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Investigación sobre la tecnología de soldadura híbrida láser-arco LASW y el rendimiento de tuberías de acero de gran diámetro con costura recta.

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Los procesos tradicionales de soldadura por arco sumergido (SAW) para tuberías de acero de gran diámetro y paredes gruesas con costura recta suelen presentar inconvenientes como un alto aporte térmico total, una gran deformación por soldadura, granos de soldadura gruesos y una baja eficiencia de conformado. Estos inconvenientes dificultan el cumplimiento de los requisitos de servicio de los equipos de alta gama para el transporte de petróleo y gas y la ingeniería marina en lo que respecta a componentes de tuberías con baja tensión, alta tenacidad y alta precisión dimensional. Hebei Haiganwei Steel Pipe Co., Ltd., un fabricante líder nacional de tuberías soldadas por arco sumergido con costura recta JCOE, está llevando a cabo una investigación sobre la adaptación de la tecnología de soldadura híbrida láser-arco (LASW) basada en su línea de producción de conformado PID totalmente automatizada. Esta investigación explora esquemas de soldadura con fuente de calor compuesta basados en el sistema de soldadura por arco sumergido existente. Mediante el ajuste de parámetros clave del proceso, como la potencia del láser, la corriente del arco, la velocidad de soldadura y la distancia entre las fuentes de calor láser y de arco, se comparan sistemáticamente las características de formación de la soldadura, la microestructura, las propiedades mecánicas y los patrones de distribución de tensiones residuales de la soldadura por arco sumergido tradicional y la soldadura híbrida láser-arco. Los resultados experimentales demuestran que el efecto de acoplamiento de doble fuente de calor de LASW puede reducir eficazmente el alcance de la zona afectada por el calor de la soldadura, refinar los granos metálicos en la zona de soldadura y fusión, y disminuir significativamente la probabilidad de defectos de soldadura como porosidad, falta de fusión e inclusiones de escoria. La resistencia a la tracción, la tenacidad al impacto a baja temperatura y el rendimiento a la flexión de la junta soldada compuesta son superiores a los de las juntas soldadas por arco sumergido tradicionales. Además, la penetración de soldadura en una sola pasada es mayor, lo que puede reducir eficazmente el número de pasadas de soldadura y acortar los pasos del proceso. Este proceso de soldadura puede mejorar significativamente la calidad de soldadura de tuberías de acero de costura recta de gran diámetro y pared gruesa, controlar la tensión residual de soldadura y la deformación estructural, y es adecuado para la producción de precisión a gran escala de la línea de producción JCOE existente de Haiganwei, poseyendo un valor extremadamente alto para la aplicación en ingeniería y la promoción de procesos.

Palabras clave : Tubo de acero de costura recta; Conformado JCOE; LASW; Soldadura híbrida láser-arco; Microestructura; Propiedades mecánicas; Hebei Haiganwei

I. Introducción

Las tuberías de acero de gran diámetro y costura recta son componentes esenciales para soportar la presión en oleoductos de larga distancia, estructuras de acero para plataformas marinas y proyectos de infraestructura hídrica a gran escala. La microestructura, la precisión dimensional y la estabilidad estructural de las uniones soldadas determinan directamente la seguridad y la vida útil del proyecto. Hebei Haiganwei Steel Pipe Co., Ltd., ubicada en la Base Industrial de Equipos para Oleoductos de Yanshan, en la provincia de Hebei, cuenta con múltiples líneas de producción de tuberías soldadas por arco sumergido de costura recta con tecnología JCOE. Puede producir de forma estable tuberías de acero para oleoductos con diámetros exteriores que van desde 406,4 mm hasta 1422,4 mm y espesores de pared de hasta 50 mm. Sus productos abarcan el transporte de petróleo y gas, oleoductos de energías renovables y grandes estructuras de acero, y cumplen con estándares nacionales e internacionales como API 5L y GB/T 9711. La empresa es uno de los principales proveedores de tuberías de acero de costura recta de alta gama en China. Si bien su sistema de producción actual utiliza principalmente soldadura por arco sumergido de doble cara con procesos multicapa y multipaso, que son maduros y fiables, persisten deficiencias inherentes en la producción de tuberías de acero de alta calidad y paredes gruesas.

La soldadura tradicional por arco sumergido (SAW) implica largos periodos de aporte térmico y una amplia cobertura de calor. Durante la soldadura multicapa de placas gruesas, es probable que se produzca acumulación de calor, lo que genera problemas como deformación general de la tubería, elipticidad excesiva y concentración de tensiones residuales. El proceso de apilamiento de soldadura multicapa también es susceptible a defectos ocultos, como inclusiones entre capas y fusión incompleta localizada. Además, el calentamiento repetido durante la soldadura puede causar un crecimiento anormal del grano en la microestructura de la soldadura, lo que reduce la tenacidad a bajas temperaturas de la unión y la hace inadecuada para condiciones operativas complejas y severas, como alta presión, baja temperatura y corrosión intensa. Asimismo, el complejo proceso de soldadura multicapa y multipaso, junto con el largo ciclo de procesamiento, limita la mejora de la eficiencia de producción en la fabricación inteligente de tuberías de acero de alta gama. Ante la continua mejora de los requisitos de calidad de las tuberías en proyectos emergentes como el transporte de petróleo, gas e hidrógeno en China, Haiganwei ha estado explorando continuamente nuevos procesos de soldadura e intentando introducir la tecnología de soldadura híbrida láser-arco para transformar su sistema de soldadura actual.

La soldadura híbrida láser-arco (LASW) es una novedosa tecnología de soldadura híbrida que acopla espacialmente una fuente de calor láser de alta densidad energética con una fuente de calor de arco eléctrico pulsado, lo que permite un rendimiento complementario entre ambas fuentes. La fuente de calor láser ofrece energía concentrada y una fuerte penetración, lo que permite una rápida formación con una gran penetración de la soldadura; la fuente de calor de arco eléctrico proporciona un gran volumen de baño de fusión y una alta tolerancia a las holguras de ensamblaje, superando las limitaciones de la soldadura láser simple, que exige una precisión de ensamblaje rigurosa y tiene una baja tolerancia a los errores de proceso. El efecto sinérgico de las dos fuentes de calor optimiza eficazmente el campo de aporte térmico de la soldadura, mejora el estado del flujo del baño de fusión y suprime la formación de defectos de soldadura.

Actualmente, la tecnología LASW se ha aplicado inicialmente en la soldadura de estructuras de acero de chapa mediana y pesada, recipientes a presión y maquinaria de ingeniería. Sin embargo, la investigación sistemática sobre la adaptabilidad completa del proceso, la evolución de la microestructura y las propiedades mecánicas de las tuberías de acero de gran diámetro y pared gruesa con costura recta formadas mediante JCOE aún es insuficiente, debido a la falta de datos experimentales basados en las condiciones de operación de las líneas de producción en masa. Este estudio realiza experimentos de soldadura LASW basados en las condiciones de producción de la línea de producción de conformado JCOE de Haiganwei para explorar el mecanismo de influencia de los parámetros del proceso en la formación de la soldadura, la microestructura y las propiedades mecánicas. El establecimiento de un sistema de proceso de soldadura de alta calidad adecuado para tuberías de acero de gran diámetro con costura recta puede proporcionar apoyo teórico y referencia técnica para que las empresas mejoren los procesos de soldadura de tuberías de alta gama y optimicen la calidad.

II. Materiales y equipos de ensayo

2.1 Material base de prueba

Los materiales de prueba fueron placas de acero estructural de alta resistencia y baja aleación Q345B de uso general, con un espesor que oscila entre 12 y 28 mm, conforme a las especificaciones de las tuberías de acero de gran diámetro con costura recta de la línea de producción Haiganwei JCOE . Este acero posee una excelente plasticidad, tenacidad y soldabilidad, y se utiliza ampliamente en tuberías a presión y componentes portantes de grandes estructuras de acero. La composición química y las propiedades mecánicas básicas del material cumplen con los requisitos de la norma nacional GB/T 1591-2018. Todas las muestras de prueba se procesaron utilizando el proceso de doblado y conformado JCOE, estándar industrial de Haiganwei. Los procesos de fresado, pre-doblado y unión de costuras fueron consistentes con la línea de producción, con formas de bisel y espacios de ensamblaje estandarizados, replicando completamente las condiciones de producción reales para garantizar la autenticidad y la aplicabilidad de ingeniería de los datos de prueba.

2.2 Equipos de prueba

El experimento empleó un sistema de soldadura híbrido láser-arco integrado. El equipo cuenta con un módulo de ajuste de haz de alta precisión y un sistema de control de arco pulsado, lo que permite un acoplamiento espacial preciso entre las fuentes de calor láser y de arco. Parámetros clave como la potencia del láser, la velocidad de soldadura, la corriente del arco, el grado de desenfoque y la separación del arco se pueden controlar con precisión mediante parámetros programados. Un mecanismo de desplazamiento automático garantiza la estabilidad y la uniformidad del proceso de soldadura. Todo el sistema de soldadura es compatible con la estación de conformado y unión JCOE existente de Haiganwei , lo que facilita la integración y evaluación posteriores en la línea de producción.

Las pruebas de rendimiento posteriores a la soldadura emplean equipos de ensayo de precisión, como microscopios metalográficos, máquinas de ensayo universales controladas por ordenador, máquinas de ensayo de impacto a baja temperatura y analizadores de tensiones residuales. Esto permite observar la morfología macroscópica de la soldadura, caracterizar su microestructura, evaluar sus propiedades mecánicas y realizar un análisis cuantitativo de las tensiones residuales, caracterizando de forma integral el rendimiento general de la unión soldada. Los ensayos no destructivos utilizan equipos de ensayo ultrasónico de matriz de fases, compatibles con la línea de producción de Haiganwei, manteniendo la coherencia con el sistema de control de calidad existente de la empresa.

2.3 Plan de pruebas

Para determinar las ventajas de rendimiento del proceso LASW en comparación con la soldadura tradicional, se utilizó la soldadura por arco sumergido tradicional como grupo de control y la soldadura híbrida láser-arco como grupo experimental. El material, el espesor, la estructura de la ranura, la temperatura del entorno de soldadura y los parámetros del gas de protección de ambos grupos de muestras se mantuvieron completamente constantes. El grupo de control adoptó los parámetros actuales del proceso de soldadura por arco sumergido de producción en masa de Haiganwei.

Se utilizó un diseño experimental ortogonal para optimizar los parámetros clave del proceso LASW, empleando la calidad de la soldadura, la tasa de defectos y las propiedades mecánicas como indicadores de evaluación para seleccionar la combinación óptima de parámetros. Tras la soldadura, todas las muestras se sometieron a una inspección de calidad de apariencia y a ensayos no destructivos por arreglo de fases. Posteriormente, se prepararon muestras para el análisis metalográfico y de propiedades mecánicas, y se realizaron observaciones microestructurales, ensayos de tracción, ensayos de impacto a baja temperatura, ensayos de flexión y detección de tensiones residuales. Se compararon y analizaron las ventajas y desventajas de ambos procesos de soldadura, así como su viabilidad para su implementación en la línea de producción de Haiganwei.

III. Mecanismo del proceso de soldadura compuesta LASW

La característica técnica fundamental de la soldadura LASW es el acoplamiento sinérgico de dos fuentes de calor. Estas dos fuentes trabajan de forma sincronizada y se potencian mutuamente en la misma zona de soldadura, superando por completo las limitaciones de rendimiento de los procesos de soldadura individuales. Durante el proceso, el haz láser frontal actúa a alta velocidad sobre la zona de unión del material base. El haz de alta densidad energética funde y penetra rápidamente el sustrato metálico, formando un orificio de penetración profunda y estable, lo que permite la rápida formación de soldaduras de gran profundidad. Al mismo tiempo, el plasma metálico excitado por el haz láser estabiliza el estado de combustión del arco, suprimiendo problemas como la deriva, la rotura y la combustión inestable, mejorando significativamente la estabilidad del proceso de la fuente de calor del arco.

El gran baño de fusión formado por la fuente de calor posterior al arco puede abarcar eficazmente los pequeños huecos en el ensamblaje de placas, compensando la escasa adaptabilidad de los huecos de la soldadura láser. Simultáneamente, el baño de fusión en movimiento puede rellenar y remover completamente la zona de penetración profunda del láser, homogeneizando la composición del metal de soldadura y optimizando la morfología de la soldadura. En comparación con el modo de aporte térmico de gran área y larga duración de la soldadura por arco sumergido tradicional, la soldadura LASW se caracteriza por un aporte térmico concentrado, un tiempo de tratamiento térmico corto, una gran capacidad de control del calor y un gradiente de temperatura razonable en la zona de soldadura. Esto suprime eficazmente la formación de estructuras de grano grueso y reduce los problemas de deformación y tensiones residuales causados por el calor de soldadura acumulado. Desde la perspectiva del mecanismo del proceso, se logra un bajo aporte térmico, una penetración profunda y resultados de soldadura de alta calidad. Esta característica resuelve con precisión el problema de la excesiva elipticidad de la tubería causada por la acumulación de calor en la producción de tuberías de acero de pared gruesa de Haiganwei.

IV. Resultados experimentales y análisis

4.1 Formación macroscópica y análisis de defectos en soldaduras

Los resultados de la morfología macroscópica y de las pruebas no destructivas con arreglo de fases indican que la soldadura por arco sumergido tradicional (SAW) produce un ancho de soldadura excesivo, límites de la zona afectada por el calor poco definidos, una uniformidad deficiente en las uniones soldadas multicapa, un refuerzo de soldadura irregular y un extenso proceso de esmerilado y acabado posterior a la soldadura. Debido a la acumulación de calor en la soldadura multicapa y a la escasa fluidez del baño de fusión, es probable que se produzcan defectos como inclusiones de microescoria, fusión incompleta entre capas y porosidad puntual dentro de la soldadura, lo que resulta en una alta incidencia de defectos aleatorios y una baja estabilidad de la calidad de la unión.

La soldadura compuesta LASW produce una superficie de soldadura lisa, uniforme y simétrica con mínimas salpicaduras y un refuerzo de soldadura altamente controlable, eliminando la necesidad de un procesamiento posterior extenso. El acoplamiento de doble fuente de calor mejora significativamente la agitación del baño de fusión, asegurando una suficiente salida de gases durante la soldadura y dando como resultado una fusión metálica más densa. Las pruebas no destructivas no revelan grietas internas, porosidad extensa ni inclusiones de escoria en la junta soldada compuesta, mostrando una tasa de defectos significativamente menor que la soldadura por arco sumergido tradicional. Esto se traduce en una mejora sustancial en la calidad y consistencia de la junta, reduciendo la tasa de retrabajo de las tuberías de acero acabadas de Haiganwei.

4.2 Características de la evolución de la microestructura de las soldaduras

Los resultados de la observación metalográfica muestran que la zona afectada por el calor en las uniones soldadas por arco sumergido tradicionales es relativamente amplia, la alta temperatura de soldadura se mantiene durante un tiempo prolongado y el grano del metal base se engrosa considerablemente. La estructura de la soldadura se compone principalmente de ferrita gruesa y perlita laminar, con una gran variabilidad en el tamaño de grano y una uniformidad deficiente. Esta estructura de grano grueso reduce significativamente la tenacidad a bajas temperaturas y la resistencia a la fatiga de la unión soldada, convirtiéndose en un punto débil en el rendimiento a largo plazo de los componentes de las tuberías.

El proceso de soldadura compuesta LASW ofrece un aporte térmico preciso y controlable, así como una velocidad de enfriamiento razonable, lo que suprime eficazmente el crecimiento anormal del grano. La zona de soldadura y fusión presenta una microestructura uniforme y densa, con granos de ferrita finos y uniformes y una distribución regular de perlita, sin la formación de estructuras gruesas y frágiles. Esta estructura granular refinada inhibe eficazmente la iniciación y propagación de grietas, optimiza las propiedades mecánicas de los límites de grano y mejora la resistencia, la tenacidad y la estabilidad estructural generales de la unión soldada a nivel microscópico, lo que la hace más adecuada para las necesidades de productos de tuberías de Haiganwei en entornos marinos y de gran altitud.

4.3 Análisis de las propiedades mecánicas de las uniones soldadas

4.3.1 Propiedades de tracción

Los resultados de los ensayos de tracción a temperatura ambiente demuestran que la resistencia a la tracción de las uniones soldadas mediante ambos procesos cumple con las normas de diseño de tuberías. La resistencia a la tracción de la unión soldada por arco sumergido tradicional fluctúa significativamente, y algunas muestras se rompen en la zona de soldadura. La unión soldada compuesta LASW presenta una mayor resistencia a la tracción general y una menor dispersión de datos. Todas las muestras se fracturaron dentro de la región del material base, lo que indica que la soldadura compuesta tiene una mayor resistencia que el material base, una excelente coincidencia de resistencia de la unión, ausencia de zonas débiles y un rendimiento de soporte de presión más fiable.

4.3.2 Resistencia al impacto a bajas temperaturas

Los datos de las pruebas de impacto a baja temperatura (-20 °C) demuestran que la energía de impacto de la unión soldada compuesta mediante LASW es significativamente mayor que la de la unión soldada mediante arco sumergido tradicional. El grano grueso y la fragilización causados por el proceso de soldadura tradicional reducen considerablemente la resistencia al impacto a baja temperatura de la soldadura. El proceso LASW refina el grano y optimiza la microestructura, mejorando eficazmente las características de fragilización a baja temperatura de la soldadura. Esto permite que la unión mantenga excelentes reservas de tenacidad en condiciones de baja temperatura, lo que puede respaldar la expansión de Haiganwei en el mercado de suministro de tuberías en regiones frías.

4.3.3 Rendimiento de flexión

Durante los ensayos de flexión hacia adelante y hacia atrás, la unión soldada compuesta LASW no presentó defectos como grietas, desprendimiento o fisuras en la soldadura, la zona de fusión y la zona afectada por el calor tras la flexión en un ángulo específico. La unión mostró una excelente capacidad de deformación plástica, lo que demuestra que la soldadura está densamente fusionada internamente sin defectos internos y que su plasticidad estructural y compatibilidad de deformación cumplen con los requisitos de ingeniería. En contraste, algunas muestras soldadas tradicionales presentaron microfisuras durante la flexión, lo que indica una menor estabilidad plástica en comparación con la unión soldada compuesta LASW.

4.4 Análisis de la deformación por soldadura y las tensiones residuales

En el proceso de soldadura de tuberías de acero de gran diámetro y paredes gruesas con costura recta, la deformación y las tensiones residuales causadas por una distribución desigual del calor son factores clave que afectan la precisión dimensional y la vida útil de las tuberías. Los datos de las pruebas muestran que la soldadura tradicional por arco sumergido genera una gran acumulación de calor, lo que resulta en una mayor elipticidad y deformación radial del cuerpo de la tubería después de la soldadura. En la zona de soldadura se generan altas tensiones residuales de tracción, que pueden provocar corrosión bajo tensión, propagación de grietas y otros riesgos ocultos. Estos son indicadores clave que deben controlarse en la producción de tuberías de paredes gruesas de Haiganwei.

La soldadura compuesta LASW se caracteriza por un bajo aporte térmico total y una zona afectada por el calor reducida, concentrando el calor de soldadura en la zona de la junta. Esto mejora significativamente la uniformidad del calentamiento general de la tubería, lo que se traduce en una marcada reducción de la deformación posterior a la soldadura y una mayor precisión dimensional. Al mismo tiempo, la junta soldada compuesta presenta menores tensiones residuales y una distribución de tensiones más uniforme, lo que mitiga eficazmente el riesgo de fallo estructural causado por la concentración de tensiones y mejora la estabilidad a largo plazo de los componentes de la tubería.

4.5 Análisis de la eficiencia del proceso de producción

Las tuberías de acero tradicionales de pared gruesa y costura recta requieren procesos de soldadura multicapa y multipaso, lo que resulta en numerosos pasos de soldadura, ciclos de procesamiento prolongados y una importante intervención manual y carga de trabajo de postprocesamiento, limitando así la eficiencia de la producción. El proceso LASW, con su tecnología de una sola pasada y gran profundidad de penetración, puede reducir significativamente el número de pasadas de soldadura para placas gruesas, simplificar los pasos de procesamiento y aumentar drásticamente la velocidad de soldadura. Al mismo tiempo, este proceso presenta una baja tasa de defectos de soldadura, un mínimo retrabajo y un postprocesamiento sencillo. Tras su modificación y aplicación en la línea de producción JCOE existente de Haiganwei, puede mejorar eficazmente la capacidad general de la línea de producción y reducir los costos totales de producción, como los consumibles, la mano de obra y el consumo de energía de los equipos, demostrando un excelente potencial de industrialización.

V. Conclusión

Basándose en las condiciones de la línea de producción de conformado de JCOE en Hebei Haiganwei, se realizó un estudio experimental y una caracterización del rendimiento del proceso de soldadura híbrida láser-arco LASW para tubos de acero de gran diámetro con costura recta. Combinando este análisis con un análisis comparativo multidimensional de las propiedades de macroconformado, la microestructura, las propiedades mecánicas y las tensiones estructurales, se pueden extraer las siguientes conclusiones:

1. El efecto de acoplamiento de doble fuente de calor láser-arco permite lograr la complementariedad del proceso, optimizando eficazmente el estado de flujo del baño de fusión en la soldadura de tuberías de acero de gran diámetro y paredes gruesas. Esto reduce los defectos típicos de soldadura, como la porosidad, la inclusión de escoria y la falta de fusión, y la formación de la soldadura es plana y uniforme. La calidad y consistencia general de la unión soldada son significativamente mejores que las del proceso tradicional de soldadura por arco sumergido, lo que contribuye a reducir la tasa de reprocesos en la detección de defectos del producto terminado en Haiganwei.

2. Las características de baja entrada de calor, precisas y controlables del proceso LASW, permiten suprimir eficazmente el crecimiento del grano de soldadura, refinar la microestructura de la soldadura y la zona afectada por el calor, optimizar la uniformidad de la microestructura y mejorar fundamentalmente las propiedades mecánicas de la junta soldada. La resistencia de la junta, la tenacidad a bajas temperaturas y la plasticidad mejoran notablemente, lo que permite cumplir con los requisitos de rendimiento de los productos de tuberías de alta gama de las empresas.

3. La tecnología de soldadura compuesta reduce significativamente los problemas de deformación en caliente y concentración de tensiones residuales en la soldadura de tuberías de acero, mejora la precisión dimensional de las tuberías y evita riesgos para la seguridad como la corrosión bajo tensión y la propagación de grietas durante su uso prolongado. Puede utilizarse en la fabricación de tuberías para ingeniería marina, de alta presión y baja temperatura para Haiganwei.

4. El proceso de soldadura LASW es sencillo, ofrece una alta eficiencia de conformado y una baja tasa de retrabajo. Tiene el potencial de ser actualizado e integrado a la línea de producción automatizada JCOE existente de Haiganwei. Al tiempo que garantiza la calidad de la soldadura, puede mejorar la eficiencia de la producción industrial y reducir los costos de producción. Puede utilizarse como un proceso alternativo para la producción inteligente y de alta gama de tubos de acero de costura recta de gran diámetro y cuenta con amplias perspectivas de aplicación en ingeniería.

Las investigaciones futuras podrían centrarse en la adaptación y optimización de los parámetros del proceso LASW para tuberías de acero de paredes ultragruesas y tuberías de acero de alta calidad como el X80, completar la depuración de las interfaces de los equipos y la vinculación de la línea de producción, establecer una base de datos estandarizada de parámetros del proceso de soldadura compatible con el sistema de inspección de calidad existente de Haiganwei y promover aún más la aplicación a gran escala y estandarizada de la tecnología de soldadura láser compuesta en el campo de la fabricación de tuberías.

Referencias

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[6] Hebei Haiganwei Steel Pipe Co., Ltd. Manual técnico de la línea de producción de tuberías de acero soldadas por arco sumergido de costura recta JCOE [Z]. 2025.

Descargo de responsabilidad: El contenido de este artículo tiene fines meramente informativos y no constituye asesoramiento de inversión. Para la aplicación práctica de los productos, siga las recomendaciones de instituciones profesionales.