日本JFE耐磨板公司最近研發(fa)了(le)一種使用激(ji)(ji)光束來對(dui)開口(kou)管的長邊方(fang)向的邊緣部進行焊(han)接(jie)的鋼管的制造方(fang)法，主要是涉及油(you)井管或管線(xian)管等(deng)石油(you)、天(tian)然氣(qi)體的開采(cai)、輸(shu)送所適用的激(ji)(ji)光焊(han)接(jie)鋼管的制造方(fang)法。
2.工藝具體實施
1）先(xian)行激(ji)光束以(yi)及后(hou)行激(ji)光束的正焦點處的光斑(ban)直徑
在(zai)先行激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3a、后行激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3b的(de)正焦(jiao)(jiao)(jiao)點處的(de)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)直(zhi)徑為(wei)0.3mm以(yi)(yi)下(xia)時，焊(han)接時的(de)焊(han)縫的(de)寬度(du)變(bian)窄，產生坡口的(de)熔(rong)融殘余。因此，使(shi)正焦(jiao)(jiao)(jiao)點處的(de)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)直(zhi)徑超過0.3mm。另一方面，如果光(guang)(guang)(guang)斑(ban)直(zhi)徑超過1mm，則能量密(mi)度(du)較小，所以(yi)(yi)小孔難以(yi)(yi)穩定(ding)。因此，先行激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3a、后行激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3b的(de)正焦(jiao)(jiao)(jiao)點處的(de)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)直(zhi)徑優(you)選在(zai)1mm以(yi)(yi)下(xia)。先行激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3a、后行激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3b的(de)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)形狀優(you)選為(wei)圓(yuan)形，但也可以(yi)(yi)為(wei)橢圓(yuan)形(oval figure)。在(zai)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)形狀為(wei)橢圓(yuan)形的(de)情況下(xia)，需要(yao)正對焦(jiao)(jiao)(jiao)處的(de)短徑超過0.3mm。而且，鑒于(yu)與上述圓(yuan)形的(de)情況相同的(de)理由，短徑優(you)選為(wei)1mm以(yi)(yi)下(xia)。
2）從開口(kou)管的(de)上(shang)表面到焦點的(de)距(ju)離
將從開(kai)口(kou)管(guan)的(de)(de)(de)(de)上(shang)表(biao)面(mian)(mian)(mian)到(dao)焦(jiao)(jiao)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)距離(li)設為t(mm)，將開(kai)口(kou)管(guan)的(de)(de)(de)(de)鋼板(ban)厚設為T(mm)，如果(guo)從開(kai)口(kou)管(guan)的(de)(de)(de)(de)上(shang)表(biao)面(mian)(mian)(mian)到(dao)焦(jiao)(jiao)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)距離(li)t超過(guo)3×T(即(ji)(ji)從上(shang)表(biao)面(mian)(mian)(mian)朝上(shang)方(fang)3T)，則(ze)焦(jiao)(jiao)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)位置過(guo)高，所(suo)以(yi)難(nan)以(yi)穩定維持小孔。另(ling)一方(fang)面(mian)(mian)(mian)，如果(guo)超過(guo)-3×T(即(ji)(ji)從上(shang)表(biao)面(mian)(mian)(mian)朝下方(fang)3T)，則(ze)焦(jiao)(jiao)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)位置過(guo)深，所(suo)以(yi)容易從鋼板(ban)的(de)(de)(de)(de)背面(mian)(mian)(mian)(即(ji)(ji)開(kai)口(kou)管(guan)的(de)(de)(de)(de)內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian))側產生(sheng)飛(fei)濺物。因此，優選將從開(kai)口(kou)管(guan)的(de)(de)(de)(de)上(shang)表(biao)面(mian)(mian)(mian)到(dao)焦(jiao)(jiao)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)距離(li)t設定在-3×T-3×T的(de)(de)(de)(de)范圍內(nei)。
3）如果將(jiang)先(xian)行激光(guang)(guang)束3a的入(ru)射角θa和后行激光(guang)(guang)束3b的入(ru)射角θb設定為θa<θb，則從后行激光(guang)(guang)束3b所(suo)穿過的開口管1的上表(biao)面到背(bei)面的距離(li)變長，所(suo)以后行激光(guang)(guang)束3b的能量衰減，加熱效率降低。因此，雖然獲得先(xian)行激光(guang)(guang)束3a對(dui)邊緣部2的預熱效果，但后行激光(guang)(guang)束3b對(dui)邊緣部2的熔融(rong)變得不穩(wen)定。
另外，如(ru)果(guo)設定為(wei)θa=θb，則先行(xing)激(ji)光(guang)束(shu)3a和后行(xing)激(ji)光(guang)束(shu)3b的各(ge)小孔(kong)4容(rong)易合為(wei)一體而(er)產(chan)生(sheng)巨(ju)大(da)的小孔(kong)，由(you)此可能(neng)大(da)量產(chan)生(sheng)飛濺(jian)(jian)物(wu)(wu)。因此，需要將(jiang)先行(xing)激(ji)光(guang)束(shu)3a和后行(xing)激(ji)光(guang)束(shu)3b的入射角設定為(wei)θa>θb。即，在(zai)先行(xing)激(ji)光(guang)束(shu)3a預熱(re)邊緣部2時(shi)為(wei)了抑制飛濺(jian)(jian)物(wu)(wu)而(er)增大(da)傾(qing)斜角θa。在(zai)后行(xing)激(ji)光(guang)束(shu)3b熔融(rong)邊緣部2時(shi)為(wei)了提高加(jia)熱(re)效率而(er)減小傾(qing)斜角θb。
這樣，先行(xing)激光束(shu)3a預熱(re)邊緣(yuan)部2。而(er)且先行(xing)激光束(shu)3a朝(chao)焊(han)接(jie)進(jin)(jin)行(xing)方向傾斜(xie)而(er)照射，所以能(neng)夠(gou)抑制飛濺(jian)物的(de)產生。接(jie)著，后行(xing)激光束(shu)3b熔(rong)融邊緣(yuan)部2。此時邊緣(yuan)部2被預熱(re)，所以不(bu)產生飛濺(jian)物。結果，能(neng)夠(gou)減少飛濺(jian)物，進(jin)(jin)而(er)能(neng)夠(gou)防(fang)止下陷(xian)、不(bu)滿(man)。
在(zai)先(xian)(xian)行激(ji)(ji)(ji)光束3a的(de)(de)(de)(de)(de)入(ru)(ru)射(she)角θa不足(zu)5°時，入(ru)(ru)射(she)角θa過(guo)小，所以表(biao)現出與垂直(zhi)照射(she)先(xian)(xian)行激(ji)(ji)(ji)光束3a的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)舉動，無法得(de)到(dao)抑(yi)制飛濺物的(de)(de)(de)(de)(de)產生的(de)(de)(de)(de)(de)效果。另一方面，如果入(ru)(ru)射(she)角θa超過(guo)50°，則(ze)從先(xian)(xian)行激(ji)(ji)(ji)光束3a所穿過(guo)的(de)(de)(de)(de)(de)開口管(guan)1的(de)(de)(de)(de)(de)上表(biao)面到(dao)背(bei)面的(de)(de)(de)(de)(de)距離變長，所以先(xian)(xian)行激(ji)(ji)(ji)光束3a的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量衰減(jian)，無法得(de)到(dao)充分的(de)(de)(de)(de)(de)預熱效果。因此，先(xian)(xian)行激(ji)(ji)(ji)光束3a的(de)(de)(de)(de)(de)入(ru)(ru)射(she)角θa優(you)選在(zai)5°～50°的(de)(de)(de)(de)(de)范圍內。
同樣，在后(hou)(hou)行(xing)激(ji)(ji)光束(shu)(shu)(shu)3b的(de)(de)入射角θb不足5°時，入射角θb過(guo)小，所以(yi)表現(xian)出與垂直照射后(hou)(hou)行(xing)激(ji)(ji)光束(shu)(shu)(shu)3b的(de)(de)情況相(xiang)同的(de)(de)舉動，無法得(de)到(dao)抑(yi)制(zhi)飛(fei)濺(jian)物的(de)(de)產生(sheng)的(de)(de)效果(guo)。另一方(fang)面，如果(guo)入射角θb超過(guo)50°，則從后(hou)(hou)行(xing)激(ji)(ji)光束(shu)(shu)(shu)3b所穿過(guo)的(de)(de)開口管1的(de)(de)上(shang)表面到(dao)背面的(de)(de)距離變長，所以(yi)后(hou)(hou)行(xing)激(ji)(ji)光束(shu)(shu)(shu)3b的(de)(de)能量衰減，無法獲得(de)充(chong)分(fen)的(de)(de)焊透深(shen)度。因此，后(hou)(hou)行(xing)激(ji)(ji)光束(shu)(shu)(shu)3b的(de)(de)入射角θb優選在5°～50°的(de)(de)范(fan)圍內。
4）開口管的背面側的先行激光(guang)束與后行激光(guang)束的中(zhong)心點的間隔(ge)
將開口管1的(de)(de)(de)(de)背(bei)(bei)(bei)面(mian)側的(de)(de)(de)(de)先(xian)行(xing)激光束(shu)(shu)3a與后行(xing)激光束(shu)(shu)3b的(de)(de)(de)(de)中心(xin)點的(de)(de)(de)(de)間隔L設為1mm以上。如果間隔L在1mm以上，則在背(bei)(bei)(bei)面(mian)側熔池沿焊接進行(xing)方向延伸，來(lai)自背(bei)(bei)(bei)面(mian)側的(de)(de)(de)(de)飛濺物的(de)(de)(de)(de)產生(sheng)量減少，由(you)此(ci)可得到沒(mei)有(you)下陷、不滿的(de)(de)(de)(de)焊縫。但是如果間隔L超過10mm，則背(bei)(bei)(bei)面(mian)側的(de)(de)(de)(de)熔池分離，所以容易產生(sheng)飛濺物。因此(ci)，先(xian)行(xing)激光束(shu)(shu)3a與后行(xing)激光束(shu)(shu)3b的(de)(de)(de)(de)中心(xin)點的(de)(de)(de)(de)間隔L優(you)選在1mm～10mm的(de)(de)(de)(de)范圍內。
5）壓縮量
在進(jin)行激光焊(han)接(jie)(jie)時(shi)(shi)，優選(xuan)對(dui)焊(han)接(jie)(jie)部施加(jia)0.2mm～1.0mm的壓縮。在壓縮量不足0.2mm時(shi)(shi)，無法使由激光焊(han)接(jie)(jie)產生(sheng)的氣孔消(xiao)失。另一(yi)方面(mian)，如果(guo)超過1.0mm，則激光焊(han)接(jie)(jie)變(bian)得不穩定，飛濺物的產生(sheng)量增加(jia)。
6）激光束的激光輸出(chu)以及焊接速度
一(yi)般激(ji)光(guang)輸出(chu)(chu)越低，焊(han)接(jie)(jie)速度(du)越慢(man)，則在(zai)(zai)激(ji)光(guang)焊(han)接(jie)(jie)時產生的飛(fei)濺(jian)物(wu)越少。然而為(wei)了(le)抑制飛(fei)濺(jian)物(wu)的產生而降(jiang)低激(ji)光(guang)輸出(chu)(chu)和(he)焊(han)接(jie)(jie)速度(du)意味著(zhu)降(jiang)低激(ji)光(guang)焊(han)接(jie)(jie)鋼管(guan)的生產性(xing)。因此，在(zai)(zai)本技術中，優選(xuan)先(xian)行激(ji)光(guang)束(shu)3a和(he)后行激(ji)光(guang)束(shu)3b的激(ji)光(guang)束(shu)的激(ji)光(guang)輸出(chu)(chu)合(he)計超過(guo)16kW，并且以超過(guo)7m/min的焊(han)接(jie)(jie)速度(du)來進行激(ji)光(guang)焊(han)接(jie)(jie)。在(zai)(zai)激(ji)光(guang)輸出(chu)(chu)合(he)計在(zai)(zai)16kW以下時，焊(han)接(jie)(jie)速度(du)變為(wei)7m/min以下，所以導(dao)致(zhi)激(ji)光(guang)焊(han)接(jie)(jie)鋼管(guan)的生產性(xing)降(jiang)低。
根據日本JFE耐磨板公(gong)司提供的技術，即使是厚(hou)壁(bi)材(cai)料（例如(ru)厚(hou)度4mm以上）的開口管，也能夠不用(yong)通(tong)過(guo)高頻加熱(re)(re)等預熱(re)(re)邊(bian)緣部(bu)，來進行(xing)激(ji)光焊(han)接(jie)。但是，如(ru)果通(tong)過(guo)高頻加熱(re)(re)等對邊(bian)緣部(bu)進行(xing)預熱(re)(re)，則能夠得到提高激(ji)光焊(han)接(jie)鋼管的生產性等的效果。如(ru)果進行(xing)基(ji)于高頻加熱(re)(re)的預熱(re)(re)則在焊(han)接(jie)部(bu)形(xing)成(cheng)堆高，但在激(ji)光焊(han)接(jie)后通(tong)過(guo)切削(xue)或磨削(xue)除去該堆高就可更好地(di)完(wan)成(cheng)焊(han)接(jie)部(bu)的表面(mian)性狀。
7）激光束的振蕩(dang)器
根據日本JFE耐磨板公(gong)司提供的技術所使(shi)用(yong)的激光(guang)束(shu)的振蕩器(qi)可(ke)以使(shi)用(yong)各(ge)種形態的振蕩器(qi)，優選將氣體用(yong)作介質的氣體激光(guang)器(qi)、將固體用(yong)作介質的固體激光(guang)器(qi)、用(yong)光(guang)纖(xian)代替(ti)分散材(cai)料作為激光(guang)介質的光(guang)纖(xian)激光(guang)器(qi)、盤狀(zhuang)激光(guang)器(qi)等。或(huo)者也可(ke)以使(shi)用(yong)半導體激光(guang)器(qi)。
8）輔助熱源
可以(yi)從(cong)開(kai)口(kou)管(guan)1的外(wai)(wai)面(mian)側利(li)(li)用輔(fu)助熱源進行加熱。該(gai)輔(fu)助熱源只要能夠加熱熔(rong)融開(kai)口(kou)管(guan)1的外(wai)(wai)表面(mian)，就對其結構沒有特(te)別(bie)限定。例如(ru)，優選利(li)(li)用燃(ran)燒器熔(rong)化法(fa)、等(deng)離(li)子體熔(rong)化法(fa)、TIG熔(rong)化法(fa)、電子束熔(rong)化法(fa)、激光(guang)熔(rong)化法(fa)等(deng)方法(fa)。
此外，優(you)(you)選將輔(fu)助熱(re)源與激光束的振(zhen)蕩器(qi)配(pei)置(zhi)為(wei)(wei)一(yi)體(ti)，其理(li)由(you)是(shi)如果(guo)輔(fu)助熱(re)源和激光不(bu)配(pei)置(zhi)為(wei)(wei)一(yi)體(ti)，則為(wei)(wei)了(le)獲得輔(fu)助熱(re)源的效果(guo)而需要較(jiao)多的熱(re)量(liang)，很難抑制焊接缺陷(xian)(例如下陷(xian)、不(bu)滿等)。并且(qie)，更優(you)(you)選為(wei)(wei)使(shi)輔(fu)助熱(re)源比(bi)激光束的振(zhen)蕩器(qi)更靠前配(pei)置(zhi)，其理(li)由(you)是(shi)能夠除(chu)去(qu)邊緣(yuan)部的水分、油分。
優選使用電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)作為優選的(de)(de)(de)(de)輔助(zhu)熱(re)源(yuan)(yuan)。電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)源(yuan)(yuan)使用能夠(gou)朝抑(yi)制(zhi)熔融(rong)金屬燒穿的(de)(de)(de)(de)方向施加電(dian)(dian)(dian)(dian)磁(ci)力的(de)(de)(de)(de)裝置(zhi)(zhi)。此外，優選電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)源(yuan)(yuan)與激(ji)光束(shu)配置(zhi)(zhi)為一體。其理由如上所述，將在產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)(de)(de)(de)焊(han)接電(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)(de)(de)周邊產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)場的(de)(de)(de)(de)影響有效地施加于由激(ji)光束(shu)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)熔融(rong)金屬。并且，更(geng)優選為使電(dian)(dian)(dian)(dian)弧(hu)的(de)(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)源(yuan)(yuan)比激(ji)光束(shu)靠前配置(zhi)(zhi)。其理由是能夠(gou)除去邊緣部(bu)的(de)(de)(de)(de)水分、油(you)分。
3.結語
根(gen)(gen)據(ju)日本JFE耐磨板公司提供(gong)的(de)(de)技術，與氣體(ti)保護焊(han)(han)、添加填(tian)充金(jin)屬等以(yi)往公知的(de)(de)技術組合(he)也會有效(xiao)果。這樣的(de)(de)復(fu)合(he)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)技術不(bu)僅適用(yong)于焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)鋼管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)制造，還適用(yong)于厚鋼板的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)。如(ru)以(yi)上所述，根(gen)(gen)據(ju)本技術，在(zai)制造激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)鋼管(guan)(guan)(guan)時適當(dang)(dang)地(di)保證(zheng)光(guang)(guang)(guang)斑直徑，并適當(dang)(dang)排列兩道激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束，并且控(kong)制激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)入(ru)射角等激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)條件，從而能(neng)夠防止飛濺物(wu)的(de)(de)產生，能(neng)夠抑制焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)部的(de)(de)下陷(xian)、不(bu)滿，并且能(neng)夠不(bu)降(jiang)低(di)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)效(xiao)率而得(de)到質(zhi)量良好(hao)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)部，能(neng)夠高合(he)格率地(di)穩定制造激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)鋼管(guan)(guan)(guan)。得(de)到的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)鋼管(guan)(guan)(guan)能(neng)發揮激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)優(you)點，使接(jie)(jie)(jie)縫的(de)(de)低(di)溫(wen)韌(ren)性(xing)、耐腐蝕性(xing)優(you)良，適用(yong)于在(zai)寒冷(leng)地(di)區、腐蝕環境(jing)下使用(yong)的(de)(de)油井管(guan)(guan)(guan)、管(guan)(guan)(guan)線(xian)管(guan)(guan)(guan)。