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激光-电弧复合焊接技术

今天谈谈激光-电弧复合焊接技术,新瓶装旧酒,两种传统工艺结合出的新工艺。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录激光:CO2激光、YAG激光、半导体激光、光纤激光 等焊接电弧:TIG、MIG、MAG、等离子弧等

工艺:激光束+电弧等离子体热源

TIG焊(Tungsten Inert Gas Welding),为非熔化极惰性气体钨极保护焊。具有焊缝质量好、变形小、电弧稳定、易自动化的优点;缺点是氩气贵、焊前清理要求高-成本偏高,焊缝熔深浅-只适合薄板,引弧方式特殊。MIG焊(metal inert-gas welding),熔化极惰性气体保护焊。更适合焊铝及铝合金、铜及铜合金、镁及其合金以及不锈钢等材料,劳动生产率高,不用钨极-成本较TIG低;仍用到氩气,焊前清理要求高。MAG焊(Metal Active Gas Arc Welding),熔化极活性气体保护电弧焊。更适用于碳钢、合金钢和不锈钢等黑色金属材料的焊接。焊前清理没有MIG焊严格。等离子弧焊Plasma Arc Welding ,利用等离子弧高能量密度束流作为焊接热源的熔焊方法。具有能量集中、生产率高、焊接速度快、应力变形小、电孤稳定且适宜焊接薄板和箱材等特点,特别适合于各种难熔、易氧化及热敏感性强的金属材料(如钨、钼、铜、镍、钛等) 的焊接。激光热源具有高的能量密度、极优的指向性、及透明介质传导的优势;电弧保护焊具有高的热-电转化效率、低廉的设备成本的运行成本、技术发展成熟等优势;该复合工艺,结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点,极大程度地避免了二者的缺点(如金属材料对激光的高反射率造成的激光能量损失、激光设备高的设备成本、低的电-光转化效率等,电弧热源较低的能量密度、高速移动时放电稳定性差等),同时二者的有机结合衍生出了很多新的特点(高能量密度、高能量利用率、高的电弧稳定性、较低的工装准备精度以及待焊接工件表面质量等),使之成为具有极大应用前景的新型焊接热源。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录下面以长输管道的激光-电弧复合焊接做为案例传统的电弧焊工艺,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。光纤激光器的发明,为激光-电弧复合焊现场应用提供了可能。

(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,输油成本将降低;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。已经开工建设的中俄东线天然气管道工程管径为56in、设计压力12MPa。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录传统的焊接方法主要是电弧焊。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,已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,目前全位置的熔化极电弧自动焊焊接速度为500mm/s,焊层厚度为2~3mm。(2)目前应用最广泛的是激光-MIG电弧复合焊。具有桥接能力好,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;与电弧焊相比,熔深大,焊接速度快、变形小。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,为了保证焊透需开坡口,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。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录以管径1219mm、壁厚18.4mm管道为例,坡口形式如图1所示,左边为自动焊坡口形式,右边为复合焊坡口形式。

坡口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(见下图)。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1/4的人员配置。

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。对焊接设备便携性、环境适应能力要求比较高。目前,工业中应用最多的激光器是CO2激光器和Nd:YAG激光器。设备笨重。CO2激光质量好,功率密度高,能实现深熔焊,但CO2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,所以也不可能是轻便型的。对大多数制造行业来说,这都不是主要问题,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。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。功率级大于20kW的光纤激光器已开发成功。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1/5。不同于其他固态或气态激光器,光纤激光器的效率超过25%,比典型的CO2激光器和YAG激光器高很多,大大降低运行成本。由于不需更换闪灯或半导体,所以它们在整个使用寿命里几乎不需维护及维修。英国焊接研究所(TWI),用7kW光纤激光器,实现激光-MAG环焊缝复合焊,在1.8m/min的速度下,在X80管线钢上可以产生9mm熔深。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录美国爱迪生焊接研究所(EWI),将光纤激光器与GMAW焊枪集成在一个商用轨道和牵引小车系统(CRC-Evans P450)上,系统在2.3m/min的速度下完成一个根部4mm厚的全熔透焊缝的焊接。根部焊用双向下向焊,激光器功率10kW,焊接速度3m/min。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录德国菲茨公司(Vietz Gmbh),开发的激光焊VPL 系统(Vietz-Pipeline-Laser-System)可完成管道对口、连接的全套工作,并用激光焊接技术进行焊接。VPL系统采用20kW光纤激光器,目前焊接熔深可达12mm,并正朝16mm熔深的目标迈进。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录2009年3月,中国石油天然气管道科学研究院,在国内率先开展了管道全位置激光-电弧复合焊技术研究,研究了激光功率、焊接速度、电弧电流、离焦量、热源间距及保护气体等参数对焊接质量的影响。试验还研究了复合焊对对口精度、错边量、工位的适应能力,下图为中国石油天然气管道科学研究院焊接X70管线钢的试验装置。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录复合夹具用来夹持激光聚焦头和电弧焊枪,两者之间的夹角和相对位置可调整。复合夹具装在焊接小车上,焊接小车沿装夹在管圈上的轨道进行焊接。

所用激光器功率为6kW,钢管直径1016mm,坡口钝边厚度6mm,焊接速度1.2m/min。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录试验表明,在1.2m/min的焊接速度下,可实现6mm厚钝边一次焊透,焊缝成形良好。金相显示,内部熔合良好。

管线钢激光焊接,一个比较突出的问题是其焊缝硬度高、耐冲击性较差。管道的施工标准,需要焊缝接头在适当的环境温度下要有足够的冲击韧性。激光-电弧复合焊接技术可以克服这个问题。电弧具有预热和回火作用,可以有效降低焊缝硬度,增加韧性;来自电弧焊的焊丝填充物能控制焊缝金属的特性,也起到降低热裂纹敏感性和提高焊缝金属韧性的作用。通过对焊缝的不同部位的硬度进行测量,结果显示,焊缝区硬度略高于母材,热影响区硬度在母材硬度上下波动,但都低于270HV10的标准要求。

管道全位置激光-电弧复合焊,影响因素较多,包括:错边量、激光功率、对口间隙、光丝间距、离焦量、焊接速度和送丝速度等7个影响因素。通过大量的试验研究,基本确定了激光-电弧复合焊的各工艺参数,对进行焊接完成的管口进行RT检测,合格后对整个管圈进行了拉伸、冲击、弯曲、硬度和刻槽锤断力学性能试验。

激光-电弧复合焊接输油管道现场

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录在近期宁波会展中心的新技术展上,我惊奇地看到大连理工,发现了激光诱导增强电弧的行为与机制,发明了低功率激光-电弧复合焊技术工艺和设备,解决了激光利用率低、搭桥能力差以及电弧焊效率低、焊接质量低等一系列问题,实现低能耗离效焊接。与现有电弧焊设备相比,焊接能耗可降低50%,焊接效率可提高5-8倍,焊接性能提高20-30%。

应用范围:各种尺寸的镁合金、铝合金、钛合金等轻合金以及高强钢等同质和异质材料结构件焊接,如镁合金汽车、自行车、摩托车等结构件,船舶企业、汽车等企业各类宽幅扳材拼焊以及典型结构件制备等。

总之,管道激光-电弧复合焊具有良好的应用前景,其熔深大、焊速高的优点为节省施工成本提供了一种新的途径。

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