Исследование технологии гибридной лазерно-дуговой сварки LASW и характеристик прямошовных стальных труб большого диаметра.
Традиционные методы сварки под флюсом (SAW) для стальных труб большого диаметра с толстыми стенками и прямым швом, как правило, имеют такие недостатки, как большой суммарный подвод тепла, большая деформация при сварке, крупнозернистая структура сварного шва и низкая эффективность формования. Эти недостатки затрудняют соответствие требованиям эксплуатации высокотехнологичного оборудования для нефтегазоперевозок и судостроения, предъявляемым к компонентам трубопроводов с низким напряжением, высокой ударной вязкостью и высокой точностью размеров. Компания Hebei haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd., ведущий отечественный производитель труб с прямым швом, сваренных под флюсом (согласно требованиям JCOE), проводит исследования по адаптации технологии лазерно-дуговой гибридной сварки (LASW) на своей полностью автоматизированной производственной линии формования PID. В данном исследовании изучаются схемы сварки с использованием комбинированных источников тепла на основе существующей системы сварки под флюсом. Путем регулирования ключевых параметров процесса, таких как мощность лазера, ток дуги, скорость сварки и расстояние между лазером и источником тепла дуги, систематически сравниваются характеристики формирования сварного шва, микроструктура, механические свойства и распределение остаточных напряжений при традиционной сварке под флюсом и лазерно-дуговой гибридной сварке. Экспериментальные результаты показывают, что эффект сопряжения двух источников тепла при использовании метода LASW позволяет эффективно уменьшить площадь зоны термического воздействия сварки, измельчить металлические зерна в зоне сварки и плавления, а также значительно снизить вероятность возникновения сварочных дефектов, таких как пористость, непроплавление и шлаковые включения. Прочность на растяжение, ударная вязкость при низких температурах и характеристики изгиба композитного сварного соединения превосходят показатели традиционных сварных соединений, полученных методом сварки под флюсом. Кроме того, глубина проплавления за один проход выше, что позволяет эффективно сократить количество сварочных проходов и этапы обработки. Этот процесс сварки может значительно улучшить качество сварки стальных труб большого диаметра с толстыми стенками и прямым швом, контролировать остаточные сварочные напряжения и структурные деформации, и подходит для крупномасштабного высокоточного производства на существующей производственной линии JCOE компании haiqianwei, обладая чрезвычайно высокой ценностью для инженерного применения и совершенствования процесса.
Ключевые слова : прямошовная стальная труба; формовка JCOE; лазерно-дуговая гибридная сварка; микроструктура; механические свойства; Хэбэй Хайганвэй
I. Введение
Стальные трубы большого диаметра с прямым швом являются основными несущими элементами в магистральных трубопроводах высокого давления, стальных конструкциях морских платформ и крупномасштабных проектах гидротехнической инфраструктуры. Микроструктура, точность размеров и структурная стабильность сварных соединений напрямую определяют общую безопасность эксплуатации и срок службы проекта. Компания Hebei haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd., расположенная в промышленной базе трубопроводного оборудования Яньшань провинции Хэбэй, располагает несколькими производственными линиями по изготовлению труб с прямым швом методом дуговой сварки под флюсом, сформированными по стандарту JCOE. Компания может стабильно производить стальные трубы для трубопроводов с наружным диаметром от 406,4 до 1422,4 мм и толщиной стенки до 50 мм. Ее продукция используется в нефтегазопроводах, трубопроводах для возобновляемой энергетики и крупных стальных конструкциях и соответствует внутренним и международным стандартам, таким как API 5L и GB/T 9711. Компания является одним из ведущих поставщиков высококачественных стальных труб с прямым швом в Китае. Несмотря на то, что существующая производственная система в основном использует двухстороннюю дуговую сварку под флюсом с многослойными и многопроходными процессами, которые являются отработанными и надежными, в производстве толстостенных труб из высококачественной стали сохраняются существенные недостатки.
Традиционная сварка под флюсом (SAW) предполагает длительное время подвода тепла и широкую зону теплового воздействия. При многослойной сварке толстых пластин происходит накопление тепла, что приводит к таким проблемам, как общая деформация трубы, чрезмерная эллиптичность и концентрация остаточных напряжений. Многослойная сварка подвержена скрытым дефектам, таким как межслойные включения и локальное неполное сплавление. Кроме того, многократный нагрев при сварке может вызывать аномальный рост зерен в микроструктуре сварного шва, что приводит к снижению низкотемпературной ударной вязкости соединения и делает его непригодным для сложных и жестких условий эксплуатации, таких как высокое давление, низкая температура и сильная коррозия. Вдобавок, сложный многослойный процесс сварки с многопроходной обработкой и длительный технологический цикл ограничивают повышение эффективности производства в интеллектуальном производстве высококачественных стальных труб. В условиях постоянного повышения требований к качеству труб в связи с появлением новых трубопроводных проектов, таких как нефтегазо-водопроводные и водородные энергетические системы в Китае, компания haiqianwei продолжает изучать новые процессы сварки и пытается внедрить гибридную лазерно-дуговую сварку для модернизации своей существующей системы сварки.
Лазерно-дуговая гибридная сварка (LASW) — это новая гибридная технология сварки, в которой высокоэнергетический лазерный источник тепла пространственно сочетается с импульсным электродуговым источником тепла, обеспечивая взаимодополняющие характеристики обоих источников тепла. Лазерный источник тепла обеспечивает концентрированную энергию и сильное проплавление, что позволяет быстро формировать сварной шов с большим глубиной проплавления; электродуговой источник тепла обеспечивает большой объем расплавленной ванны и высокую устойчивость к зазорам при сборке, преодолевая ограничения однолазерной сварки, которая требует строгой точности сборки и имеет низкую допустимую погрешность процесса. Синергетический эффект двух источников тепла эффективно оптимизирует поле подводимого тепла при сварке, улучшает состояние потока расплавленной ванны и подавляет образование сварочных дефектов.
В настоящее время технология LASW первоначально применялась для сварки стальных конструкций средней и большой толщины, сосудов под давлением и строительной техники. Однако систематические исследования полной адаптивности процесса, эволюции микроструктуры и механических свойств толстостенных прямошовных стальных труб большого диаметра, изготовленных методом JCOE, все еще недостаточны, отсутствует экспериментальная база данных, основанная на условиях эксплуатации серийных производственных линий. В данном исследовании проведены эксперименты по сварке методом LASW в условиях производственной линии формовки JCOE компании haiqianwei для изучения механизма влияния параметров процесса на формирование сварного шва, микроструктуру и механические свойства. Создание высококачественной системы сварки, подходящей для прямошовных стальных труб большого диаметра, может обеспечить теоретическую поддержку и техническую основу для предприятий по модернизации высокотехнологичных процессов сварки трубопроводов и оптимизации качества.
II. Испытательные материалы и оборудование
2.1 Материал для испытаний
В качестве материалов для испытаний использовались листы высокопрочной низколегированной конструкционной стали Q345B общего назначения толщиной от 12 до 28 мм, соответствующие основным спецификациям на прямошовные стальные трубы большого диаметра, выпускаемые на производственной линии haiqianwei JCOE . Эта сталь обладает превосходной пластичностью, ударной вязкостью и свариваемостью и широко используется в трубопроводах высокого давления и несущих элементах крупных стальных конструкций. Химический состав и основные механические свойства материала соответствуют требованиям национального стандарта GB/T 1591-2018. Все образцы для испытаний были изготовлены с использованием промышленного стандарта гибки и формовки JCOE компании haiqianwei. Процессы фрезерования, предварительной гибки и соединения швов соответствовали производственной линии, со стандартизированными формами скосов и зазорами при сборке, полностью воспроизводя реальные производственные условия для обеспечения достоверности и инженерной применимости данных испытаний.
2.2 Испытательное оборудование
В эксперименте использовалась интегрированная гибридная лазерно-дуговая сварочная система. Оборудование оснащено высокоточным модулем регулировки луча и системой управления импульсной дугой, что обеспечивает точное пространственное сопряжение источников тепла лазера и дуги. Основные параметры, такие как мощность лазера, скорость сварки, ток дуги, величина расфокусировки и расстояние между дугами, могут точно контролироваться с помощью запрограммированных параметров. Автоматический механизм перемещения обеспечивает стабильность и согласованность процесса сварки. Вся сварочная система совместима с существующей станцией формовки и соединения JCOE компании haiqianwei , что облегчает последующую интеграцию и оценку производственной линии.
Послесварочные испытания проводятся с использованием высокоточного испытательного оборудования, такого как металлографические микроскопы, компьютеризированные универсальные испытательные машины, машины для низкотемпературных ударных испытаний и приборы для измерения остаточных напряжений. Это позволяет наблюдать макроскопическую морфологию сварного шва, характеризовать его микроструктуру, проверять его механические свойства и проводить количественный анализ остаточных напряжений, всесторонне характеризуя общие характеристики сварного соединения. Неразрушающий контроль осуществляется с помощью фазированных ультразвуковых установок, соответствующих производственной линии haiqianwei, что обеспечивает согласованность с существующей системой контроля качества компании.
2.3 План тестирования
Для уточнения преимуществ процесса LASW по сравнению с традиционной сваркой, в качестве контрольной группы была использована традиционная сварка под флюсом, а в качестве экспериментальной — гибридная лазерно-дуговая сварка. Материал, толщина, структура канавок, температура сварочной среды и параметры защитного газа для обеих групп образцов были полностью одинаковыми. В контрольной группе использовались параметры процесса сварки под флюсом, применяемые в настоящее время в серийном производстве компании haiqianwei.
Для оптимизации основных параметров процесса лазерной сварки под давлением (LASW) использовался ортогональный экспериментальный план, в качестве показателей оценки которого были выбраны оптимальная комбинация параметров процесса. После сварки все образцы подвергались проверке внешнего вида и неразрушающему контролю с помощью фазированной решетки. Затем были подготовлены образцы для металлографического и механического анализа, проведены микроструктурные исследования, испытания на растяжение, низкотемпературные ударные испытания, испытания на изгиб и определение остаточных напряжений. Были сопоставлены и проанализированы преимущества и недостатки двух процессов сварки, а также их целесообразность для внедрения на производственной линии haiqianwei.
III. Механизм процесса композитной сварки методом LASW
Ключевой технической особенностью сварки LASW является синергетическое сочетание и усиление двух источников тепла. Два источника тепла работают синхронно и взаимно усиливают друг друга в одной и той же зоне сварки, полностью преодолевая узкое место в производительности отдельных сварочных процессов. Во время сварки передний лазерный луч с высокой скоростью воздействует на зону соединения основного материала. Луч высокой плотности энергии быстро расплавляет и проникает в металлическую подложку, образуя стабильное лазерное глубокое проникновение, что позволяет быстро формировать сварные швы большой глубины. В то же время, металлическая плазма, возбуждаемая лазерным лучом, стабилизирует состояние горения дуги, подавляя такие проблемы, как дрейф дуги, обрыв дуги и нестабильное горение, значительно повышая стабильность процесса дуговой сварки.
Обширная расплавленная ванна, образующаяся под воздействием тепла после дугового разряда, эффективно заполняет мельчайшие зазоры в сварном шве, компенсируя плохую адаптивность зазоров при лазерной сварке. Одновременно текучая расплавленная ванна полностью заполняет и перемешивает зону глубокого проплавления лазера, гомогенизируя состав металла сварного шва и оптимизируя его морфологию. По сравнению с традиционным методом сварки под флюсом, характеризующимся большой площадью и длительным временем подвода тепла, лазерная сварка под флюсом (LASW) отличается концентрированным подводом тепла, коротким временем термообработки, высокой управляемостью температуры и разумным температурным градиентом в зоне сварки. Это эффективно подавляет образование крупнозернистой структуры и снижает проблемы деформации и остаточных напряжений, вызванные накоплением сварочного тепла. С точки зрения механизма процесса, достигается низкий подвод тепла, глубокое проплавление и высокое качество сварного соединения. Эта особенность точно решает проблему чрезмерной эллиптичности труб, вызванной накоплением тепла при производстве толстостенных стальных труб haiqianwei.
IV. Результаты эксперимента и анализ
4.1 Макроскопический анализ образования и дефектов сварных швов
Макроскопическая морфология и результаты неразрушающего контроля с использованием фазированной решетки показывают, что традиционная сварка под флюсом (SAW) приводит к чрезмерной ширине сварного шва, размытым границам зоны термического воздействия, плохой однородности многослойных сварных соединений, неравномерному усилению сварного шва и необходимости обширной шлифовки и финишной обработки после сварки. Из-за накопления тепла при многослойной сварке и низкой текучести расплавленной ванны внутри сварного шва склонны возникать такие дефекты, как микрошлаковые включения, неполное межслойное сплавление и точечная пористость, что приводит к высокой частоте случайных дефектов и низкой стабильности качества соединения.
Композитная сварка методом LASW обеспечивает гладкую, однородную и симметричную поверхность сварного шва с минимальным разбрызгиванием и высококонтролируемым усилением сварного шва, устраняя необходимость в обширной постобработке. Двойное соединение источников тепла значительно улучшает перемешивание расплавленной ванны, обеспечивая достаточный отток газа во время сварки и приводя к более плотному сплавлению металла. Неразрушающий контроль не выявляет внутренних трещин, крупномасштабной пористости или шлаковых включений в композитном сварном соединении, демонстрируя значительно более низкий уровень дефектов по сравнению с традиционной сваркой под флюсом. Это приводит к существенному улучшению качества и стабильности соединения, снижая частоту доработок готовых стальных труб haiqianwei.
4.2 Характеристики эволюции микроструктуры сварных швов
Результаты металлографических исследований показывают, что зона термического воздействия традиционных сварных соединений, полученных методом дуговой сварки под флюсом, достаточно широка, высокая температура сварки сохраняется длительное время, а зерна основного металла значительно укрупнены. Структура сварного шва в основном состоит из крупнозернистого феррита и пластинчатого перлита, с большим диапазоном размеров зерен и низкой однородностью. Крупнозернистая структура значительно снижает низкотемпературную ударную вязкость и усталостную прочность сварного соединения, становясь слабым местом в долговременной эксплуатации трубопроводных компонентов.
Процесс сварки композитных материалов методом LASW обеспечивает точный и контролируемый подвод тепла и разумную скорость охлаждения сварного шва, эффективно подавляя аномальный рост зерен. В зоне сварки и плавления наблюдается однородная и плотная микроструктура с мелкими и однородными зернами феррита и регулярным распределением перлита, без образования крупных и хрупких структур. Эта мелкозернистая структура эффективно препятствует зарождению и распространению трещин, оптимизирует механические свойства границ зерен и повышает общую прочность, ударную вязкость и структурную стабильность сварного соединения на микроскопическом уровне, что делает его более подходящим для нужд компании haiqianwei в отношении трубопроводной продукции, используемой в высокогорных и морских условиях.
4.3 Анализ механических свойств сварных соединений
4.3.1 Свойства при растяжении
Результаты испытаний на растяжение при комнатной температуре показывают, что прочность на растяжение сварных соединений, полученных обоими способами, соответствует стандартам проектирования труб. Прочность на растяжение традиционного сварного соединения, выполненного методом дуговой сварки под флюсом, значительно колеблется, при этом некоторые образцы разрушаются в зоне сварного шва. Композитное сварное соединение, выполненное методом лазерной дуговой сварки под флюсом, демонстрирует более высокую общую прочность на растяжение и меньший разброс данных. Все образцы разрушались в зоне основного материала, что указывает на то, что прочность сварного шва композитного соединения выше, чем у основного материала, соединение обладает отличным соответствием прочности, не имеет слабых мест и демонстрирует более надежную несущую способность под давлением.
4.3.2 Низкотемпературная ударная вязкость
Данные испытаний на ударную вязкость при низких температурах (-20℃) показывают, что ударная энергия композитного сварного соединения, полученного методом LASW, значительно выше, чем у традиционного сварного соединения, полученного методом дуговой сварки под флюсом. Крупные зерна и охрупчивание, вызванные традиционным процессом сварки, приводят к значительному снижению ударной вязкости сварного шва при низких температурах. Процесс LASW измельчает зерна и оптимизирует микроструктуру, эффективно улучшая характеристики охрупчивания при низких температурах. Это позволяет соединению сохранять превосходный запас прочности в условиях низких температур, что может способствовать расширению компании haiqianwei на рынок поставок трубопроводной продукции в холодных регионах.
4.3.3 Характеристики изгиба
В ходе испытаний на прямой и обратный изгиб композитное сварное соединение, полученное методом LASW, не показало дефектов, таких как трещины, отслоение или разломы в сварном шве, зоне плавления и зоне термического воздействия после изгиба под заданным углом. Соединение продемонстрировало превосходную способность к пластической деформации, что свидетельствует о плотной внутренней сварке без внутренних дефектов, а также о том, что его структурная пластичность и совместимость деформаций соответствуют инженерным требованиям. В отличие от этого, некоторые традиционные сварные образцы показали микротрещины при изгибе, что указывает на более слабую пластическую стабильность по сравнению с композитным сварным соединением, полученным методом LASW.
4.4 Анализ деформации сварного шва и остаточных напряжений
В процессе сварки толстостенных прямошовных стальных труб большого диаметра деформация и остаточные напряжения, вызванные неравномерным распределением тепла, являются ключевыми проблемами, влияющими на точность размеров и срок службы труб. Данные испытаний показывают, что традиционная сварка под флюсом характеризуется большим накоплением тепла, что приводит к большей эллиптичности и радиальной деформации тела трубы после сварки. В зоне сварного шва возникает высокое остаточное растягивающее напряжение, которое может легко привести к последующей коррозии под напряжением, распространению трещин и другим скрытым опасностям. Это также ключевые показатели, которые необходимо контролировать при производстве толстостенных труб haiqianwei.
Композитная сварка LASW характеризуется низким суммарным подводом тепла и узкой зоной термического воздействия, что концентрирует сварочное тепло в зоне соединения. Это значительно улучшает общую равномерность нагрева трубы, что приводит к заметному снижению деформации трубы после сварки и повышению точности размеров. Одновременно композитное сварное соединение демонстрирует более низкое остаточное напряжение и более равномерное распределение напряжений, эффективно снижая риск разрушения конструкции, вызванный концентрацией напряжений, и повышая долговременную стабильность работы компонентов трубопровода.
4.5 Анализ эффективности производственного процесса
Традиционные толстостенные стальные трубы с прямым швом требуют многослойной, многопроходной сварки, что приводит к многочисленным этапам сварки, длительным циклам обработки и значительной ручной работе и последующей обработке, тем самым ограничивая эффективность производства. Процесс LASW, благодаря своей технологии однопроходной сварки с большой глубиной проплавления, позволяет значительно сократить количество сварочных проходов для толстых листов, упростить этапы обработки и резко увеличить скорость сварки. Одновременно этот процесс отличается низким уровнем дефектов сварки, минимальным количеством доработок и простой последующей обработкой. После модификации и применения на существующей производственной линии JCOE компании haiqianwei он позволяет эффективно повысить общую производительность линии и снизить комплексные производственные затраты, такие как расходные материалы, рабочая сила и энергопотребление оборудования, демонстрируя отличный потенциал для индустриализации.
V. Заключение
На основе условий производственной линии формования JCOE на заводе Hebei haiqianwei было проведено экспериментальное исследование и характеристика рабочих параметров процесса лазерно-дуговой гибридной сварки (LASW) стальных прямошовных труб большого диаметра. В сочетании с многомерным сравнительным анализом макроструктурных свойств, микроструктуры, механических свойств и структурных напряжений были сделаны следующие выводы:
1. Сочетание двух источников тепла — лазерной и дуговой сварки — позволяет достичь технологической взаимодополняемости, эффективно оптимизировать состояние сварочной ванны при сварке толстостенных стальных труб большого диаметра, уменьшить типичные дефекты сварки, такие как пористость, шлаковые включения и непровар, а также обеспечить ровное и однородное формирование сварного шва. Общее качество и однородность сварного соединения значительно превосходят показатели традиционной сварки под флюсом, что помогает снизить процент доработок при дефектоскопии готовой продукции в haiqianwei.
2. Точные и контролируемые характеристики низкотемпературного подвода тепла, обеспечиваемые технологией LASW, позволяют эффективно подавлять укрупнение зерен сварного шва, измельчать микроструктуру сварного шва и зоны термического воздействия, оптимизировать однородность микроструктуры и принципиально улучшать механические свойства сварного соединения. Эффективно повышаются прочность соединения, низкотемпературная ударная вязкость и пластичность, что позволяет удовлетворить эксплуатационные требования предприятий к высококачественной трубопроводной продукции.
3. Технология комбинированной сварки позволяет значительно уменьшить проблемы горячей деформации и концентрации остаточных напряжений при сварке стальных труб, повысить точность размеров труб и избежать таких угроз безопасности, как коррозия под напряжением и распространение трещин при длительной эксплуатации. Она может применяться при производстве трубопроводов высокого давления, низких температур и для судостроения.
4. Процесс сварки LASW прост, обладает высокой эффективностью формования и низким уровнем доработок. Он имеет потенциал для модернизации и интеграции на основе существующей автоматизированной производственной линии JCOE компании haiqianwei. Обеспечивая высокое качество сварки, он может повысить эффективность промышленного производства и снизить производственные затраты. Он может использоваться в качестве альтернативного процесса для высокотехнологичного и интеллектуального производства прямошовных стальных труб большого диаметра и имеет широкие перспективы применения в машиностроении.
Дальнейшие исследования могли бы сосредоточиться на адаптации и оптимизации параметров процесса лазерной сварки под давлением для сверхтолстостенных стальных труб и труб из высококачественной стали, такой как X80, завершить отладку интерфейсов оборудования и связей производственной линии, создать стандартизированную базу данных параметров процесса сварки, совместимую с существующей системой контроля качества haiqianwei, и дополнительно содействовать широкомасштабному и стандартизированному применению технологии лазерной комбинированной сварки в области производства трубопроводов.
[1] Китайская ассоциация производителей железа и стали. GB/T 1591-2018, Низколегированная высокопрочная конструкционная сталь [S]. Пекин: Китайское издательство стандартов, 2018.
[2] Чэнь Учжу. Технология лазерной сварки и лазерной гибридной сварки [М]. Пекин: Издательство машиностроительной промышленности, 2016.
[3] Чжан Хун, Ли Ган. Прогресс исследований механизма и процесса гибридной лазерно-дуговой сварки [J]. Журнал сварки, 2020, 41(05):1-8.
[4] Ван Цзяньцзюнь. Исследование контроля качества сварки стальных труб большого диаметра, сваренных под флюсом прямым швом [J]. Стальные трубы, 2019, 48(03):45-49.
[5] Лю Юн, Чжао Лян. Исследование микроструктуры и механических свойств композитной лазерно-дуговой сварки толстых пластин [J]. Материаловедение и технология, 2021, 29(02):78-83.
[6] Hebei haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd. JCOE Техническое руководство по производственной линии стальных труб с прямым швом, сваренных под флюсом [Z]. 2025.
Предупреждение: Содержание данной статьи носит исключительно информационный характер и не является инвестиционной рекомендацией. Для практического применения продуктов, пожалуйста, следуйте рекомендациям профессиональных организаций.
