管線鋼高效焊接技術的研究現狀及前景分析

卜磊

摘要：隨著社會、經濟的不斷發展，對于石油與天然氣的需求量也日益加大，管線建設量也日益擴大，一系列高效優質的焊接新技術廣泛應用于管道連接過程中。較國外一些先進國家而言，我國管線鋼高效焊接技術還停留在初級階段，未形成一定發展規模，因此，提升管線鋼高效焊接技術則非常有必要。筆者針對于管線鋼高效焊接技術的研究現狀及前景展開分析，意在既能夠促進管線鋼焊接工藝研究，促使相關部門和相關人員重點關注焊接設備的研發工作，爭取早日將設備制造國產化，推動管線鋼焊接行業的發展。

關鍵詞：管線鋼;焊接技術;對焊接;研究現狀;前景

引言

為了有效推動我國管線焊接新工藝的研究和應用，滿足我國現代化管線建設的要求，本文針對于國內外采用的管線鋼焊接新工藝和新方法展開研究，對不同焊接工藝所取得的進展進行探析，然后對不同焊接工藝的優劣性進行比較和分析，對我國管線鋼焊接新技術研究與國外存在的差距進行詳細闡述，指出今后需努力的方向。

一、閃光對焊技術

閃光對焊技術是指在對焊機的輔助下，來協助兩端金屬接觸，在連接電源之后，會在電阻熱的幫助下在觸點之間產生電弧，在端面金屬達到一定溫度之后，會在軸向加壓頂鍛方式來完成對焊工作。較傳統焊接技術而言，閃光對焊有著較高的自動化，能夠一次塑成形狀，且有著較高的生產效率，針對于大口徑、厚壁的管線鋼而言，有著較大的潛力。

閃光對焊技術最早起源于前蘇聯，目前，在烏克蘭和俄羅斯都得到了廣泛的應用，但是對于其他國家而言，閃光對焊技術還是處于初級試驗階段，就其原因是難以保證閃光對焊的接頭質量。據國內相關調查經驗顯示，應用人工神經網絡來構造X65管線對焊的接頭預算模型，可以采取實時檢測對焊接參數的方式來進一步提升接頭質量。較一些國外先進國家的閃光對焊技術而言，我國研究水平還呈現滯后性，研究水平依然處于初級階段，在此情況下，學習國外先進的閃光對焊技術、經驗、拓展先進設備及資金的引入渠道，加大閃光對焊技術人才培養力度是我國亟待解決的問題。

二、高能束焊

（一）激光焊

激光焊接技術是在20世紀60年代誕生的，其作用原理是指在高品質及高能量的激光熱源作用下，來對材料進行連接。激光焊有著諸多優勢，例如，其有著較高的生產效率、較小的熱影響區及較低的熱輸入。同時激光焊接技術應用前景較為廣闊，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軟件化所帶來的風險，具有較高的應用價值，近年來被廣泛應用于管線鋼高效焊接領域中。

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，可以單道就實現中厚度管線鋼的焊接工作，且能夠很好的保證接頭性能，對于管線鋼的熱影響區的軟化問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，這也對其裝配精度體出了更高的要求，針對于大口徑的管線鋼而言，激光焊技術不能有效的對其實行焊接。

單級脈沖焊是閃光對焊技術重要的組成部分，該技術是由Austin A&M大學結合J型管線鋪設工藝研發而成的。應用單向發電機來制造大電流、低電壓脈沖，生成電阻熱，待達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度高、熱影響區低的特點。但是也極容易產生脆性層，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、、缺陷檢測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70年代WSteen所提出，其是指將激光焊技術切實融入于電弧焊技術，使二者相得益彰，充分挖掘二者的應用價值。其不僅能夠有效減少管線鋼轉裝配的要求，也能夠進一步提升所施加的能力密度，對焊縫成形做到有效控制。

激光—電弧焊有著較為廣闊的應用范圍，其主要是應用旁軸復合形式，且在實際焊接技術中，還要控制激光和電弧的相對位置，以避免由于二者相對位置不同而對焊接質量帶來不利影響。經過相關人員對過X80管線鋼和激光MIC電弧復合焊研究發現，激光前置能夠有效預防熔滴過渡及熔池波動的影響，能夠進一步擴大熔深。在控制相對位置的同時，還要對激光和熔化極氣體保護焊的功率匹配進行科學控制，激光和熔化極氣體保護焊的功率也是影響焊接質量的主要因素之一。據相關調查研究表明，激光—電弧焊中一旦出現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相對明顯的優勢。

現階段，管線鋼應用激光—電弧焊技術的研究方向多是集中于焊接接頭質量的系統評估、焊機工藝的參數研究等等。在管線鋼級別不斷增加的背景下，對激光—電弧焊管線鋼性能、熱影響區相變機理等方面展開研究和分析是至關重要的。針對于現場管線焊接而言，其面臨的重要問題是現場缺少必要的能源支持，且激光設備的尺寸也受到一定程度的制約。就目前而言，針對于百瓦級和千瓦級的光纖激光器來說，我國有自主研發和生產的能力，而針對于萬瓦級的光纖激光器而言，我國研發過程中還缺少相應的技術及人才等方面的支持，大部分只能依賴于進口。因此，我國要加大對大功率激光設備的研發力度，迎難而上，克服技術困難，進而促進激光—電弧焊技術在國管線鋼上的應用前景開拓。

（三）電子束焊

作為一種高能束焊技術，電子束焊技術一直深受關注。該技術是1980年法國Total石油公司在開展J-型鋪管作業時提出來的，但電子束保證能力密度的前提是在真空環境下，而真空室的大小和形狀對于該技術的應用造成一定制約。2000年，英國焊接研究所創造了在管線鋪設前提下的非真空電子束焊接裝置，應用側吹氬氣的方式來對電離產生的電離子進行驅除，實現了電子束能量的集中。

目前而言，國內缺少對于管線鋼電子束焊接工藝的研究，但是基于國內電子束焊接的優勢和一些先進國家的研究經驗，可以為國內電子束焊接工藝的研究提供一定的方向。電子束焊接的組隊精度對于激光焊接提出了更高的要求，且工作過程需要解決產生有輻射的X射線等問題。但是，電子束焊的深寬比例能夠控制在2%，較于激光焊技術而言，電子束焊的有著更高的能量密度，針對于大厚壁的管線鋼而言，是一種非常理想的焊接技術，有著較為廣闊的應用前景。

三、摩擦焊

（一）徑向摩擦焊

徑向摩擦焊是借助于焊件相對摩擦運動產生的熱量來完成的一種固相壓力焊方法，該技術焊接過程穩定、安全，有著較高的焊接效率，且焊接過程能控制低污染，被廣泛應用于管道之間對接工作中。20世紀80年代，挪威等國家就開始對用于管道焊接的徑向摩擦焊機進行研制，并探索了管道徑向摩擦焊工藝。

現階段，徑向摩擦焊技術在基礎理論與焊接工藝方面都趨于完善，有著較大的進步。比利時的KFaes等人針對X52級管線鋼進行了徑向摩擦焊工藝探索，據相關分析發現，徑向環的旋轉速度、厚度以及材料和焊接質量呈現密切關系。徑向環速度增加可以降低工件變形量，徑向環的力學性能要與被焊材料相適應，徑向環厚度影響摩擦焊接的熱過程，進而影響焊接接頭組織。

（二）攪拌摩擦焊

管線鋼應用攪拌摩擦焊過程中，需要給內部提供一定支撐力，避免焊接過程產生較大壓力而造成管道壁塌陷的情況。美國的MegStir公司對準305mm的X60管線鋼進行了攪拌摩擦焊試驗，應用W型驅動轉軸，在旋轉管線鋼的同時，提供內部支撐，使13mm壁厚的管線鋼的焊接達到理想程度。在改進設備的基礎上，管線鋼攪拌摩擦焊工藝的研究也得到一定進步。

據相關研究顯示，在環縫焊接管線鋼時，應用攪拌摩擦焊可比電弧焊減少大約在8%的成本。現階段，管線鋼攪拌摩擦焊的研究方向主要是指針對于焊接工藝參數、接頭顯微組織與質量。管線鋼焊接應用攪拌摩擦焊時極易出現變形情況，梳理顯微組織與變形的關系可以實現焊接工藝的進一步改善。

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