接方法的优势,在焊接操作、焊接质量、焊接速度等方面都具有优越性,且降低了生产本钱,在以后的长输管道现场组焊施工中将得到广泛应用。