Forskning om LASW laser-båge hybrid svetsningsprocess och prestanda för storrör av raksvetsade stålrör
Stora tjockväggiga räfflade stålrör Konventionell skarvsvetsning med begravd ljusbåge har generellt tekniska nackdelar som stor värmetillförsel, stor svetsdeformation, grova korn i svetsfogens mikrostruktur och låg formningshastighet, vilket gör det svårt att uppfylla tjänstekraven för låg spänning, hög seghet och hög dimensionsnoggrannhet för rörkomponenter inom högprestanda olje- och gastransport och marin teknik. Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd. är en ledande tillverkare av inhemska JCOE räfflade rör med skarvsvetsning och bedriver forskning om anpassning av laser-ljusbågs hybrid svetsning (LASW) process med hjälp av sin helautomatiska PID-formningslinje, och utforskar hybridvärmekällans svetsningskoncept baserat på befintligt system för skarvsvetsning med begravd ljusbåge. Genom att styra nyckelprocessparametrar som lasereffekt, ljusbågsström, svetsningshastighet och avstånd mellan laser och ljusbåge, jämförs systematiskt formningskarakteristika, mikrostruktur, mekaniska egenskaper och restspänningsfördelning för svetsfogar från traditionell skarvsvetsning med begravd ljusbåge och laser-ljusbågs hybrid svetsning. Testresultaten visar att: LASW kopplingen av de två värmekällorna kan effektivt minska storleken på värmepåverkad zon, förfina kornen i svetsfog och smältzon, och avsevärt minska sannolikheten för svetsdefekter som porer, osmidning och slagginneslutningar; draghållfasthet, lågtemperaturseghet och böjhållfasthet för hybridsvetsade fogar är bättre än för traditionella skarvsvetsade fogar, samtidigt som smältdjupet per pass är större, vilket effektivt kan minska antalet svetsningar och förkorta bearbetningsstegen. Denna svetsprocess kan avsevärt förbättra svetsformningskvaliteten för stora tjockväggiga räfflade stålrör, kontrollera restspänning och strukturell deformation, anpassa sig till storskalig precisionsproduktion på Haiqianweis befintliga JCOE-linjer, och har högt värde för ingenjörstillämpning och processspridning.
Nyckelord: Räfflade stålrör; JCOE-formning; LASW; Laser-ljusbågs hybrid svetsning; Mikrostruktur; Mekaniska egenskaper; Hebei Haiqianwei
1. Introduktion
Stora räfflade stålrör är bärande komponenter i långdistans tryckledningsnät, marinplattformars stålkonstruktioner och stora vattenkraftsbyggprojekt, och strukturegenskaper, dimensionsnoggrannhet och strukturell stabilitet hos svetsfogarna bestämmer direkt tjänstesäkerhet och livslängd för hela projektet. Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd. ligger i Hebei Yanshan Pipeline Equipment Industrial Base, och har flera JCOE-formade linjer för räfflade rör med skarvsvetsning med begravd ljusbåge, som stabilt kan producera rör med ytterdiameter 406,4–1422,4 mm och väggtjocklek upp till 50 mm, produkter täcker olje- och gastransport, nya energirör, stora stålkonstruktioner med mera, och uppfyller internationella standarder som API 5L, GB/T 9711, och är en av de ledande inhemska leverantörerna av högprestanda räfflade stålrör. Företagets nuvarande produktionssystem är huvudsakligen dubbelsidig skarvsvetsning med begravd ljusbåge i flera pass, processen är mogen och tillförlitlig, men det finns fortfarande inneboende brister vid produktion av tjockväggiga, högkvalitetsrör.
Traditionell skarvsvetsning med begravd ljusbåge har lång värmetillförselstid och bred värmepåverkad zon, och under flerskiktsvetsning av tjocka plåtar uppstår lätt värmeackumulering, vilket orsakar problem som total deformation av röret, överträngd ovalitet och koncentrerad restspänning; flerskiktsvetsningsprocessen kan lätt generera dolda defekter som mellanliggande slagginneslutningar och lokal osmidning, samtidigt som upprepad svetsuppvärmning kan orsaka onormal tillväxt av korn i svetsfogens mikrostruktur, vilket minskar fogens lågtemperaturseghet, och inte kan anpassa sig till komplexa och stränga förhållanden som högt tryck, låg temperatur och hög korrosion. Dessutom är flerskikts- och flergångsvetsningsprocessen komplicerad och har lång bearbetningstid, vilket begränsar produktionseffektiviteten för intelligent tillverkning av högprestanda stålrör. Mot bakgrund av den fortsatta efterfrågan på förbättrad kvalitet på rör för inhemska olje- och gastransport, vätetransport och andra nya rörprojekt, fortsätter Haiqianwei att utforska nya svetsprocesser, och försöker införa laser-ljusbågs hybrid svetsningsteknik för att omvandla det befintliga svetsystemet.
Laser-ljusbågs hybrid svetsning (Laser-Arc Hybrid Welding, LASW) är en ny hybrid svetsteknik som rumsligt kopplar högenergität laservärmekälla med pulserande ljusbågsvärmekälla, och kan uppnå komplement mellan de två värmekällornas egenskaper. Laservärmekällan är energikoncentrerad och har stor penetrationsförmåga, vilket möjliggör stor smältdjup och snabb formning; ljusbågsvärmekällan har stor smältbadvolym och hög tolerans för monteringsgap, vilket kompenserar för bristerna hos enbart lasersvetsning som kräver extrem monteringsnoggrannhet och har låg processfelmarginal. Samverkan mellan de två värmekällorna kan effektivt optimera svetsningens värmetillförselfält, förbättra smältbadets flödesförhållanden och hämma bildandet av svetsdefekter.
För närvarande har LASW-tekniken redan använts initialt inom svetsning av medeltjocka plåtar i stålkonstruktioner, tryckkärl och anläggningsmaskiner, men systematisk forskning om processanpassning, mikrostrukturevolution och mekaniska egenskaper för JCOE-formade stora tjockväggiga räfflade stålrör är fortfarande otillräcklig, och det saknas testdata baserad på förhållanden i massproduktionslinjer för stålrör. Genom att genomföra LASW-svetsningstester baserat på produktionsförhållandena på Haiqianweis JCOE-formningslinje, undersöka hur processparametrar påverkar svetsformning, mikrostruktur och mekaniska egenskaper, och etablera ett högkvalitativt svetssystem anpassat för stora räfflade stålrör, kan detta ge teoretiskt stöd och teknisk referens för företagets uppgradering av svetsprocesser och kvalitetsoptimering för högprestandarör.
2. Testmaterial och testutrustning
2.1 Testbasmaterial
Testmaterialet är allmänna Q345B låglegerade höghållfasthetsstrukturplåtar för ingenjörsbruk, med tjockleksintervall 12–28 mm, matchande Haiqianweis JCOE linjens vanliga specifikationer för stora räfflade stålrör. Detta stål har utmärkt plasticitet, seghet och svetsbarhet, och används ofta för tryckrör, stora stålkonstruktioner och bärkomponenter, materialets kemiska sammansättning och grundläggande mekaniska egenskaper uppfyller kraven i nationell standard GB/T 1591-2018. Alla testprov är bearbetade med Haiqianweis industriella standard JCOE-bockningsformningsprocess, kantfräsning, förböjning och fogningsprocesser är desamma som på produktionslinjen, samma spårform och monteringsgap, exakt reproducerande faktiska produktionsförhållanden, för att säkerställa testdataens äkthet och ingenjörsnytta.
2.2 Testutrustning
Testet använder ett integrerat laser-ljusbågs hybrid svetsystem, utrustat med högprecisions stråljusteringsmodul och pulserande ljusbågsstyrning, som kan uppnå rumslig exakt koppling mellan laser- och ljusbågsvärmekällor, kärnparametrar som lasereffekt, svetsningshastighet, ljusbågsström, defokusmängd och avstånd mellan laser och ljusbåge kan styras exakt via programmering, och kompletteras med automatisk körmekanism för att säkerställa stabilitet och konsistens under svetsningsprocessen. Hela svetsanordningen kan anslutas till Haiqianweis befintliga JCOE-formnings- och fogningsstationer, vilket underlättar bedömning av framtida linjeintegrering och ombyggnad.
Eftersvetsningsprestandatester använder precisionsutrustning som metallografisk mikroskop, mikrodatorstyrd universell materialtestmaskin, lågtemperaturchocktestmaskin och restspänningsmätare, som kan utföra makroskopisk observation av svetsfogar, mikrostrukturbeskrivning, mekaniska egenskapstester och kvantitativ analys av restspänning, och fullständigt karakterisera fogens sammansatta prestanda. Destruktiv provning använder samma phased array ultraljudsutrustning som på Haiqianweis produktionslinje, vilket är enhetligt med företagets befintliga kvalitetskontrollsystem.
2.3 Testplan
För att klargöra prestandafördelar med LASW-processen jämfört med traditionell svetsning, är traditionell skarvsvetsning med begravd ljusbåge satt som kontrollgrupp, och laser-ljusbågs hybrid svetsning som testgrupp, material, tjocklek, spårstruktur, svetsmiljötemperatur och skyddsgasparametrar för prov i båda grupperna är helt desamma, kontrollgruppen använder Haiqianweis nuvarande massproduktionsparametrar för skarvsvetsning med begravd ljusbåge.
Ortogonal testmetod används för att optimera LASW-kärnprocessparametrar, med svetsformningskvalitet, defektfrekvens och mekaniska egenskaper som utvärderingsindikatorer, för att välja den optimala kombinationen av processparametrar. Eftersvetsning utförs visuell kvalitetskontroll och phased array-destruktiv provning på alla prov, sedan tillverkas metallografiska och mekaniska prov, och slutförs mikrostrukturobservation, dragtest, lågtemperaturchocktest, böjtest och restspänningstest, för att jämföra och analysera fördelar och nackdelar mellan de två svetsprocesserna och genomförbarhet på Haiqianweis produktionslinje.
3. LASW hybrid svetsprocessmekanism
Kärntekniska egenskaper för LASW-svetsning är samverkan och förstärkning av de två värmekällorna, båda verkar synkront i samma svetsområde och stödjer varandra, vilket helt bryter igenom prestandagränserna för enskilda svetsprocesser. Under svetsning verkar den främre laserstrålan snabbt på basmaterialets fogområde, högenergität stråla kan snabbt smälta och penetrera metallbasmaterialet, bilda en stabil djup smältning av lasernål, och uppnå stor smältdjup och snabb formning; samtidigt kan metallplasma som exciteras av laserstrålan stabilisera ljusbågsbränningstillståndet, hämma problem som ljusbågsdrift, ljusbågsavbrott och instabil förbränning, och avsevärt förbättra ljusbågsvärmekällans processstabilitet.
Stort smältbad som bildas av den bakre ljusbågsvärmekällan kan effektivt absorvera små monteringsgap i plåten, kompensera för bristen på låg gapanpassningsförmåga hos lasersvetsning, samtidigt som det strömmande smältbadet kan fylla och blanda den djupa smältningszonen från lasern fullständigt, jämna ut svetsfogens metallkomposition och optimera svetsfogens formningsmorfoli. Jämfört med traditionell skarvsvetsning med begravd ljusbåge med stor yta och lång tid av värmetillförsel, är LASW-svetsningens värmetillförsel koncentrerad, värmepåverkningstiden är kort, värmetillförseln är kontrollerbar, temperaturgradienten i svetsområdet är rimlig, vilket effektivt kan hämma bildandet av grova kornstrukturer, minska deformation och restspänningsproblem orsakade av svetsvärmeackumulering, och från processmekanismen uppnå svetsresultat med låg värmetillförsel, stor smältdjup och högkvalitativa fogar. Denna egenskap kan exakt lösa problemet med överträngd ovalitet på röret orsakad av värmeackumulering vid produktion av tjockväggiga rör hos Haiqianwei.
4. Testresultat och analys
4.1 Makroskopisk svetsformning och defektanalys
Makroskopisk morfologi och resultat från phased array-destruktiv provning visar att svetsfogens smältbredd för traditionell skarvsvetsning med begravd ljusbåge är stor, värmepåverkad zonens gräns är otydlig, formningskonsistensen vid flerskiktsvetsanslutningar är dålig, svetsfogens höjd är ojämn, och eftersvetsning krävs mycket slipning och bearbetning. På grund av flerskiktsvetsningens värmeackumulering och dålig smältbadets flödesförmåga, uppstår lätt små slagginneslutningar, mellanliggande osmidning, punktformiga porer och andra defekter inuti svetsfogen, defekterna har hög slumpmässig förekomst, och fogens kvalitetsstabilitet är dålig.
LASW hybrid svetsfogens yta är jämn och slät, formningen är jämn och symmetrisk, svetsstänk är mycket lite, svetsfogens höjd är kontrollerbar, och ingen stor efterbearbetning krävs. Under samverkan av de två värmekällorna förbättras smältbadets blandningseffekt avsevärt, gasen avger fullständigt under svetsningsprocessen, och metallens sammansmältning blir tätare. Resultat från destruktiv provning visar att hybridsvetsade fogar inte har sprickor, stora porer eller slagginneslutningar inuti, svetsdefektfrekvensen är mycket lägre än för traditionell skarvsvetsning med begravd ljusbåge, fogens formningskvalitet och konsistens förbättras avsevärt, vilket bidrar till att minska omarbetningsgraden för färdiga rör hos Haiqianwei.
4.2 Mikrostrukturevolutionsegenskaper för svetsfogar
Metallografisk observation visar att värmepåverkad zonens bredd för traditionell skarvsvetsad fog är stor, svetsningens höga temperatur varar länge, basmetallens korn blir tydligt grova, svetsfogens mikrostruktur består huvudsakligen av grova ferrit och skivformig perlit, kornstorleken har stor spridning, strukturens jämnhet är dålig, och den grova kornstrukturen avsevärt minskar fogens lågtemperaturseghet och trötthetsmotstånd, vilket blir en svag punkt för rörkomponenters långsiktiga tjänst.
LASW hybrid svetsprocess har exakt kontrollerad värmetillförsel och rimlig kylhastighet, vilket effektivt hämmar onormal kornväxt. Strukturen i svetssömmen och smältzonen är jämn och tät, ferritkornen är små och jämna, perliten är välordnad, och inga grova spröda strukturer bildas. Den förfinade kornstrukturen kan effektivt hindra sprickbildning och spridning, förbättra mekaniska egenskaperna vid korngräns och öka svetsskarvens totala hållfasthet, seghet och strukturella stabilitet på mikronivå, vilket är mer lämpligt för Haiqianweis behov av rörprodukter för extrema kalla och marina förhållanden.
4.3 Analys av svetsskarvens mekaniska egenskaper
4.3.1 Dragsegenskaper
Resultaten av dragprov vid rumstemperatur visar att draghållfastheten hos svetsskarvarna från båda processerna uppfyller designstandarden för rören. Draghållfastheten hos traditionella skärsvetsade skarvar varierar mycket, och vissa prov brast i svetssömmen; draghållfastheten hos LASW hybrid svetsskarvar är generellt högre och dataspredningen är mindre, och alla prov brast i basmaterialet, vilket visar att svetssömmen i hybrid svetsprocessen är starkare än basmaterialet, skarven har utmärkt hållfasthetsmatchning och inga svaga hållfasthetsområden, och tryckhållfastheten är mer tillförlitlig.
4.3.2 Seghet vid låg temperatur
Data från slagprov vid låg temperatur (-20℃) visar att slagenergin hos LASW hybrid svetsskarvar är betydligt högre än hos traditionella skärsvetsade skarvar. Problem med grova korn och spröd struktur orsakade av traditionell svetsprocess leder till en kraftig minskning av svetssömmens motståndskraft mot slag vid låg temperatur; LASW-processen förfinar kornen och optimerar strukturerna, vilket effektivt förbättrar svetssömmens spröda egenskaper vid låg temperatur, så att skarven fortfarande bibehåller utmärkt seghetsreserv vid låga temperaturförhållanden, vilket stödjer Haiqianweis expansion av rörmarknaden för extrema kalla regioner.
4.3.3 Böjegenskaper
Under böjprov med både positiv och negativ böjning, efter att LASW hybrid svetsskarven böjts till den angivna vinkeln, finns inga defekter som sprickor, fjällning eller brott i svetssömmen, smältzonen eller värmepåverkade zonen, skarven har god plastisk deformationsförmåga, vilket bevisar att smältningen inuti svetssömmen är tät och inga inre defekter finns, och strukturens plasticitet och anpassningsförmåga till deformation uppfyller kraven för teknisk användning. Vissa prov från traditionell svetsprocess visade små sprickor under böjning, och plastisk stabilitet var sämre än för LASW hybrid svetsskarvar.
4.4 Analys av svetdeformation och återstående spänning
Under svetsprocessen av stora tjockväggiga raka svetrör är deformation och återstående spänning orsakade av ojämn värme nyckelfaktorer som påverkar rörets dimensionella noggrannhet och livslängd. Testdata visar att traditionell skärsvetsning ackumulerar mycket värme, elliptisk deformation och radiell deformation av röret efter svetning är stora, och det finns hög återstående dragspänning i svetssömmen, vilket lätt orsakar faror som spänningskorrosion och sprickspridning i senare skede, och detta är också en indikator som behöver kontrolleras noggrant under Haiqianweis produktion av tjockväggiga rör.
LASW hybrid svetsprocess har låg total värmetillförsel och smal värmepåverkad zon, svetvärmen är koncentrerad till fogområdet, rörets värmejämnhet förbättras avsevärt, deformationen av röret efter svetning minskar avsevärt, och dimensionell noggrannhet är högre. Samtidigt är återstående spänning i hybrid svetsskarven lägre och spänningsfördelningen är mer jämn, vilket effektivt undviker risken för strukturellt brott orsakad av spänningskoncentration och förbättrar rörkomponenternas långsiktiga livslängdsstabilitet.
4.5 Analys av processproduktionseffektivitet
Traditionella tjockväggiga raka svetrör kräver flerskikts- och flervägs svetsprocess, många svetsteg, lång bearbetningscykel, mycket manuellt ingripande och efterbehandlingsarbete, vilket begränsar produktionseffektiviteten. LASW-processen, med sin tekniska fördel med en enda väg med stor smältdjup, kan kraftigt minska antalet vägar för svetning av tjocka plåtar, förenkla bearbetningsstegen och avsevärt öka svetningshastigheten. Samtidigt har denna process låg svetningsdefektfrekvens, liten omarbetning och enkla efterbehandlingssteg, efter ombyggnad och tillämpning på Haiqianweis befintliga JCOE-produktionslinjer kan den effektivt förbättra produktionslinjens totala kapacitet, minska sammanlagda produktionskostnader som förbrukningsmaterial, arbetskraft och energieffektivitet för utrustning, och har utmärkt industriell spridningsvärde.
五、结论
Genom att utföra experimentell forskning och egenskapskarakterisering av LASW laser-arc hybrid svetsprocess för stora raka svetrör under förutsättningarna för JCOE-formningslinjen i Hebei Haiqianwei, kombinerat med multidimensionell jämförande analys av makroformning, mikrostruktur, mekaniska egenskaper och strukturell spänning, kan följande slutsatser dras:
1. Samverkan av dubbla värmekällor från laser och ljusbåge kan uppnå processkomplement, effektivt optimera flödesförhållandena i svetbadet för stora tjockväggiga rör, minska typiska svetdefekter som porer, slagginneslutningar och osmältning, svetssömmen blir jämn och platt, skarvens totala formningskvalitet och konsistens är betydligt bättre än för traditionell skärsvetsprocess, vilket bidrar till att minska Haiqianweis omarbetningsfrekvens för färdigdetektering.
2. LASWs exakt kontrollerade låga värmetillförselsegenskaper kan effektivt hämma kornförtjockning under svetning, förfina mikrostrukturen i svetssömmen och värmepåverkade zonen, optimera strukturens jämnhet, grundligt förbättra svetsskarvens mekaniska egenskaper, skarvens hållfasthet, lågtemperaturseghet och plasticitet har alla förbättrats effektivt, vilket uppfyller företagets prestandakrav för högkvalitativa rörprodukter.
3. Hybrid svetsprocess kan kraftigt minska problem med värmedeformation och återstående spänningskoncentration under svetning av rör, förbättra rörets dimensionella bearbetningsnoggrannhet, undvika säkerhetsrisker som spänningskorrosion och sprickspridning under långsiktig användning, och kan användas för tillverkning av Haiqianweis högtrycks-, lågtemperatur- och marinprojektrörprodukter.
4. LASW svetsteg är enkla, formningseffektiviteten är hög, omarbetningsfrekvensen är låg, det har potential för ombyggnad och integration på Haiqianweis befintliga JCOE automatiserade produktionslinjer, det förbättrar industriell produktionseffektivitet samtidigt som svetningskvaliteten säkerställs, minskar produktionskostnader, kan användas som en alternativ process för högkvalitativ och intelligent produktion av stora raka svetrör, och har breda utsikter för teknisk tillämpning.
Fortsatt forskning kan fokusera på anpassning och optimering av LASW-processparametrar för ultratjockväggiga rör och högkvalitativa rör som X80, slutföra samordnad drift av gränssnitt och produktionslinje, etablera en standardiserad databas för svetningsparametrar som är kompatibel med Haiqianweis befintliga kvalitetskontrollsystem, och ytterligare driva storskalig och standardiserad tillämpning av laser hybrid svetsteknik inom rörtillverkningsområdet.
[1] Kinas stålindustriförening. GB/T 1591-2018, Låglegerade höghållfasthetsstrukturstål[S]. Peking: Kinas standardförlag, 2018.
[2] Chen Wuzhu. Lasersvetning och laser hybrid svetsteknik[M]. Peking: Mechanical Industry Press, 2016.
[3] Zhang Hong, Li Gang. Forskningsframsteg inom mekanism och process för laser-arc hybrid svetning[J]. Svetsjournalen, 2020, 41(05):1-8.
[4] Wang Jianjun. Forskningskontroll av svetningskvalitet för stora raka skärsvetsade rör[J]. Rör, 2019, 48(03):45-49.
[5] Liu Yong, Zhao Liang. Forskningsstudie av struktur och mekaniska egenskaper för laser-arc hybrid svetning av tjocka plåtar[J]. Materialvetenskap och teknik, 2021, 29(02):78-83.
[6] Hebei Haiqianwei Pipe Co., Ltd. Teknisk handbok för JCOE raka skärsvetsade rörproduktionslinje[Z]. 2025.
Friskrivning: Innehållet i denna artikel är endast avsett som allmän branschinformation och utgör inte någon investeringsrekommendation. Praktisk tillämpning av produkten bör ske enligt vägledning från en kvalificerad expert.
