Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб

Рассмотрена перспективность применения гибридной лазерно-дуговой сварки для соединения труб при строительстве трубопроводов. Показано, что сочетание гибридной сварки с дуговой позволяет формировать полнопрофильное сечение металла шва при толщине стенки трубы 10 мм. Гибридную сварку также можно усп...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Автоматическая сварка
Дата:	2011
Автори:	Кайтель, С., Нойберт, Я.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Теми:	Производственный раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102333
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб / С. Кайтель, Я. Нойберт // Автоматическая сварка. — 2011. — № 2 (694). — С. 36-41. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102333
record_format	dspace
spelling	Кайтель, С. Нойберт, Я. 2016-06-11T20:09:27Z 2016-06-11T20:09:27Z 2011 Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб / С. Кайтель, Я. Нойберт // Автоматическая сварка. — 2011. — № 2 (694). — С. 36-41. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102333 621.791.72 Рассмотрена перспективность применения гибридной лазерно-дуговой сварки для соединения труб при строительстве трубопроводов. Показано, что сочетание гибридной сварки с дуговой позволяет формировать полнопрофильное сечение металла шва при толщине стенки трубы 10 мм. Гибридную сварку также можно успешно применять при выполнении корневого прохода в соединениях труб с притуплением 12…15 мм. Potential of application of hybrid laser-arc welding for joining pipes in construction of pipelines is considered. It is shown that the combination of hybrid welding with the arc one allows formation of the full-profile section of the weld metal at a pipe wall thickness of 10 mm. Hybrid welding can also be successfully applied to make the root pass in joints on pipes with a root face of 12...15 mm. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб Hybrid laser-arc welding for pipe joining Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб
spellingShingle	Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб Кайтель, С. Нойберт, Я. Производственный раздел
title_short	Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб
title_full	Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб
title_fullStr	Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб
title_full_unstemmed	Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб
title_sort	гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб
author	Кайтель, С. Нойберт, Я.
author_facet	Кайтель, С. Нойберт, Я.
topic	Производственный раздел
topic_facet	Производственный раздел
publishDate	2011
language	Russian
container_title	Автоматическая сварка
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
format	Article
title_alt	Hybrid laser-arc welding for pipe joining
description	Рассмотрена перспективность применения гибридной лазерно-дуговой сварки для соединения труб при строительстве трубопроводов. Показано, что сочетание гибридной сварки с дуговой позволяет формировать полнопрофильное сечение металла шва при толщине стенки трубы 10 мм. Гибридную сварку также можно успешно применять при выполнении корневого прохода в соединениях труб с притуплением 12…15 мм. Potential of application of hybrid laser-arc welding for joining pipes in construction of pipelines is considered. It is shown that the combination of hybrid welding with the arc one allows formation of the full-profile section of the weld metal at a pipe wall thickness of 10 mm. Hybrid welding can also be successfully applied to make the root pass in joints on pipes with a root face of 12...15 mm.
issn	0005-111X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102333
citation_txt	Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб / С. Кайтель, Я. Нойберт // Автоматическая сварка. — 2011. — № 2 (694). — С. 36-41. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT kaitelʹs gibridnaâlazernodugovaâsvarkadlâsoedineniâtrub AT noibertâ gibridnaâlazernodugovaâsvarkadlâsoedineniâtrub AT kaitelʹs hybridlaserarcweldingforpipejoining AT noibertâ hybridlaserarcweldingforpipejoining
first_indexed	2025-11-25T22:20:21Z
last_indexed	2025-11-25T22:20:21Z
_version_	1850560090718863360
fulltext	УДК 621.791.72 ГИБРИДНАЯ ЛАЗЕРНО-ДУГОВАЯ СВАРКА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ С. КАЙТЕЛЬ, д-р-инж., Я. НОЙБЕРТ, инж. (Учеб.-исслед. ин-т, г. Галле (Зале), Германия) Рассмотрена перспективность применения гибридной лазерно-дуговой сварки для соединения труб при строительстве трубопроводов. Показано, что сочетание гибридной сварки с дуговой позволяет формировать полнопрофильное сечение металла шва при толщине стенки трубы 10 мм. Гибридную сварку также можно успешно применять при выполнении корневого прохода в соединениях труб с притуплением 12…15 мм. К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, гибридная лазерно- дуговая сварка, трубопроводы, технология сварки, аппара- тура, производительность сварки, монтажные условия Трубы большого диаметра для нефте- и газоп- роводов на протяжении многих лет соединяют ис- пытанным и хорошо себя зарекомендовавшим способом дуговой сварки. В зависимости от дли- ны прокладываемого трубопровода, толщины стенки отдельных труб и материала, из которого они изготовлены, применяют различные варианты этого способа сварки — от ручной дуговой штуч- ными электродами (рис. 1) до орбитальной ду- говой сварки МАГ, выполняемой на специальных установках. При этом перемещение поста произ- водится сварщиком не вручную, а механически с помощью систем, которые приводятся в дейс- твие двигателем, и зажимных приспособлений, расположенных по всему периметру трубы. Если длина трубопровода и профиль местности поз- воляют, то применяют сразу несколько орбиталь- ных установок, причем каждый отдельный пост предназначен для сварки одного или двух слоев, после чего он перемещается на следующий стык, где продолжается сварка таких же швов. Как пра- вило, каждая установка оснащена несколькими сва- рочными головками [1]. Такое конструктивное решение свидетельствует о высоком уровне разви- тия оборудования и сварочной технологии, однако характеризуется в то же время большими затратами с точки зрения комплектации и технического обслуживания (рис. 2). В связи с нехваткой энергоресурсов разработки подземных недр ведутся во все более сложных условиях. При растущих потребностях в надеж- ном энергоснабжении в Германии и Европе остро стоит вопрос о создании новых мощных техно- логий прокладки трубопроводов, соответствую- щих современным запросам. Проблемой является то, что применяемые дуговые процессы с точки зрения производительности процесса плавления и скорости сварки достигли уже своего предела и значительного улучшения в этой области не даст даже оптимизация оборудования. В этих условиях актуальным является разра- ботка таких высокопроизводительных процессов сварки, которые позволяют сократить количество проходов при многослойной сварке, а также сни- зить затраты на персонал и оборудование. Перспективными в плане выполнения этих требований с точки зрения и технологии, и ап- паратуры являются сварочные процессы на базе лазера. Применение гибридной лазерно-дуговой свар- ки открывает новые возможности. Оба эти про- цесса сварки тесно связаны, поскольку и лазерный луч, и дуга взаимодействуют в общей жидкой ван- © С. Кайтель, Я. Нойберт, 2011 Рис. 1. Вид верхнего слоя шва, выполненного на трубе ручной дуговой сваркой Рис. 2. Монтажная площадка для прокладки трубопровода 36 2/2011 не. Совместное воздействие обоих источников энергии и присадочного материала позволяет достичь высокой эффективности процесса сварки. При этом очень важны синергетические эффекты, которые проявляют и усиливают преимущества каждого из двух способов сварки. Шов получается таким же глубоким, как при лазерной сварке, а перекрытие зазора гораздо луч- ше. При соединении тонких листов можно дос- тичь очень высокой скорости сварки, иногда во много раз большей, чем при сварке в защитном газе. При сварке более толстых листов преиму- щество состоит в том, что вместо обычных мно- гослойных швов сварку можно выполнять за один проход и часто без дополнительной разделки кро- мок. На рис. 3 представлен вид шва типичной формы, выполненного гибридной лазерно-дуго- вой сваркой на листе толщиной 8 мм. Применение лазерных источников в условиях монтажных площадок стало возможным благода- ря бурному развитию этой области. Лучевые ис- точники последнего поколения (так называемые оптоволоконные лазеры) имеют не только боль- шую мощность, но и надежную компактную кон- струкцию. Они характеризуются высоким КПД и превосходным качеством луча (в отличие от обычных лазерных источников — CO2- или Nd:YAG-лазер) в связи с этим существуют все предпосылки для их широкого применения. Пос- ледние пять лет мобильные оптоволоконные ла- зеры успешно используют в судостроении и при строительстве трубопроводов [2]. Целью описанных ниже исследований было определение возможностей использования техно- логии и аппаратуры для гибридной лазерно-ду- говой сварки применительно к соединениям труб с учетом таких важных аспектов, как допуски, влияние внешней среды, мобильность сварочного оборудования, а также возможность сварки в при- нудительном положении в монтажных условиях. Основным направлением в исследованиях бы- ла возможность использования типичного для ла- зера эффекта глубокого провара для получения высококачественного свободного корневого слоя с высотой притупления 6…10 мм. Для этого срав- нивали варианты лазерных и дуговых систем, ко- торые применяют для гибридной сварки стыковых соединений с различными типами разделки кро- мок. Для соединения труб выбран способ сварки двух швов сверху вниз, при котором значительно уменьшается необходимая для формирования шва степень свободы при компоновке лазерного луча и дуги. После определения технологических па- раметров гибридной сварки первого слоя в струк- туру эксперимента нужно было интегрировать процесс дуговой сварки МАГ, чтобы за один обо- рот получить на листе толщиной до 12 мм зам- кнутый профиль шва. Предполагалось, что второй процесс сварки сможет положительно повлиять на механико-технологические свойства выпол- няемого сварного шва. Чтобы подтвердить технологическую целесо- образность гибридного лазерно-дугового процес- са орбитальной сварки применяли обычные тех- нологии. Базовым оборудованием для выполнения исследований служила поворотная система для труб фирмы «Gullco» (рис. 4). Указанная система оснащена трактором на кольцевой направляющей для перемещения по кругу, тактильными системами слежения за швом и управления, базирующимися на установочных осях для регулирования процессом сварки отно- сительно разделки кромок. В процессе сварки так- тильный датчик располагается впереди по нап- равлению движения. Сварочную головку с различными элементами жесткости адаптировали к установочной оси для регулирования по высоте. Для реализации воз- Рис. 3. Макрошлиф сварного соединения, полученного гиб- ридной лазерно-дуговой сваркой Рис. 4. Установка для орбитальной сварки МАГ 2/2011 37 можных серийных вариантов (табл. 1) система ла- зерный луч+дуга МАГ может иметь дополнитель- ные средства перемещения горелки и луча (рис. 5). В табл. 1 для упрощения эксперимента лазер- ный луч или дуга представлены в нейтральном положении. От промежуточных ступеней созна- тельно отказались. Применяли две различные системы оптоволо- конного лазера. На первом этапе исследований при высоте притупления до 6 мм использовали опто- волоконный лазер мощностью 4,5 кВт (рис. 6, а), а на втором при высоте притупления 8 мм в эк- сперименте — лазер мощностью 10 кВт Учеб- но-исследовательского института земли Меклен- бург-Форпоммерн (рис. 6, б). Первый оптоволоконный лазер, который при- менили для сварки лазерным источником мощ- ностью 4 кВт, был выпущен в 2003 г. и за годы эксплуатации подтвердил свою эффективность. Для получения замкнутого профиля шва к сва- рочной головке подсоединили еще одну дуговую горелку (рис. 7), что позволило за один оборот сварить гибридной сваркой корень, а сваркой МАГ — верхний слой, т. е. благодаря двум швам, выполненным сверху вниз, обеспечили полное за- полнение кромок. Сваривали отрезки труб длиной до 6 м. По этой причине допуски к соединениям были боль- шими по сравнению с соединениями калиброван- ных труб, особенно с точки зрения качества, в том числе и по величине смещения кромок. С учетом изложенного выше для выполнения сварки применяли установку опытной конструкции (рис. 8). Т а б л и ц а 1. Варианты компоновки лазерный луч + дуга МАГ № варианта Основной процесс (нейтральное положение) Второй процесс (положение) Схема процесса 1 Лазерный луч Горелка впереди (наклон назад) 2 Горелка позади ( наклон вперед) 3 Дуга Лазерный луч впереди (наклон вперед) 4 Лазерный луч позади (наклон назад) Рис. 5. Реализация дополнительных средств перемещения се- рийной системы лазерный луч+дуга МАГ: 1 — поворотный шарнир с опорой для перемещения горелки; 2 — направление дуги под углом к стыку Рис. 6. Внешний вид лазерных систем, применявшихся в экспериментах 38 2/2011 Исследования проводили на двух лазерных ис- точниках разной мощности. На первом этапе ис- следований у лазера мощностью 4,5 кВт были оп- ределены основные параметры гибридной дуги и чувствительность гибридного процесса к допус- кам при постоянно изменяющемся положении сварки по периметру трубы. Второй этап иссле- дований был посвящен оценке потенциала гиб- ридного процесса при использовании более мощ- ного (10 кВт) оптоволоконного лазера и однов- ременном увеличении высоты притупления в кор- невом слое с 6 до 8 мм. При проведении сварочных экспериментов бы- ли поставлены следующие задачи: удаление внут- реннего покрытия на всех соединяемых кромках; измерение толщины стенки, высоты и ширины притупления каждой соединяемой кромки; прих- ватка стыка с внешней центровкой таким образом, чтобы продольный шов подсоединяемой трубы стыковался с продольным швом приваренной тру- бы; замер смещения кромок и воздушного зазора на прихваченном стыке; установление положения фокуса и геометрических параметров заново для каждого стыка; направляющей для тактильного слежения за швом служит стационарно закреп- ленная труба; сварка двух швов осуществляется сверху вниз (после выполнения первого слоя сме- на ориентации на второй шов сверху вниз); вы- резка макрошлифов выполняется из участков, со- ответствующих углам поворота сварочной голов- ки 45, 90, 150° и 315, 270 и 210°. В табл. 2 показаны макрошлифы первого слоя, полученного гибридной сваркой, и всего профиля замкнутого шва с предпочтительной разделкой кромок при мощности лазера 4,6 и 6,5 кВт. Благодаря допускам, замеренным на стыках труб, и соответствующим им сварочным парамет- рам имеются точные данные о воздействии до- пусков на процесс сварки. Этот этап исследований завершился определением твердости металла в об- ласти корня шва, поскольку именно там доми- нирует лазерный луч и возможно повышение твердости. Для сравнения исследовали первый гибридный слой и замкнутый профиль шва, сва- Рис. 7. Сварочная головка с гибридной оснасткой для сварки корня и дуговая горелка для заполнения разделки: 1 — лазер- ная оптика; 2 — гибридная дуга; 3 — сварка МАГ верхнего слоя Рис. 8. Сварка труб с помощью установки опытной конст- рукции Т а б л и ц а 2. Макрошлифы соединений, полученных гибридной сваркой Разделка кромок Первый слой Замкнутый профиль шва Лазер мощностью 4,6 кВт, высота притупления 6 мм Лазер мощностью 6,5 кВт, высота притупления 8 мм 2/2011 39 ренный дугой, следующей за лучом, результаты представлены на рис. 9. Важным объектом исследований было опре- деление типичных при строительстве трубопро- водов допусков и исследование их влияния на процесс гибридной сварки. На всех соединяемых кромках измеряли толщину стенки, высоту и ши- рину притупления, ширину зазора в стыке и сме- щение кромок. Качество выполненного шва исследовали ме- тодами неразрушающего и разрушающего конт- роля. Сначала проводили ультразвуковой конт- роль (методом фазированных решеток) и контроль просвечиванием. С помощью металлографии оп- ределяли положение и размер выявленных внут- ренних дефектов (рис. 10) [3]. На основе полученных данных построены ди- аграммы, с помощью которых объясняются неш- татные ситуации, последние сопоставляются с ре- зультатами сварки в зависимости от определен- ных предварительно допусков. Основной целью описанных исследований бы- ла проверка технологии и оборудования для гиб- ридной сварки труб при строительстве трубоп- роводов в сложных условиях монтажа. Получена важная информация об имеющихся недостатках конструкции оборудования: слишком малая ско- рость сварки (увеличить до 3 м/мин); необходи- мость согласования мощности лазера с положе- нием, в котором выполняется сварка; переналадка оборудования, которая при изменении направления или ориентации сварки занимает много времени и вследствие многопозиционной настройки явля- ется источником образования дефектов; сущест- вующая технология по своим механическим свойствам не отвечает требованиям процесса сварки. На рис. 11 показан внешний вид проектного варианта оборудования для гибридного процесса орбитальной сварки конструкций без указанных недостатков. Реализованный на этой базе и предоставлен- ный для последующих экспериментов прототип оборудования (рис. 12) имеет следующие техни- ческие характеристики: скорость перемещения при позиционировании до 6 м/мин; скорость свар- ки до 3 м/мин; диаметр свариваемых труб 500…700 мм; изменение параметров режима в за- висимости от положения сварки; слежение за нап- равлением шва. Встроенная лазерная головка мо- жет быть подсоединена к любому оптоволокон- ному твердотельному лазеру мощностью до 20 кВт. Целью очередной серии исследований была оп- тимизация процесса сварки первого слоя на трубах с толщиной стенки от 10 мм и разной высотой при- тупления, осуществляемого с помощью оптоволо- конной лазерной системы YLS-12000, внедренной с 2003 г., мощностью 12 кВт (рис. 13) в сварочном Рис. 9. Зависимость твердости в области корня шва от прос- транственного положения сварочной головки (а) и макрош- лифы, полученные с подкладкой (1, б) и без (2, в): GW, WEZ, SG — пространственное положение сварочной головки Рис. 10. Макрошлиф участка шва с дефектами, обнаруженны- ми методами неразрушающего контроля Рис. 11. Проектный вариант оборудования для гибридной сварки труб усовершенствованной поворотной конструкции Рис. 12. Прототип оборудования для гибридной сварки тру- бопроводов 40 2/2011 Учебно-исследовательском институте, г. Галле (Зале). В центре внимания проводимых исследований, с одной стороны, была возможность формирова- ния валика и корня при данной мощности лазера, а с другой, — область нахлестки начала и конца двух швов, выполненных сверху вниз по пери- метру трубы. На рис. 14 представлен результат контроля просвечиванием в области нахлестки стартовых зон при толщине стенки трубы, которая составляла 10 мм. С помощью металлографических исследований контролировали зоны сварного шва на наличие внутренних дефектов. Чтобы получить данные о влиянии допусков на сборку при более высокой мощности лазера и скорости сварки в эксперимен- тах принимали допуски, типичные для труб. На рис. 15 для примера показан макрошлиф соеди- нения в положении 3 ч при толщине стенки трубы 10 мм. В конце исследований проведен контроль ма- териала L360NB для определения его механико- технологических характеристик. Результаты ис- пытания на растяжение приведены в табл. 3, сред- нее значение ударной вязкости образцов типа ISO-V при температуре испытаний 0 °С состав- ляла 136…177 Дж/см2. Таким образом, для экономичности строитель- ства трубопроводов необходимы исследования новых способов соединения отрезков труб свар- кой. Первоочередной задачей является повыше- ние скорости сварки при уменьшении количества слоев. С этой целью альтернативой может стать гибридная лазерно-дуговая сварка, поскольку благодаря оптоволоконному лазеру появился ис- точник излучения, открывающий новые возмож- ности в области сварки [4]. 1. Blackman D., Dorling V., Howard R. High-speed tandem GVAW for pipeline welding // 4th Intern. pipeline conf., Calgary, Alberta, Camada, 2002. — P. 517–523. 2. Keitel S., Jasnau U., Neubert J. Applications of fiber laser based deep penetration welding in shipbuilding, rail car in- dustries and pipe welding // 4th Intern. symp. on high-power laser and their applications, June 24–26, 2008, St. Peters- burg, Russia. 3. Schwalenberg Ch. Technologieentwicklung fuеr das MSG- Laserstrahinybridschweiβen in Zwangslagen an hochwerti- gen Rohrleitungswerkstoffen. — Diplomarbeit Hochschule Merseburg, 2008. 4. Kaitel S., Neubert J., Strofer M. Laser based girth welding technologies for pipelines — GMAW gets support // IIW- Tagung, Juny 12–17, 2009, Singapore. Potential of application of hybrid laser-arc welding for joining pipes in construction of pipelines is considered. It is shown that the combination of hybrid welding with the arc one allows formation of the full-profile section of the weld metal at a pipe wall thickness of 10 mm. Hybrid welding can also be successfully applied to make the root pass in joints on pipes with a root face of 12...15 mm. Поступила в редакцию 03.11.2010 Рис. 13. Оптоволоконная лазерная система YLS-12000 Рис. 14. Рентгенограмма участков в области нахлестки стар- товых зон (положение 12 ч) Рис. 15. Макрошлиф сварного соединения при смещении кро- мок на 1 мм Т а б л и ц а 3. Результаты испытания на растяжение Предел теку- чести σ0,5, МПа Временное сопротивление σв, МПа Удлинение при разрыве δ, % Сужение при разрыве ψ, % 345 532 42 71 368 539 39 69 2/2011 41

Гибридная лазерно-дуговая сварка для соединения труб

Репозитарії

Схожі ресурси