JFE耐磨板公司的激光焊接钢管制造工艺(二)

  日本JFE耐磨板公司最近研发了一种使用激光束来对开口管的长边方向的边缘部进行焊接的钢管的制造方法,主要是涉及油井管或管线管等石油、天然气体的开采、输送所适用的激光焊接钢管的制造方法。

  2.工艺具体实施

  1)先行激光束以及后行激光束的正焦点处的光斑直径

  在先行激光束3a、后行激光束3b的正焦点处的光斑直径为0.3mm以下时,焊接时的焊缝的宽度变窄,产生坡口的熔融残余。因此,使正焦点处的光斑直径超过0.3mm。另一方面,如果光斑直径超过1mm,则能量密度较小,所以小孔难以稳定。因此,先行激光束3a、后行激光束3b的正焦点处的光斑直径优选在1mm以下。先行激光束3a、后行激光束3b的光斑形状优选为圆形,但也可以为椭圆形(oval figure)。在光斑形状为椭圆形的情况下,需要正对焦处的短径超过0.3mm。而且,鉴于与上述圆形的情况相同的理由,短径优选为1mm以下。

  2)从开口管的上表面到焦点的距离

  将从开口管的上表面到焦点的距离设为t(mm),将开口管的钢板厚设为T(mm),如果从开口管的上表面到焦点的距离t超过3×T(即从上表面朝上方3T),则焦点的位置过高,所以难以稳定维持小孔。另一方面,如果超过-3×T(即从上表面朝下方3T),则焦点的位置过深,所以容易从钢板的背面(即开口管的内表面)侧产生飞溅物。因此,优选将从开口管的上表面到焦点的距离t设定在-3×T-3×T的范围内。

  3)如果将先行激光束3a的入射角θa和后行激光束3b的入射角θb设定为θa<θb,则从后行激光束3b所穿过的开口管1的上表面到背面的距离变长,所以后行激光束3b的能量衰减,加热效率降低。因此,虽然获得先行激光束3a对边缘部2的预热效果,但后行激光束3b对边缘部2的熔融变得不稳定。

  另外,如果设定为θa=θb,则先行激光束3a和后行激光束3b的各小孔4容易合为一体而产生巨大的小孔,由此可能大量产生飞溅物。因此,需要将先行激光束3a和后行激光束3b的入射角设定为θa>θb。即,在先行激光束3a预热边缘部2时为了抑制飞溅物而增大倾斜角θa。在后行激光束3b熔融边缘部2时为了提高加热效率而减小倾斜角θb。

  这样,先行激光束3a预热边缘部2。而且先行激光束3a朝焊接进行方向倾斜而照射,所以能够抑制飞溅物的产生。接着,后行激光束3b熔融边缘部2。此时边缘部2被预热,所以不产生飞溅物。结果,能够减少飞溅物,进而能够防止下陷、不满。

  在先行激光束3a的入射角θa不足5°时,入射角θa过小,所以表现出与垂直照射先行激光束3a的情况相同的举动,无法得到抑制飞溅物的产生的效果。另一方面,如果入射角θa超过50°,则从先行激光束3a所穿过的开口管1的上表面到背面的距离变长,所以先行激光束3a的能量衰减,无法得到充分的预热效果。因此,先行激光束3a的入射角θa优选在5°~50°的范围内。

  同样,在后行激光束3b的入射角θb不足5°时,入射角θb过小,所以表现出与垂直照射后行激光束3b的情况相同的举动,无法得到抑制飞溅物的产生的效果。另一方面,如果入射角θb超过50°,则从后行激光束3b所穿过的开口管1的上表面到背面的距离变长,所以后行激光束3b的能量衰减,无法获得充分的焊透深度。因此,后行激光束3b的入射角θb优选在5°~50°的范围内。

  4)开口管的背面侧的先行激光束与后行激光束的中心点的间隔

  将开口管1的背面侧的先行激光束3a与后行激光束3b的中心点的间隔L设为1mm以上。如果间隔L在1mm以上,则在背面侧熔池沿焊接进行方向延伸,来自背面侧的飞溅物的产生量减少,由此可得到没有下陷、不满的焊缝。但是如果间隔L超过10mm,则背面侧的熔池分离,所以容易产生飞溅物。因此,先行激光束3a与后行激光束3b的中心点的间隔L优选在1mm~10mm的范围内。

  5)压缩量

  在进行激光焊接时,优选对焊接部施加0.2mm~1.0mm的压缩。在压缩量不足0.2mm时,无法使由激光焊接产生的气孔消失。另一方面,如果超过1.0mm,则激光焊接变得不稳定,飞溅物的产生量增加。

  6)激光束的激光输出以及焊接速度

  一般激光输出越低,焊接速度越慢,则在激光焊接时产生的飞溅物越少。然而为了抑制飞溅物的产生而降低激光输出和焊接速度意味着降低激光焊接钢管的生产性。因此,在本技术中,优选先行激光束3a和后行激光束3b的激光束的激光输出合计超过16kW,并且以超过7m/min的焊接速度来进行激光焊接。在激光输出合计在16kW以下时,焊接速度变为7m/min以下,所以导致激光焊接钢管的生产性降低。

  根据日本JFE耐磨板公司提供的技术,即使是厚壁材料(例如厚度4mm以上)的开口管,也能够不用通过高频加热等预热边缘部,来进行激光焊接。但是,如果通过高频加热等对边缘部进行预热,则能够得到提高激光焊接钢管的生产性等的效果。如果进行基于高频加热的预热则在焊接部形成堆高,但在激光焊接后通过切削或磨削除去该堆高就可更好地完成焊接部的表面性状。

  7)激光束的振荡器

  根据日本JFE耐磨板公司提供的技术所使用的激光束的振荡器可以使用各种形态的振荡器,优选将气体用作介质的气体激光器、将固体用作介质的固体激光器、用光纤代替分散材料作为激光介质的光纤激光器、盘状激光器等?;蛘咭部梢允褂冒氲继寮す馄?。

  8)辅助热源

  可以从开口管1的外面侧利用辅助热源进行加热。该辅助热源只要能够加热熔融开口管1的外表面,就对其结构没有特别限定。例如,优选利用燃烧器熔化法、等离子体熔化法、TIG熔化法、电子束熔化法、激光熔化法等方法。

  此外,优选将辅助热源与激光束的振荡器配置为一体,其理由是如果辅助热源和激光不配置为一体,则为了获得辅助热源的效果而需要较多的热量,很难抑制焊接缺陷(例如下陷、不满等)。并且,更优选为使辅助热源比激光束的振荡器更靠前配置,其理由是能够除去边缘部的水分、油分。

  优选使用电弧作为优选的辅助热源。电弧的产生源使用能够朝抑制熔融金属烧穿的方向施加电磁力的装置。此外,优选电弧的产生源与激光束配置为一体。其理由如上所述,将在产生电弧的焊接电流的周边产生的磁场的影响有效地施加于由激光束产生的熔融金属。并且,更优选为使电弧的产生源比激光束靠前配置。其理由是能够除去边缘部的水分、油分。

  3.结语

  根据日本JFE耐磨板公司提供的技术,与气体?;ず?、添加填充金属等以往公知的技术组合也会有效果。这样的复合焊接的技术不仅适用于焊接钢管的制造,还适用于厚钢板的焊接。如以上所述,根据本技术,在制造激光焊接钢管时适当地保证光斑直径,并适当排列两道激光束,并且控制激光束的入射角等激光焊接的条件,从而能够防止飞溅物的产生,能够抑制焊接部的下陷、不满,并且能够不降低焊接效率而得到质量良好的焊接部,能够高合格率地稳定制造激光焊接钢管。得到的激光焊接钢管能发挥激光焊接的优点,使接缝的低温韧性、耐腐蚀性优良,适用于在寒冷地区、腐蚀环境下使用的油井管、管线管。

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