朱加雷，崔志芳，焦向東

(1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102600;2.平山中誠燃?xì)庥邢薰?，河?石家莊 040500)

0 前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，對(duì)石油、天然氣等化石能源的消耗也日益增加。由于石油、天然氣的產(chǎn)地與下游市場(chǎng)一般相距遙遠(yuǎn)，需要進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送，油氣管道則肩負(fù)著這一能源輸送的重任。管道運(yùn)輸已成為我國繼鐵路、公路、水路、航空運(yùn)輸之后的第五大運(yùn)輸行業(yè)。對(duì)于石油、天然氣等流體來說，管道運(yùn)輸具有長(zhǎng)距離、不間斷、經(jīng)濟(jì)、安全、高效、可靠等特點(diǎn)，因此在近幾十年取得了巨大的發(fā)展。截止2013年，全世界管線長(zhǎng)度為3 559 186 km，其中天然氣輸送管線占世界管道總量的80.5%。2013年中國天然氣管線長(zhǎng)度增長(zhǎng)到48 502 km，相比2010年的38 566 km，增幅為25.8%，這種快速發(fā)展勢(shì)頭在未來的幾十年中仍將持續(xù)。

在鋪設(shè)距離快速增加的同時(shí)，世界上各石油公司也都在不斷地尋求降低成本、提高效益的途徑。在管線建設(shè)項(xiàng)目投資中，鋼管的成本約占40%，采用高鋼級(jí)管線鋼管能夠減少壁厚，而高壓輸送可以在不改變輸量的情況下減小管徑，管徑和壁厚的減小則帶來了工程投資費(fèi)用的降低。另外，在高壓輸送時(shí)，采用高鋼級(jí)管線鋼管還能顯著降低運(yùn)行投資［1］。同一條管線建設(shè)項(xiàng)目用 X80鋼替代 X70鋼，可降低成本7%;采用X100代替X70，則可降低成本30%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。圖1為同樣1 m長(zhǎng)度的不同級(jí)別管線鋼的費(fèi)用對(duì)比［2］。因此，自2002年開始，X100管線鋼已經(jīng)開始應(yīng)用于加拿大北部的管道建設(shè)當(dāng)中，2004年2月，埃克森美孚公司和加拿大TransCanada管道公司已經(jīng)成功在加拿大阿爾伯塔省北部焊接了1.6 km長(zhǎng)的X120高強(qiáng)鋼管線［3］。可以預(yù)見，在不久的將來，X100、X120 甚至更高級(jí)別的管線鋼在油氣管線工程中將得到廣泛應(yīng)用［4］。但在高級(jí)別管線鋼實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用之前，包括焊接性在內(nèi)的一系列問題尚需進(jìn)一步研究［5］。

圖1 1 m長(zhǎng)度不同級(jí)別管線鋼的預(yù)計(jì)花費(fèi)

1 激光電弧復(fù)合焊接優(yōu)點(diǎn)及激光器對(duì)比

管道環(huán)焊是管道現(xiàn)場(chǎng)施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前大多采用焊條電弧焊、藥芯焊絲半自動(dòng)焊和熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊(GMAW)等方式進(jìn)行，但上述焊接方法的缺點(diǎn)是完成一個(gè)接頭需要多個(gè)焊接站和多層焊道。激光焊接技術(shù)應(yīng)用于管道環(huán)縫焊接，無需開坡口或者坡口尺寸很小，甚至可以一次焊透，無疑將是管道焊接技術(shù)的又一場(chǎng)革命［6］。但單純的激光焊和激光填絲焊焊縫粗糙，焊縫處應(yīng)力集中系數(shù)大，且焊接過程中要求較高的接頭裝配精度(接頭裝配間隙小于0.5 mm)。試驗(yàn)證明，單純激光焊焊接的厚壁金屬，焊縫疲勞強(qiáng)度低，而激光電弧復(fù)合焊可以很好的解決這一問題。激光電弧復(fù)合焊的兩種熱源相互影響，焊接速度比單純激光焊還要高，是傳統(tǒng)電弧焊速度的5～10倍。同時(shí)，根焊的熔寬比單純的激光焊高，提高了間隙橋接能力。復(fù)合焊的焊縫光滑、疲勞強(qiáng)度高，應(yīng)力集中系數(shù)也得到了改善，有巨大的商業(yè)潛力。因此，如何拓展激光電弧復(fù)合焊的焊接材料范圍，并適用于厚壁高強(qiáng)管線鋼的焊接，已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一［7］。

2000年，英國克蘭菲爾德大學(xué)(Cranfield university)、美國愛迪生焊接研究所(EWI)和英國焊接研究所(TWI)就已經(jīng)開始研究了管線鋼激光焊接的潛能，EWI和Cranfield大學(xué)致力于一個(gè)國際管道研究理事會(huì)的項(xiàng)目，TWI在英國石油公司(BP)探索項(xiàng)目的直接資助下開展工作。EWI、TWI和Cranfield大學(xué)隨后一起在一組贊助商資助的名為“YAG PIPE”的項(xiàng)目中合作研究。所有的三個(gè)項(xiàng)目研究均已經(jīng)表明，Nd:YAG激光–GMAW復(fù)合焊接具有增加焊接效率的潛力。激光根焊或許可以替代內(nèi)焊機(jī)根焊(IWM)或帶銅襯墊的內(nèi)對(duì)口器焊接，被用于單道、雙道和英國Cranfield大學(xué)開發(fā)的CAPS自動(dòng)焊接系統(tǒng)的填充焊。EWI和TWI分別使用3 kW和6 kW的激光器，以3 m/min和3.5 m/min的速度焊接了3 mm的根焊道。EWI和TWI針對(duì)不同類型激光器的研究表明，使用Nd:YAG激光器存在潛在的生產(chǎn)利益。由于光電轉(zhuǎn)換效率、物理尺寸和冷卻的要求，雖然Nd:YAG激光器可能被用于鋪管船上，但并不適合用于陸上管道的鋪設(shè)。半導(dǎo)體激光器屬于固態(tài)激光器，相比Nd:YAG激光器，其能源效率提高30%，操作費(fèi)用降低50%，并便于移動(dòng)，可能是管道焊接應(yīng)用的理想選擇。半導(dǎo)體激光器很少有足夠的光束質(zhì)量保證焊接的小孔效應(yīng)，因此通常被用于熱傳導(dǎo)焊接當(dāng)中。近來的工作表明，半導(dǎo)體激光器的能量密度可達(dá)2.5×105W/cm2以上，在6 mm厚的鋼板上可以獲得小孔焊接效果。然而，對(duì)于管道現(xiàn)場(chǎng)焊接，需要高速根焊技術(shù)，目前的半導(dǎo)體激光器不能滿足必需的生產(chǎn)率要求。光纖激光器的電光轉(zhuǎn)換效率可超過20%，激光效率高、光束質(zhì)量好、傳導(dǎo)光纖直徑小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)，且不需要Nd:YAG激光器那樣的大輸入功率或冷卻系統(tǒng)。因此，光纖激光電弧復(fù)合焊被確定為最有前途的管道焊接應(yīng)用技術(shù)，高功率光纖激光器為該技術(shù)的野外現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用提供了可行性［8］。

2 光纖激光電弧復(fù)合焊接研究現(xiàn)狀

TWI針對(duì)X80管線鋼平板進(jìn)行了光纖激光電弧復(fù)合焊接工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)板厚為11 mm，復(fù)合焊采用Yb摻雜光纖激光器，功率7 kW，GMAW弧焊電源為AB Aristo 450。試板接頭采用Y型坡口，鈍邊深度6 mm。分別采用平焊、立焊和仰焊位置模擬管線全位置焊接。沖擊試樣厚度為標(biāo)準(zhǔn)Charpy試樣的2/3。平焊、立焊和仰焊三種焊接位置低溫(－10 ℃)沖擊功平均值分別為69 J、78 J和73 J［9］。針對(duì)壁厚為11.7 mm的X100管線鋼進(jìn)行了電弧焊與激光電弧復(fù)合焊的對(duì)比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，如采用GMAW焊接，一個(gè)焊口至少需要四個(gè)焊道;如采用激光－GMAW復(fù)合焊完成根焊道，GMAW填充焊只需一個(gè)焊道即可，顯著提高了焊接生產(chǎn)效率［10］。

德國焊接教育與培訓(xùn)研究所國際有限公司哈勒研發(fā)部進(jìn)行了管道激光電弧復(fù)合焊接必需的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究，包括組對(duì)誤差、環(huán)境影響、整套設(shè)備移動(dòng)性能以及不當(dāng)位置焊接等內(nèi)容。重點(diǎn)在于使用典型的激光深熔焊接效果，進(jìn)行6～10 mm鈍邊的根焊試驗(yàn)，比較了對(duì)接接頭激光復(fù)合焊時(shí)激光束和電弧可能的組合形式，如圖2所示。

在第一階段，使用4.5 kW的光纖激光器進(jìn)行了6 mm鈍邊的復(fù)合焊接研究，第二階段使用10 kW光纖激光器進(jìn)行了8 mm鈍邊的復(fù)合焊接研究。設(shè)計(jì)的具有額外自由度的復(fù)合焊機(jī)頭如圖3所示?？梢酝ㄟ^弧形引導(dǎo)機(jī)構(gòu)和帶夾持的鉸鏈機(jī)構(gòu)調(diào)整激光束和電弧之間的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)激光和電弧之間不同的組合方式。在長(zhǎng)達(dá)6 m的管件上進(jìn)行了激光電弧復(fù)合焊接，相比標(biāo)準(zhǔn)管端，此種情況具有較大的組對(duì)間隙和邊界偏離。安裝在管道上的整套系統(tǒng)如圖4所示。兩個(gè)階段的試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的坡口尺寸、首層復(fù)合焊打底焊縫以及完整填充后的焊縫如圖5、圖6所示。在上述研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了新的管道激光電弧復(fù)合焊原理樣機(jī)，如圖7所示。定位速度可達(dá)6 m/min，焊接速度高達(dá)3 m/min。適應(yīng)管道直徑尺寸500～700 mm。集成激光工作頭可以與高達(dá)20 kW功率輸出的光纖固體激光器配合。德國焊接教育與培訓(xùn)研究所國際有限公司哈勒研發(fā)部的研究證明了管道建設(shè)中光纖激光電弧復(fù)合焊接的主要適應(yīng)性及在應(yīng)用時(shí)所必須的全位置焊接工藝行為。結(jié)果清晰表明了復(fù)合焊接工藝潛在可行性，可以使用其進(jìn)行鈍邊尺寸為12～15 mm的高質(zhì)量打底焊接［11］。

圖2 激光束和電弧組合形式

圖3 激光電弧復(fù)合焊機(jī)頭

哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)X80管線鋼開展了激光電弧復(fù)合焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能的研究工作。激光MAG復(fù)合焊接系統(tǒng)包括IPG YLR－4000型光纖激光器和福尼斯TPS 4000型焊接電源。光纖激光系統(tǒng)和MAG焊槍固定安裝于自制機(jī)構(gòu)之上，并保證激光頭垂直于焊接工件。通過間隔45°將半個(gè)圓周四等分，在五個(gè)等分點(diǎn)分別進(jìn)行激光電弧復(fù)合焊接試驗(yàn)，五個(gè)焊接位置如圖8所示。在上述五個(gè)不同位置的試驗(yàn)均獲得了高強(qiáng)度、高韌性的激光電弧復(fù)合焊接接頭，焊縫呈“高腳杯”狀，分為電弧區(qū)和激光區(qū)兩個(gè)部分，五個(gè)位置的焊縫深度可達(dá)8 mm，最大和最小焊縫寬度分別是5 mm和1.5 mm［12］。

圖4 6m長(zhǎng)管道上的激光電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)

圖5 第一階段坡口準(zhǔn)備和焊縫截面成形

圖6 第二階段坡口準(zhǔn)備和焊縫截面成形

圖7 新型管道激光電弧復(fù)合焊原理樣機(jī)

3 結(jié)論

圖8 X80管線鋼的五個(gè)焊接位置

激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)綜合了激光焊和電弧焊二者的優(yōu)點(diǎn)，既具有激光焊接的深熔效果，又具備電弧焊接的良好間隙橋接能力，通過電弧焊的填充金屬還能調(diào)節(jié)焊接接頭的冶金性能，在提高高強(qiáng)度管線鋼焊接質(zhì)量、焊接速度和生產(chǎn)效率等方面具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。光纖激光器的諸多優(yōu)點(diǎn)及相關(guān)研究顯示了光纖激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)的良好現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用前景，被譽(yù)為下一代管線鋼的焊接方法。

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