Новости

Разрабатывается технология и оборудование для лазерно-дуговой сварки труб большого диаметра.

Дата публикации: 10/05/2011
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Рассмотрена перспективность применения гибридной лазерно-дуговой сварки для соединения труб при строительстве трубопроводов (С. КАЙТЕЛЬ, д-р-инж., Я. НОЙБЕРТ, инж.: Учебн.-исслед. ин-т, г. Галле (Зале), Германия. Показано, что сочетание гибридной сварки с дуговой позволяет формировать полнопрофильное сечение металла шва при толщине стенки трубы 10 мм.
Гибридную сварку также можно успешно применять при выполнении корневого прохода в соединениях труб с притуплением 12... 15 мм.
Трубы большого диаметра для нефте- и газопроводов на протяжении многих лет соединяют испытанным и хорошо себя зарекомендовавшим способом дуговой сварки. В зависимости от длины прокладываемого трубопровода, толщины стенки отдельных труб и материала, из которого они изготовлены, применяют различные варианты этого способа сварки — от ручной дуговой штучными электродами до орбитальной дуговой сварки МАГ, выполняемой на специальных установках.
При этом перемещение поста производится сварщиком не вручную, а механически с помощью систем, которые приводятся, в действие двигателем, и зажимных приспособлений, расположенных по всему периметру трубы. Если длина трубопровода и профиль местности позволяют, то применяют сразу несколько орбитальных установок, причем каждый отдельный пост предназначен для сварки одного или двух слоев, после чего он перемещается на следующий стык, где продолжается сварка таких же швов.
Как правило, каждая установка оснащена несколькими сварочными головками.
Такое конструктивное решение свидетельствует. о высоком уровне развития оборудования и сварочной технологии, однако характеризуется в то же время большими затратами с точки зрения комплектации и технического обслуживания. В связи с нехваткой энергоресурсов разработки подземных недр ведутся во все более сложных условиях. При растущих потребностях в надежном энергоснабжении в Германии и Европе остро стоит вопрос о создании новых мощных технологий прокладки трубопроводов, соответствующих современным запросам.
Проблемой является то, что применяемые дуговые процессы с точки зрения производительности процесса плавления и скорости сварки достигли уже своего предела и значительного улучшения в этой области не даст даже оптимизация оборудования.
В этих условиях актуальным является разработка таких высокопроизводительных процессов сварки, которые позволяют сократить количество проходов при многослойной сварке, а также снизить затраты на персонал и оборудование. Перспективными в плане выполнения этих требований с точки зрения и технологии, и аппаратуры являются сварочные процессы на базе лазера.
Применение гибридной лазерно-дуговой сварки открывает новые возможности.
Оба эти процесса сварки тесно связаны, поскольку и лазерный луч, и дуга взаимодействуют в общей жидкой ванне. Совместное воздействие обоих источников энергии и присадочного материала позволяет достичь высокой эффективности процесса сварки.
При этом очень важны синергетические эффекты, которые проявляют и усиливают преимущества каждого из двух способов сварки.
Шов получается таким же глубоким, как при лазерной сварке, а перекрытие зазора гораздо лучше. При соединении тонких листов можно достичь очень высокой скорости сварки, иногда во много раз большей, чем при сварке в защитном газе.
При сварке более толстых листов преимущество состоит в том, что вместо обычных многослойных швов сварку можно выполнять за один проход и часто без дополнительной разделки кромок. Применение лазерных источников в условиях монтажных площадок стало возможным благодаря бурному развитию этой области.
Лучевые источники последнего поколения (так называемые оптоволоконные лазеры) имеют не только большую мощность, но и надежную компактную конструкцию.
Они характеризуются высоким КПД и превосходным качеством луча (в отличие от обычных лазерных источников — СО2- или Nd:YАG-лазер) в связи с этим существуют все предпосылки для их широкого применения.
Последние пять лет мобильные оптоволоконные лазеры успешно используют в судостроении и при строительстве трубопроводов. Целью описанных ниже исследований было определение возможностей использования технологии и аппаратуры для гибридной лазерно-дуговой сварки применительно к соединениям труб с учетом таких важных аспектов, как допуски, влияние внешней среды, мобильность сварочного оборудования, а также возможность сварки в принудительном положении в монтажных условиях.
Основным направлением в исследованиях была возможность использования типичного для лазера эффекта глубокого провара для получения высококачественного свободного корневого слоя с высотой притупления 6... 10 мм. Для этого сравнивали варианты лазерных и дуговых систем, которые применяют для гибридной сварки стыковых соединений с различными типами разделки кромок.
Для соединения труб выбран способ сварки двух швов сверху вниз, при котором значительно уменьшается необходимая для формирования шва степень свободы при компоновке лазерного луча и дуги.
После определения технологических параметров гибридной сварки первого слоя в структуру эксперимента нужно было интегрировать процесс дуговой сварки МАГ, чтобы за один оборот получить на листе толщиной до 12 мм замкнутый профиль шва.
Предполагалось, что второй процесс сварки сможет положительно повлиять на механико-технологические свойства выполняемого сварного шва.
Чтобы подтвердить технологическую целесообразность гибридного лазерно-дугового процесса орбитальной сварки применяли обычные технологии. Базовым оборудованием для выполнения исследований служила поворотная система для труб фирмы «Gullсо».
Указанная система оснащена трактором на кольцевой направляющей для перемещения по кругу, тактильными системами слежения за швом и управления, базирующимися на установочных осях для регулирования процессом сварки относительно разделки кромок. В процессе сварки тактильный датчик располагается впереди по направлению движения. Сварочную головку с различными элементами жесткости адаптировали к установочной оси для регулирования по высоте.
Для реализации возможных серийных вариантов система лазерный луч + дуга МАГ может иметь дополнительные средства перемещения горелки и луча.
Применяли две различные системы оптоволоконного лазера. На первом этапе исследований при высоте притупления до 6 мм использовали оптоволоконный лазер мощностью 4,5 кВт, а на втором при высоте притупления 8 мм в эксперименте — лазер мощностью 10 кВт Учебно-исследовательского института земли Мекленбург-Форпоммерн.
Первый оптоволоконный лазер, который применили для сварки лазерным источником мощностью 4 кВт, был выпущен в 2003 г. и за годы эксплуатации подтвердил свою эффективность. Для получения замкнутого профиля шва к сварочной головке подсоединили еще одну дуговую горелку, что позволило за один оборот сварить гибридной сваркой корень, а сваркой МАГ — верхний слой, т. е. благодаря двум швам, выполненным сверху вниз, обеспечили полное заполнение кромок. Сваривали отрезки труб длиной до 6 м.
По этой причине допуски к соединениям были большими по сравнению с соединениями калиброванных труб, особенно с точки зрения качества, в том числе и по величине смещения кромок.
Исследования проводили на двух лазерных источниках разной мощности.
На первом этапе исследований у лазера мощностью 4,5 кВт были определены основные параметры гибридной дуги и чувствительность гибридного процесса к допускам при постоянно изменяющемся положении сварки по периметру трубы. Второй этап исследований был посвящен оценке потенциала гибридного процесса при использовании более мощного (10 кВт) оптоволоконного лазера и одновременном увеличении высоты притупления в корневом слое с 6 до 8 мм.
При проведении сварочных экспериментов были поставлены следующие задачи: удаление внутреннего покрытия на всех соединяемых кромках; измерение толщины стенки, высоты и ширины притупления каждой соединяемой кромки; прихватка стыка с внешней центровкой таким образом, чтобы продольный шов подсоединяемой трубы стыковался с продольным швом приваренной трубы; замер смещения кромок и воздушного зазора на прихваченном стыке; установление положения фокуса и геометрических параметров заново для каждого стыка; направляющей для тактильного слежения за швом служит стационарно закрепленная труба; сварка двух швов осуществляется сверху вниз (после выполнения первого слоя смена ориентации на второй шов сверху вниз); вырезка макрошлифов выполняется из участков, соответствующих углам поворота сварочной головки 45, 90, 150° и 315, 270 и 210°. Благодаря допускам, замеренным на стыках труб, и соответствующим им сварочным параметрам имеются точные данные о воздействии допусков на процесс сварки.
Этот этап исследований завершился определением твердости металла в области корня шва, поскольку именно там доминирует лазерный луч и возможно повышение твердости. Для сравнения исследовали первый гибридный слой и замкнутый профиль шва, сваренный дугой, следующей за лучом. Качество выполненного шва исследовали методами неразрушающего и разрушающего контроля. Сначала проводили ультразвуковой контроль (методом фазированных решеток) и контроль просвечиванием.
С помощью металлографии определяли положение и размер выявленных внутренних дефектов.
На основе полученных данных построены диаграммы, с помощью которых объясняются нештатные ситуации, последние сопоставляются с результатами сварки в зависимости от определенных предварительно допусков.
Получена важная информация об имеющихся недостатках конструкции оборудования: слишком малая скорость сварки (увеличить до 3 м/мин); необходимость согласования мощности лазера с положением, в котором выполняется сварка; переналадка оборудования, которая при изменении направления сварки труб усовершенствованной поворотной конструкции или ориентации сварки занимает много времени и вследствие многопозиционной настройки является источником образования дефектов; существующая технология по своим механическим свойствам не отвечает требованиям процесса сварки. Реализованный на этой базе и предоставленный для последующих экспериментов прототип оборудования имеет следующие технические характеристики: скорость перемещения при позиционировании до 6 м/мин; скорость сварки до 3 м/мин; диаметр свариваемых труб 500.. .700 мм; изменение параметров режима в зависимости от положения сварки; слежение за направлением шва. Встроенная лазерная головка может быть подсоединена к любому оптоволоконному твердотельному лазеру мощностью до 20 кВт.
Целью очередной серии исследований была оптимизация процесса сварки первого слоя на трубах с толщиной стенки от 10 мм и разной высотой притупления, осуществляемого с помощью оптоволоконной лазерной системы YLS-12000, внедренной с 2003 г., мощностью 12 кВт в сварочном Учебно-исследовательском институте, г. Галле (Зале).
В центре внимания проводимых исследований, с одной стороны, была возможность формирования валика и корня при данной мощности лазера, а с другой — область нахлестки начала и конца двух швов, выполненных сверху вниз по периметру трубы.
С помощью металлографических исследований контролировали зоны сварного шва на наличие внутренних дефектов. В конце исследований проведен контроль материала L360NB для определения его механико-технологических характеристик. Cреднее значение ударной вязкости образцов типа ISO-V при температуре испытаний 0 °С составляла 136...177 Дж/см2. Таким образом, для экономичности строительства трубопроводов необходимы исследования новых способов соединения отрезков труб сваркой.
Первоочередной задачей является повышение скорости сварки при уменьшении количества слоев.
С этой целью альтернативой может стать гибридная лазерно-дуговая сварка, поскольку благодаря оптоволоконному лазеру появился источник излучения, открывающий новые возможности в области сварки.

Источник: «Автоматическая сварка», 2011, № 2, с.36-41 / www.nas.gov.ua/pwj

Статьи по теме:

страницы: 1