激光-電弧復合焊技術在長輸管道焊接中的研究進展

鄧俊， 皮亞東， 陳建爽， 石曉松， 閆臣， 秦偉

(1.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，河北 廊坊 065000；2.曹妃甸新天液化天然氣有限公司，河北 唐山 063000；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000)

0 前言

在過去的幾十年里，電弧焊一直是長輸管道最主要的焊接方法，但經過這些年對電弧焊設備和工藝的完善，使其在焊接效率方面的突破已接近極限，面對勞動力和自然資源的日益匱乏，應用更加高效和節能的焊接方法替代原有的技術已成為趨勢。隨著科技的進步，各種應用于管道的新型焊接方法開始出現并不斷發展，其中激光-電弧復合焊接方法由于其高效性而成為研究熱點。激光-電弧復合焊接技術結合了激光和電弧2種焊接方法的優勢，具有熔深大、焊接速度快和裝配適應性強的特點，這些特點使激光-電弧復合焊能夠很好的滿足長輸管道施工對高效和節能日益嚴峻的挑戰。

目前,國外多家研究機構進行了激光-電弧復合焊技術焊接管道的試驗，主要以英國焊接研究所TWI，美國EWI等機構為首[1-3]，對激光-電弧復合焊在管道應用上開展了大量試驗研究。中國石油天然氣管道科學研究院和哈爾濱工業大學最早開始相關試驗研究[4-7]，對激光-電弧復合焊接技術開展管道的全位置焊接可行性和根焊焊接試驗研究。有研究表明[8]，在試驗條件下其單次能焊透厚度16 mm的管壁，從而減少焊道的層數，同時由于激光和電弧的相互促進作用，使其焊接速度達到2 m/s，如該技術能應用于現場油氣長輸管道焊接，將具有突破性的重大意義。

1 焊接用激光器的對比

最先用于管道深熔焊接的主要有2種激光，分別是CO2氣體激光和摻雜有釔、鋁、石榴石的釹(Nd:YAG)激光。CO2激光是最早開始能夠提供足夠高的能量將厚度大于6 mm結構鋼熔透的激光，而當時的Nd:YAG激光在提供大能量激光光束方面有一定有局限[9]。隨著Nd:YAG激光技術的發展，其可提供的功率也高達10 kW，使其商業化成為可能。Nd:YAG激光器與CO2激光器最主要的不同是它們所產生激光的波長不同，CO2激光器所產生的激光波長為10.6 μm，需要通過復雜的反射或傳輸系統才能到達工作現場，而Nd:YAG激光器產生的激光波長為1.06 μm，這種激光可僅用一根光纖進行傳輸，與CO2激光相比更具有靈活性。這種光纖傳輸激光方式的出現，為管道焊接的現場應用提供了可能。

近幾年發展的大功率小體積光纖激光器開始受到關注，其激光功率產生于激光模塊中，每個獨立的激光模塊能夠產生數百瓦甚至上千瓦的功率，組合起來能產生10 kW以上的功率。其產生激光的波長與Nd:YAG激光器的大致上相同，可通過光纖傳送到工作現場。Yb光纖激光器與Nd:YAG激光器相比，效率更高，且其結構更為緊湊。近幾年光纖激光器技術得到了飛速的發展，其中由IPG公司生產的YLR-50000 (IPG)激光器最高功率可達50 kW，國內已有的激光器最高可到30 kW，光能轉化率高達30%～45%，表1為不同類型激光器性能比較[10]。

光纖激光器已經證實了其在商業上的可行性，其應用潛力也已超過了使用閃光燈激發的Nd:YAG激光器，尤其是在傾向于便攜性的管道焊接建設，且研究發現，相比于其他類型的激光器，用光纖激光器焊接管道焊縫，成形良好，具有很高的研究價值。

表1 不同激光器性能比較

2 不同類型激光技術在長輸管線上的應用

2.1 CO2激光焊

最早應用于管線焊接的激光技術為激光自熔技術。Bonigonan和Geertsen將CO2激光焊接技術用于海底管道焊接試驗，以測試CO2激光焊在S形鋪管船海上管道應用的可能性[11]。該系統采用的CO2激光器功率高達20 kW，可一次性焊接壁厚為20 mm的鋼管。試驗發現，CO2激光焊用于管道全位置水平固定(5G)焊接的容差在可接受的范圍內。Gainand等學者[12]在AXAL/ITP也開發出了管道全自動激光焊接系統用以提高海上管道的焊接速度。該系統同樣使用20 kW的CO2激光器，焊接壁厚為15.9 mm管道，焊縫的無損檢測結果基本符合API 1104:2013《Welding of pipelines and related facilities》標準，但其力學性能數據沒有公布。

2.2 閃光燈泵浦Nd:YAG激光焊

TWI最先開始研發高能Nd:YAG激光器在管道環焊中的應用。TWI提高了現有的電弧焊接技術，并且高度評價了高能Nd:YAG激光器在降低管道建設成本上的作用。早期的試驗研究內容主要是激光在橫焊(2G)位置的焊接。結果表明：當焊接速度較低時，其能實現厚度為12.7 mm鋼管的焊接，焊縫成形良好;當增加焊接速度到1.0 m/min時，由于對口間隙的變化，造成焊縫成形不理想。研究還發現，激光自熔焊接焊縫的沖擊韌性差。為了解決高速焊接所帶來的裝配間隙適應性小以及沖擊韌性低的問題，需要在此焊接方法上改進升級，其中Howse等學者[13]和Booth等學者[14]提出了Nd:YAG/MAG復合焊接方法。

2.3 Nd:YAG激光/MAG復合焊

Nd:YAG激光焊接最早設計用于在陸地管線上替代MAG焊接填充，在激光焊之前采用MAG內焊根焊，填充采用Nd:YAG激光自熔焊接，激光功率為9 kW。試驗人員將Nd:YAG激光源和電弧焊槍裝配到一個復合焊炬上，進行復合焊接試驗，其目的是將激光焊與MAG焊絲填充結合起來，提高焊接速度及裝配間隙的適應性，同時得到符合要求的微觀結構和沖擊韌性[13]。試驗表明，選擇合適的焊接參數，焊縫可一次性焊透，焊后焊縫無凝固缺陷。如果焊縫能夠達到一次性焊透，則在1 m/min的焊接速度下達到8 mm以上的熔深是可行的。

以上試驗結果表明，在管道焊接中，把高能的Nd:YAG激光焊和MAG焊接結合起來，從而形成高熔透的焊接過程在工程上是可行的，其焊縫能夠滿足管道規范，檢測焊縫的缺陷在BS 4515:2009《Specification for welding of steel pipelines on land and offshore》和API 1104:2013標準以內。整個焊縫的硬度在標準范圍內，且具有良好的低溫韌性,見表2和表3[13]。

表2 Nd:YAG激光/MAG電弧復合焊接API 5L X60鋼管的硬度HV10

表3 Nd:YAG激光/MAG電弧復合焊接API 5L X60鋼管的夏比沖擊吸收能量J

閃光燈觸發的Nd:YAG激光技術用于現場管道焊接的主要缺點是其低的光能轉化效率和便攜性，限制了其工業應用。

2.4 Yb光纖激光/MAG 復合焊

TWI在2003年使用7 kW功率的Yb光纖激光器進行了焊接試驗[13-14]，該激光器的激光傳送采用光纖直徑為0.3 mm的光纖。經測試，該激光器的光能轉化效率為20%，高于閃光燈激發的Nd:YAG激光器。該激光器中有一個獨立高效的激光源，便于攜帶，能夠用于管道焊接。在上述試驗基礎條件下，TWI開始嘗試焊接API 5L X80鋼管，以調研該技術的應用潛力。該激光/電弧復合焊接系統由Yb激光器、可編程 ESAB AristoMIG 450電弧焊機、AristoFeed 30送絲機和 MA6 控制器組合而成，激光頭安裝在Kawasaki ZX130L的6軸機器人上。激光頭聚焦鏡片的焦距為250 mm，最小光斑直徑為0.6 mm，在激光功率為7 kW時，激光的能量密度可達2.5×104W/mm2。試驗所用的鋼管材料為X80，鈍邊厚度為8 mm，模擬了管道全位置(5G)焊接中的3個位置，分別為平焊(1G)，立焊(3G)和仰焊(4G)。上述3個位置均采用以下焊接工藝參數：焊接速度1.8 m/min，焊絲直徑1 mm，送絲速度10 m/min，脈沖電流215 A，電弧電壓25 V，電弧能量5 kW，激光能量7 kW，光斑直徑0.6 mm，光束焦點位置調制焊接工件表面。焊縫經外觀檢測和射線檢測表明，焊縫成形好，且均未發現內部缺陷，對焊縫進行硬度、拉伸和夏比沖擊試驗，試驗結果見表4[14]，焊縫試樣均具有較好的韌性，拉伸斷裂位置均位于母材。焊縫硬度較高，如果用于酸性服役管線，還需進一步改善其硬度。

EWI研究機構采用Yb光纖激光器進行了激光-電弧復合管道環焊縫根焊試驗[15]，以印證激光-電弧復合焊應用于現場環境的可能。該機構將光纖激光和電弧焊炬整合到CRC-Evans P450焊接小車上，采用4 kW激光功率，焊接速度1.78 m/min(70 ipm)，進行鈍邊為4 mm的環焊縫試驗，試驗結果表明：其可完全焊透鈍邊，且焊接速度最高可達2.3 m/min，內外表面成形良好。

表4 采用Yb光纖激光/MAG 復合焊的焊縫力學性能試驗結果

大功率的光纖激光器也越來越多的應用在管道環焊縫焊接試驗，大功率激光器能一次焊透更厚的壁厚，提高焊接效率[16-17]。其中圣彼得堡彼得大帝理工大學的激光焊接研究機構采用20 kW 的YLR-20000 (IPG)光纖激光[17]，研究了焊接速度和預熱溫度對激光-電弧復合焊縫的微觀組織及其力學性能的影響;研究表明，增加焊接速度，會增加馬氏體在焊縫組織中的比例，如果減慢焊接速度，則會產生相反的效果，提供更軟的微觀組織，預熱溫度對焊縫組織和力學性能的影響則相反。

最近幾年，中國石油天然氣管道科學研究院同樣采用IPG公司生產的10 kW功率光纖激光器進行了φ1 016 mm×17.5 mm和φ1 219 mm×18.4 mm 2種管徑規格，4 mm，6 mm和8 mm 3種鈍邊厚度的焊接工藝試驗。試驗表明，焊縫成形良好，無損檢測和力學性能試驗能夠符合API 1104:2013標準要求。

高能激光材料加工在過去10年內的發展十分迅速，每一代新產品的問世，都使激光在管道焊接應用的潛能都得以提升。CO2激光器和閃光燈觸發的Nd:YAG激光器由于傳輸方式和效能的不利因素，不適于油氣管線長途作業，而高能Yb光纖激光技術在市場上的引入，推進了激光-電弧復合焊接技術在管道焊接現場應用的步伐。

3 激光-電弧復合技術的工業化應用

目前國外關于激光-電弧復合技術在長輸管道的工業化應用報道較少，其中俄氣公司搭建的激光-電弧復合焊系統已通過認證，焊接裝置ULST-1列入俄羅斯天然氣工業股份公司項目批準使用。計劃在直徑為1 420 mm的北歐天然氣管道工程對該裝置進行作業試驗。英國BMT集團公司開發了激光-電弧復合焊(HLAW)系統，進行了現場準備工作，并通過了焊接驗證，制定了高強鋼管道的激光-電弧復合焊技術施工規范，而國內激光-電弧復合技術在長輸油氣管道暫無工業化應用。

在過去的一段時間內通過大量焊接試驗已證明激光-電弧復合焊技術在焊接過程中的實用性，但畢竟該技術用于管道焊接仍處于試驗階段，而且工業化應用較少，僅有國外少數企業進行了現場野外應用嘗試，并未形成大規模應用，工業化應用及配套技術仍不成熟，該項技術若要在管道焊接領域的應用被完全認可，還需進行大量野外應用適用性探索。

4 目前存在的問題

現階段激光-電弧復合焊技術應用于管道焊接仍停留在試驗室試驗階段，并沒有廣泛應用于管道工程中，其主要涉及焊接工藝、性能、設備和施工規范標準等幾個方面的原因，文中重點分析了以下幾個突出問題并提出了建議。

4.1 焊接缺陷

目前，國際上還沒有正式的激光-電弧復合焊用于管道的焊接施工標準和驗收規范。但可以預見，由于激光-電弧復合焊技術能夠一次焊透鈍邊較厚的材料，且其為單面焊雙面成形，如果焊縫出現缺陷，返修難度較大，故應要求該技術能較好地控制焊縫缺陷。

現在大量的工作焦點是研究模擬管道平焊位置的最優化激光-電弧復合焊接的參數試驗，而很少有關于該技術用于管道不同位置的根焊焊縫試驗以及微觀組織和力學性能研究，而其中管道焊接在仰部位置極易出現內凹缺陷。中國石油天然氣管道科學研究院聯合哈爾濱工業大學雷正龍等學者[18]針對X70鋼管道全位置激光-熔化極活性氣體保護(MAG)電弧復合根焊焊接過程中，管道焊接4～6點位焊縫背面易出現內凹，開展了管道全位置激光-MAG 電弧復合根焊焊縫成形試驗研究。圖1為仰部位置的內凹示意圖和實際焊接圖[18]，通過該試驗研究雖能使仰部內凹得到控制，但該缺陷仍沒有得到根本解決，完全消除激光-電弧復合焊4～6點位置的內凹問題，還需進一步的大量工藝試驗研究。

圖1 仰部位置的內凹示意圖和實際焊接圖

長輸管道施工條件受現場環境和管材標準因素的限制，坡口的尺寸、對口的間隙和錯邊量不易準確控制在限定范圍內，這些誤差對大鈍邊厚度的激光-電弧復合焊接非常不利，容易產生氣孔和未熔焊接缺陷(圖2為由對口間隙和錯邊引起的焊接缺陷)，從而降低焊接質量，且由于環焊縫為全位置焊接，為保證焊縫表面和背面成形良好，要求焊槍和激光頭隨焊接的變化而變化，所以必須設置一種能在不同焊接位置設置跟蹤參數可調節的跟蹤系統，從而使跟蹤系統更智能化，更適應管道的全位置焊接。檀朝彬等學者[19]通過利用650 nm 激光結構光發射器與cmos光電傳感器結合獲取焊道圖像信息，應用數字圖像處理技術提取縱向偏差、橫向偏差、錯邊量和對口間隙信息，焊道跟蹤系統根據縱向偏差、橫向偏差實時調整焊炬位置，保證激光焊點準確對中，提高了焊接質量，如該方法在今后現場應用中能夠實現，將進一步提高現場焊接焊縫合格率。

圖2 間隙和錯邊量對焊縫成形的影響

激光-電弧復合焊由于一次焊接鈍邊較厚，焊接熱輸入大，易在焊縫區產生凝固裂紋。圣卡塔琳娜州聯邦大學研究了激光-電弧復合焊縫的幾何形狀參數和工藝參數對凝固裂紋的形成的影響[20]，該試驗通過膨脹擴張角度β來定義焊縫外形尺寸變化的劇烈程度，如圖3所示。b代表焊縫水平方向最短距離，B代表焊縫水平方向最長距離，兩線段構成了一個等腰梯形，h為兩線段之間的距離。研究表明，凝固裂紋的產生與焊縫的膨脹擴張角度β有著極其密切的聯系，膨脹擴張角度β越大，其產生凝固裂紋的長度和幾率越大。該研究還發現，即使凝固裂紋的位置發生在激光區域，且離電弧區有一段距離，填充材料的成分同樣能影響焊縫的凝固裂紋。

圖3 焊接裂紋

4.2 焊縫性能

采用激光-電弧復合焊技術焊接的焊縫硬度一直是學者關注的問題之一，激光-電弧復合焊由于較快的焊接速度和冷卻速度，造成其焊縫組織明顯不同于電弧焊，其微觀組織中會產生較硬的貝氏體組織，從而使硬度值超過標準要求。中國石油天然氣管道科學研究院針對激光-電弧復合焊硬度做了一系列試驗，以改善接頭硬度。該機構采用激光-MAG復合焊接方法焊接X80鋼，如圖4所示；對接頭橫向斷面進行硬度測試，試驗結果如圖5所示，不預熱時焊縫硬度高達330 HV；將鋼管預熱至100 ℃后進行根焊，焊縫硬度顯著降低，熔合線附近硬度梯度變小；當預熱溫度增加到200 ℃時，焊縫和熱影響區硬度下降不明顯。不過，現行管道標準中關于管道電弧焊縫的硬度限制是針對采用纖維素焊條焊接的焊縫，其焊縫易產生氫元素聚集，從而導致焊縫熱影響區加氫脆化，然而在激光-電弧復合焊接方法中，氫元素含量被控制在一定范圍內，該硬度標準是否仍然適用于激光-電弧復合焊技術，還有待進一步論證和商榷。

圖4 接頭橫向斷面宏觀圖像及硬度測量位置示意圖

圖5 不同預熱溫度下接頭硬度分布

管道施工規范要求焊接接頭在適當的環境溫度范圍內有足夠的沖擊韌性，能夠滿足在高寒地區的管線進行焊接的條件。試驗發現，在激光-電弧復合焊的夏比沖擊試驗中，易出現沖擊吸收能量較小且離散的現象，為此，中國石油天然氣管道科學研究院通過優化焊接工藝參數和預熱溫度，對焊縫和熱影響區的沖擊性能進行了改善。該機構研究了不同預熱溫度和不同激光功率對焊縫沖擊性能的影響，試驗采用X80鋼，對鈍邊厚度為8 mm鋼管進行根焊，沖擊試樣選取激光電弧復合焊根焊位置，試驗溫度為-20 ℃，試樣尺寸為55 mm×10 mm×5 mm。試驗發現，從不預熱到預熱溫度為200 ℃時，沖擊吸收能量隨著預熱溫度的升高而增大如圖6所示，而激光功率對沖擊韌性影響較小如圖7所示，該試驗也表明其在-20 ℃時，除個別沖擊吸收能量比較離散，大部分值比較穩定，且有較高的沖擊吸收能量。

圖6 不同預熱溫度下的沖擊吸收能量

圖7 不同激光功率下的沖擊吸收能量

4.3 設備的可靠性和穩定性

激光-電弧復合焊由2種熱源復合而成，在焊接過程中激光和電弧復合的穩定性同樣影響焊縫質量。

SLV Halle公司的Neubert等學者[21]研究發現，裝備技術是影響焊接缺陷的主要因素之一，在焊接過程中由于焊接小車較大的自重，焊接小車車身結構很難達到所要求的剛度，以使其保證在環管道焊接過程中有很好的穩定性。中國石油天然氣管道科學研究院對焊接小車和軌道的機械結構設計進行優化，對固定激光頭和焊槍的鋼板采用比剛度大的材料，盡量減少由于自重的原因造成焊接小車在繞管圈做圓周運動時產生的不穩定變化，焊接穩定性明顯得到提高。設備的可靠性和穩定性直接關系到焊接過程的穩定性，設備零件加工精度和安裝精度的保證為焊接過程的穩定提供了重要保障。

通過上述分析總結，目前激光-電弧復合焊在現場應用可能出現的問題，具體有以下幾點解決措施：①從激光-電弧復合焊接熔滴過渡和焊縫微觀組織角度進行深入的仰部內凹形成機理研究，找出形成內凹缺陷的主要原因；②針對復雜的現場環境，設置一種更智能化的焊縫跟蹤系統，從而更適應現場管道的全位置焊接；③通過對坡口形式、坡口尺寸、焊接工藝參數及焊前和焊后的熱處理等焊接規范的研究，可避免焊接裂紋的產生，降低焊縫硬度以及提高焊縫的韌性值；④盡量增加設備的穩定性和可靠性,為實現激光-電弧復合焊現場應用提供了裝備保障。

5 結束語

(1)近幾年發展起來的大功率小體積光纖激光器Yb光纖激光器，光能轉化效率高，能達到30%～45%，且結構緊湊。激光-電弧復合焊高效率和設備不易搬運的特點正好符合海洋管道建設時間成本昂貴，不需要頻繁移動焊接設備的特殊要求，是以后該技術在管道焊接發展應用的主要方向。

(2)從一系列激光-電弧復合焊應用于管道焊接的研究進展可以看出，國外開始該項技術研究比較早，國內起步較晚，其中中國石油天然氣管道科學研究院最先開始也是僅有的幾家研究單位之一，技術和研究成果處于領先水平，目前該機構已利用激光-電弧復合焊技術進行管道全位置焊接試驗，成功焊接了管徑1 219 mm、鈍邊高度8 mm的X80鋼管，無論從焊縫外觀還是焊縫力學性能，均能適應長輸管道焊縫合格標準。

(3)這項技術剛開始的試驗結果比較理想，但距離現場管道應用還有一段距離，盡快進行焊接工藝現場適應性試驗，對焊縫缺陷進行有效控制以提高焊縫合格率，同時制定適合激光-電弧復合焊技術的長輸油氣管道施工標準和驗收規范是最根本的解決方法。