管線鋼高效焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及前景分析

卜磊

摘要：隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于石油與天然氣的需求量也日益加大，管線建設(shè)量也日益擴(kuò)大，一系列高效優(yōu)質(zhì)的焊接新技術(shù)廣泛應(yīng)用于管道連接過(guò)程中。較國(guó)外一些先進(jìn)國(guó)家而言，我國(guó)管線鋼高效焊接技術(shù)還停留在初級(jí)階段，未形成一定發(fā)展規(guī)模，因此，提升管線鋼高效焊接技術(shù)則非常有必要。筆者針對(duì)于管線鋼高效焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及前景展開分析，意在既能夠促進(jìn)管線鋼焊接工藝研究，促使相關(guān)部門和相關(guān)人員重點(diǎn)關(guān)注焊接設(shè)備的研發(fā)工作，爭(zhēng)取早日將設(shè)備制造國(guó)產(chǎn)化，推動(dòng)管線鋼焊接行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：管線鋼;焊接技術(shù);對(duì)焊接;研究現(xiàn)狀;前景

引言

為了有效推動(dòng)我國(guó)管線焊接新工藝的研究和應(yīng)用，滿足我國(guó)現(xiàn)代化管線建設(shè)的要求，本文針對(duì)于國(guó)內(nèi)外采用的管線鋼焊接新工藝和新方法展開研究，對(duì)不同焊接工藝所取得的進(jìn)展進(jìn)行探析，然后對(duì)不同焊接工藝的優(yōu)劣性進(jìn)行比較和分析，對(duì)我國(guó)管線鋼焊接新技術(shù)研究與國(guó)外存在的差距進(jìn)行詳細(xì)闡述，指出今后需努力的方向。

一、閃光對(duì)焊技術(shù)

閃光對(duì)焊技術(shù)是指在對(duì)焊機(jī)的輔助下，來(lái)協(xié)助兩端金屬接觸，在連接電源之后，會(huì)在電阻熱的幫助下在觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧，在端面金屬達(dá)到一定溫度之后，會(huì)在軸向加壓頂鍛方式來(lái)完成對(duì)焊工作。較傳統(tǒng)焊接技術(shù)而言，閃光對(duì)焊有著較高的自動(dòng)化，能夠一次塑成形狀，且有著較高的生產(chǎn)效率，針對(duì)于大口徑、厚壁的管線鋼而言，有著較大的潛力。

閃光對(duì)焊技術(shù)最早起源于前蘇聯(lián)，目前，在烏克蘭和俄羅斯都得到了廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于其他國(guó)家而言，閃光對(duì)焊技術(shù)還是處于初級(jí)試驗(yàn)階段，就其原因是難以保證閃光對(duì)焊的接頭質(zhì)量。據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)調(diào)查經(jīng)驗(yàn)顯示，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)造X65管線對(duì)焊的接頭預(yù)算模型，可以采取實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)焊接參數(shù)的方式來(lái)進(jìn)一步提升接頭質(zhì)量。較一些國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的閃光對(duì)焊技術(shù)而言，我國(guó)研究水平還呈現(xiàn)滯后性，研究水平依然處于初級(jí)階段，在此情況下，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的閃光對(duì)焊技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、拓展先進(jìn)設(shè)備及資金的引入渠道，加大閃光對(duì)焊技術(shù)人才培養(yǎng)力度是我國(guó)亟待解決的問(wèn)題。

二、高能束焊

（一）激光焊

激光焊接技術(shù)是在20世紀(jì)60年代誕生的，其作用原理是指在高品質(zhì)及高能量的激光熱源作用下，來(lái)對(duì)材料進(jìn)行連接。激光焊有著諸多優(yōu)勢(shì)，例如，其有著較高的生產(chǎn)效率、較小的熱影響區(qū)及較低的熱輸入。同時(shí)激光焊接技術(shù)應(yīng)用前景較為廣闊，其不僅僅能夠有效減少管線鋼焊接的冷裂縫，還能夠一定程度上控制熱影響區(qū)軟件化所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于管線鋼高效焊接領(lǐng)域中。

激光焊有著較大的能量密度，特別是其在深熔焊模式的作用下，可以單道就實(shí)現(xiàn)中厚度管線鋼的焊接工作，且能夠很好的保證接頭性能，對(duì)于管線鋼的熱影響區(qū)的軟化問(wèn)題能夠做到很好的解決和處理。但是，激光焊接有著較小的聚焦點(diǎn)，這也對(duì)其裝配精度體出了更高的要求，針對(duì)于大口徑的管線鋼而言，激光焊技術(shù)不能有效的對(duì)其實(shí)行焊接。

單級(jí)脈沖焊是閃光對(duì)焊技術(shù)重要的組成部分，該技術(shù)是由Austin A&M大學(xué)結(jié)合J型管線鋪設(shè)工藝研發(fā)而成的。應(yīng)用單向發(fā)電機(jī)來(lái)制造大電流、低電壓脈沖，生成電阻熱，待達(dá)到一定溫度后在鍛壓形成焊縫。該工藝能夠得到良好的焊接接頭，且其焊接接頭具有強(qiáng)度高、熱影響區(qū)低的特點(diǎn)。但是也極容易產(chǎn)生脆性層，減少接頭的耐沖擊性能。單極脈沖焊是一種潛力巨大的焊接工藝，與管線鋼相宜的焊接工藝參數(shù)、、缺陷檢測(cè)方法等有待于深入研究。

（二）激光—電弧焊

激光—電弧焊是在20世紀(jì)70年代WSteen所提出，其是指將激光焊技術(shù)切實(shí)融入于電弧焊技術(shù)，使二者相得益彰，充分挖掘二者的應(yīng)用價(jià)值。其不僅能夠有效減少管線鋼轉(zhuǎn)裝配的要求，也能夠進(jìn)一步提升所施加的能力密度，對(duì)焊縫成形做到有效控制。

激光—電弧焊有著較為廣闊的應(yīng)用范圍，其主要是應(yīng)用旁軸復(fù)合形式，且在實(shí)際焊接技術(shù)中，還要控制激光和電弧的相對(duì)位置，以避免由于二者相對(duì)位置不同而對(duì)焊接質(zhì)量帶來(lái)不利影響。經(jīng)過(guò)相關(guān)人員對(duì)過(guò)X80管線鋼和激光MIC電弧復(fù)合焊研究發(fā)現(xiàn)，激光前置能夠有效預(yù)防熔滴過(guò)渡及熔池波動(dòng)的影響，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大熔深。在控制相對(duì)位置的同時(shí)，還要對(duì)激光和熔化極氣體保護(hù)焊的功率匹配進(jìn)行科學(xué)控制，激光和熔化極氣體保護(hù)焊的功率也是影響焊接質(zhì)量的主要因素之一。據(jù)相關(guān)調(diào)查研究表明，激光—電弧焊中一旦出現(xiàn)較大的電弧能量占比，在熔深和焊縫橫截面形狀方面都占據(jù)相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)階段，管線鋼應(yīng)用激光—電弧焊技術(shù)的研究方向多是集中于焊接接頭質(zhì)量的系統(tǒng)評(píng)估、焊機(jī)工藝的參數(shù)研究等等。在管線鋼級(jí)別不斷增加的背景下，對(duì)激光—電弧焊管線鋼性能、熱影響區(qū)相變機(jī)理等方面展開研究和分析是至關(guān)重要的。針對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)管線焊接而言，其面臨的重要問(wèn)題是現(xiàn)場(chǎng)缺少必要的能源支持，且激光設(shè)備的尺寸也受到一定程度的制約。就目前而言，針對(duì)于百瓦級(jí)和千瓦級(jí)的光纖激光器來(lái)說(shuō)，我國(guó)有自主研發(fā)和生產(chǎn)的能力，而針對(duì)于萬(wàn)瓦級(jí)的光纖激光器而言，我國(guó)研發(fā)過(guò)程中還缺少相應(yīng)的技術(shù)及人才等方面的支持，大部分只能依賴于進(jìn)口。因此，我國(guó)要加大對(duì)大功率激光設(shè)備的研發(fā)力度，迎難而上，克服技術(shù)困難，進(jìn)而促進(jìn)激光—電弧焊技術(shù)在國(guó)管線鋼上的應(yīng)用前景開拓。

（三）電子束焊

作為一種高能束焊技術(shù)，電子束焊技術(shù)一直深受關(guān)注。該技術(shù)是1980年法國(guó)Total石油公司在開展J-型鋪管作業(yè)時(shí)提出來(lái)的，但電子束保證能力密度的前提是在真空環(huán)境下，而真空室的大小和形狀對(duì)于該技術(shù)的應(yīng)用造成一定制約。2000年，英國(guó)焊接研究所創(chuàng)造了在管線鋪設(shè)前提下的非真空電子束焊接裝置，應(yīng)用側(cè)吹氬氣的方式來(lái)對(duì)電離產(chǎn)生的電離子進(jìn)行驅(qū)除，實(shí)現(xiàn)了電子束能量的集中。

目前而言，國(guó)內(nèi)缺少對(duì)于管線鋼電子束焊接工藝的研究，但是基于國(guó)內(nèi)電子束焊接的優(yōu)勢(shì)和一些先進(jìn)國(guó)家的研究經(jīng)驗(yàn)，可以為國(guó)內(nèi)電子束焊接工藝的研究提供一定的方向。電子束焊接的組隊(duì)精度對(duì)于激光焊接提出了更高的要求，且工作過(guò)程需要解決產(chǎn)生有輻射的X射線等問(wèn)題。但是，電子束焊的深寬比例能夠控制在2%，較于激光焊技術(shù)而言，電子束焊的有著更高的能量密度，針對(duì)于大厚壁的管線鋼而言，是一種非常理想的焊接技術(shù)，有著較為廣闊的應(yīng)用前景。

三、摩擦焊

（一）徑向摩擦焊

徑向摩擦焊是借助于焊件相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量來(lái)完成的一種固相壓力焊方法，該技術(shù)焊接過(guò)程穩(wěn)定、安全，有著較高的焊接效率，且焊接過(guò)程能控制低污染，被廣泛應(yīng)用于管道之間對(duì)接工作中。20世紀(jì)80年代，挪威等國(guó)家就開始對(duì)用于管道焊接的徑向摩擦焊機(jī)進(jìn)行研制，并探索了管道徑向摩擦焊工藝。

現(xiàn)階段，徑向摩擦焊技術(shù)在基礎(chǔ)理論與焊接工藝方面都趨于完善，有著較大的進(jìn)步。比利時(shí)的KFaes等人針對(duì)X52級(jí)管線鋼進(jìn)行了徑向摩擦焊工藝探索，據(jù)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，徑向環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度、厚度以及材料和焊接質(zhì)量呈現(xiàn)密切關(guān)系。徑向環(huán)速度增加可以降低工件變形量，徑向環(huán)的力學(xué)性能要與被焊材料相適應(yīng)，徑向環(huán)厚度影響摩擦焊接的熱過(guò)程，進(jìn)而影響焊接接頭組織。

（二）攪拌摩擦焊

管線鋼應(yīng)用攪拌摩擦焊過(guò)程中，需要給內(nèi)部提供一定支撐力，避免焊接過(guò)程產(chǎn)生較大壓力而造成管道壁塌陷的情況。美國(guó)的MegStir公司對(duì)準(zhǔn)305mm的X60管線鋼進(jìn)行了攪拌摩擦焊試驗(yàn)，應(yīng)用W型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，在旋轉(zhuǎn)管線鋼的同時(shí)，提供內(nèi)部支撐，使13mm壁厚的管線鋼的焊接達(dá)到理想程度。在改進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，管線鋼攪拌摩擦焊工藝的研究也得到一定進(jìn)步。

據(jù)相關(guān)研究顯示，在環(huán)縫焊接管線鋼時(shí)，應(yīng)用攪拌摩擦焊可比電弧焊減少大約在8%的成本?，F(xiàn)階段，管線鋼攪拌摩擦焊的研究方向主要是指針對(duì)于焊接工藝參數(shù)、接頭顯微組織與質(zhì)量。管線鋼焊接應(yīng)用攪拌摩擦焊時(shí)極易出現(xiàn)變形情況，梳理顯微組織與變形的關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)焊接工藝的進(jìn)一步改善。

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