激光根焊與GMAW自動填充蓋面焊組合工藝是管道施工中出現(xiàn)的新技術,在長輸管道施工中有著廣闊的應用前景。文中從激光根焊的應用條件出發(fā)，詳細論述了大功率光纖激光器的在管道根焊工藝中應用的優(yōu)越性和局限性，并通過具體試驗參數(shù)闡述了激光根焊參數(shù)的配置。
長期以來，國內(nèi)的長距離油氣管道的根焊工藝是以GMAW為主的熔化極氣體保護焊，按施焊部位的不同可分為管內(nèi)根焊和管外根焊兩種方式。隨著激光技術的發(fā)展和逐步普及，我國的油氣管道施工企業(yè)開始嘗試將激光焊接技術應用在長距離大通徑管道的施工中。激光根焊是指用激光熾熔方式直接熔化對接管道的母材從而完成管道組對時的根焊工藝，激光根焊的高速特性注定了它是一項必須與管道全位置自動焊匹配的焊接技術。
1.激光根焊的優(yōu)越性
與GMAW根焊工藝相比激光根焊具有諸多優(yōu)點，具體如下：
1.1.可將輸入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導所導致的變形亦最低，實驗證明激光根焊的輸入熱量為GMAW根焊的1/3至1/4， 熱影響區(qū)僅為 GMAW根焊的1/4至1/5。
1.2.焊接速度快、焊縫強度高。以4KW光纖激光器為例，在焊接4~8mm厚度X80管線鋼對接試片時的速度可以達到1.2~2.5m/min，根焊接頭的拉伸強度和屈服強度均大于母材的機械性能。
1.3.激光束易于聚焦、對準，焊接空間的可達性高，尤其適用于大壁厚的高等級管線鋼的自動焊焊縫的打底根焊，根焊工藝中省掉填料金屬和送絲系統(tǒng)，降低施工成本，簡化了設備機構；
1.4.不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因?qū)俜墙佑|式焊接制程，執(zhí)行機構的耗損、負載及變形接可降至最低；
1.5.激光焊很好的回避了GMAW焊接中大電流對執(zhí)行機構的EMC電磁干擾問題，對于集成精密的運動執(zhí)行機構提供了良好的電磁兼容環(huán)境。
2. 激光根焊的局限性
考慮到長距離油氣管道的實際施工條件，激光根焊技術也存在以下的局限性：
2.1.激光焊對焊縫位置要求非常精確。必須確保焊件的最終位置與激光束將沖擊的焊點對準，其焊點必須在激光束的聚焦范圍內(nèi)；由于激光束流比較細小,因此焊接時對接坡口的間隙要求很高，一般要求小于0.10mm。這對長輸管道的破口尺寸公差以及管道組對的定位精度和間隙控制提出了更高的要求。
2.2.最大可焊厚度受到激光器的功率限制。以目前最大功率的6KW的光纖激光器為例，其對低碳管線鋼的穩(wěn)定質(zhì)量的熔深在12mm左右，這相對于壁厚大于20mm的X80或更高等級的管線鋼來說是遠遠不夠的；
2.3.對施焊環(huán)境的要求較高。激光器的穩(wěn)定工作溫度在10℃~40℃之間，尤其是夏冬季施工需要對激光器進行環(huán)境保溫和預熱。激光焊接頭的透鏡組會因灰塵附著、水汽凝結而造成過熱燒毀。而且在全位置焊中連接激光焊接頭的傳輸光纖的轉(zhuǎn)彎半徑限制可能成為焊接作業(yè)空間的障礙。
3.焊接工藝及裝備研究
3.1.焊接工藝方法研究
就目前激光焊接技術的發(fā)展水平而言，用激光焊在高等級油氣管線對接焊作業(yè)中實現(xiàn)一次焊接成型的難度很大，可行的工藝方案是采用“Laser+GMAW”的組合工藝，即將激光根焊與GMAW填充蓋面焊組合。
該組合工藝方法是利用激光焊大熔深比的特點，實現(xiàn)根焊中對鈍邊的無填料、高強度熔敷成型，根焊完成再采用成熟的GMAW工藝完成管外填充蓋面工藝。為減少填充焊中較大的GMAW焊輸入熱對激光焊縫的熱影響，管線對接坡口的鈍邊厚度應控制4mm~6mm之間，這樣的鈍邊設計能有效減少填充焊的填充量，其焊縫坡口采用I型鈍邊U型復合坡口形式。
3.2.焊接工藝參數(shù)
激光器采用國產(chǎn)RFL-C4000型光纖激光器，最大輸出功率為4KW，光斑直徑0.4mm，透鏡焦距125mm，保護氣為氬氣，氣體流量6.5L/min。
焊接工藝參數(shù)主要包括：激光功率、焊接速度和離焦量三項指標。
3.2.1.激光功率
激光功率是指激光器的輸出功率。激光焊接的熔深與激光輸出功率密度密切相關。對一定的光斑直徑，在其他條件不變的情況下，焊接熔深隨著激光功率的增加而增加。
3.2.2.焊接速度
在一定的激光功率下，提高焊接速度，熱輸入能量密度值下降，焊接熔深減小。盡管適當降低焊接速度可以加大熔深，但是若焊接速度過低，熔深卻不會增加，反而熔寬增加。主要原因在于隨著焊接速度降低，熱輸入會增加，小孔區(qū)溫度上升，等離子體的濃度增加，因而對激光吸收也增加。焊接速度的取值范圍為0.6~2.5m/min。
3.2.3.離焦量
離焦量不僅影響焊件表面激光光斑大小，而且影響光束的入射方向，因而對焊接熔深、焊縫寬度和橫截面積都有較大的影響。在離焦量很大時，熔深很小，屬于傳熱焊，在離焦量減小到某一數(shù)值時，熔深產(chǎn)生跳躍式增加，此處標志著小孔的產(chǎn)生，此時的熔深是不穩(wěn)定的，熔深隨著離焦量的微小變化而改變很大。激光焊接過程中，熔深最大的焦點位置是位于焊件表面下方某處，即為負離焦量，此時焊縫成形最好。離焦量的取值范圍為-1.5~+1.5mm。
3.2.4.工藝參數(shù)配置
經(jīng)過反復實驗對比，確定了X80管線激光根焊的合理參數(shù)配置如下：鈍邊厚度5mm，熔寬3≤w≤4mm，功率3.88KW，焊接速度1.45m/min，離焦量-0.835mm，最大熔深5.29mm。

目前激光根焊技術在長距離油氣管道焊接領域的應用還在處于研試階段，“Laser+GMAW”組合工藝，即激光根焊與GMAW自動填充蓋面焊組合工藝不僅可保證打底根焊的焊接質(zhì)量,又能發(fā)揮GMAW自動填充蓋面焊的成熟技術,最大程度發(fā)揮上述兩種焊接方法的優(yōu)勢,在焊接操作、焊接質(zhì)量、焊接速度等方面都具有優(yōu)越性,且降低了生產(chǎn)成本,在以后的長輸管道現(xiàn)場組焊施工中將得到廣泛應用。