日本JFE耐磨板公司最近研發(fā)了一種使用激光束來(lái)對(duì)開口管的長(zhǎng)邊方向的邊緣部進(jìn)行焊接的鋼管的制造方法，主要是涉及油井管或管線管等石油、天然氣體的開采、輸送所適用的激光焊接鋼管的制造方法。
2.工藝具體實(shí)施
1）先行激光束以及后行激光束的正焦點(diǎn)處的光斑直徑
在先行激光束3a、后行激光束3b的正焦點(diǎn)處的光斑直徑為0.3mm以下時(shí)，焊接時(shí)的焊縫的寬度變窄，產(chǎn)生坡口的熔融殘余。因此，使正焦點(diǎn)處的光斑直徑超過(guò)0.3mm。另一方面，如果光斑直徑超過(guò)1mm，則能量密度較小，所以小孔難以穩(wěn)定。因此，先行激光束3a、后行激光束3b的正焦點(diǎn)處的光斑直徑優(yōu)選在1mm以下。先行激光束3a、后行激光束3b的光斑形狀優(yōu)選為圓形，但也可以為橢圓形(oval figure)。在光斑形狀為橢圓形的情況下，需要正對(duì)焦處的短徑超過(guò)0.3mm。而且，鑒于與上述圓形的情況相同的理由，短徑優(yōu)選為1mm以下。
2）從開口管的上表面到焦點(diǎn)的距離
將從開口管的上表面到焦點(diǎn)的距離設(shè)為t(mm)，將開口管的鋼板厚設(shè)為T(mm)，如果從開口管的上表面到焦點(diǎn)的距離t超過(guò)3×T(即從上表面朝上方3T)，則焦點(diǎn)的位置過(guò)高，所以難以穩(wěn)定維持小孔。另一方面，如果超過(guò)-3×T(即從上表面朝下方3T)，則焦點(diǎn)的位置過(guò)深，所以容易從鋼板的背面(即開口管的內(nèi)表面)側(cè)產(chǎn)生飛濺物。因此，優(yōu)選將從開口管的上表面到焦點(diǎn)的距離t設(shè)定在-3×T-3×T的范圍內(nèi)。
3）如果將先行激光束3a的入射角θa和后行激光束3b的入射角θb設(shè)定為θa<θb，則從后行激光束3b所穿過(guò)的開口管1的上表面到背面的距離變長(zhǎng)，所以后行激光束3b的能量衰減，加熱效率降低。因此，雖然獲得先行激光束3a對(duì)邊緣部2的預(yù)熱效果，但后行激光束3b對(duì)邊緣部2的熔融變得不穩(wěn)定。
另外，如果設(shè)定為θa=θb，則先行激光束3a和后行激光束3b的各小孔4容易合為一體而產(chǎn)生巨大的小孔，由此可能大量產(chǎn)生飛濺物。因此，需要將先行激光束3a和后行激光束3b的入射角設(shè)定為θa>θb。即，在先行激光束3a預(yù)熱邊緣部2時(shí)為了抑制飛濺物而增大傾斜角θa。在后行激光束3b熔融邊緣部2時(shí)為了提高加熱效率而減小傾斜角θb。
這樣，先行激光束3a預(yù)熱邊緣部2。而且先行激光束3a朝焊接進(jìn)行方向傾斜而照射，所以能夠抑制飛濺物的產(chǎn)生。接著，后行激光束3b熔融邊緣部2。此時(shí)邊緣部2被預(yù)熱，所以不產(chǎn)生飛濺物。結(jié)果，能夠減少飛濺物，進(jìn)而能夠防止下陷、不滿。
在先行激光束3a的入射角θa不足5°時(shí)，入射角θa過(guò)小，所以表現(xiàn)出與垂直照射先行激光束3a的情況相同的舉動(dòng)，無(wú)法得到抑制飛濺物的產(chǎn)生的效果。另一方面，如果入射角θa超過(guò)50°，則從先行激光束3a所穿過(guò)的開口管1的上表面到背面的距離變長(zhǎng)，所以先行激光束3a的能量衰減，無(wú)法得到充分的預(yù)熱效果。因此，先行激光束3a的入射角θa優(yōu)選在5°～50°的范圍內(nèi)。
同樣，在后行激光束3b的入射角θb不足5°時(shí)，入射角θb過(guò)小，所以表現(xiàn)出與垂直照射后行激光束3b的情況相同的舉動(dòng)，無(wú)法得到抑制飛濺物的產(chǎn)生的效果。另一方面，如果入射角θb超過(guò)50°，則從后行激光束3b所穿過(guò)的開口管1的上表面到背面的距離變長(zhǎng)，所以后行激光束3b的能量衰減，無(wú)法獲得充分的焊透深度。因此，后行激光束3b的入射角θb優(yōu)選在5°～50°的范圍內(nèi)。
4）開口管的背面?zhèn)鹊南刃屑す馐c后行激光束的中心點(diǎn)的間隔
將開口管1的背面?zhèn)鹊南刃屑す馐?a與后行激光束3b的中心點(diǎn)的間隔L設(shè)為1mm以上。如果間隔L在1mm以上，則在背面?zhèn)热鄢匮睾附舆M(jìn)行方向延伸，來(lái)自背面?zhèn)鹊娘w濺物的產(chǎn)生量減少，由此可得到?jīng)]有下陷、不滿的焊縫。但是如果間隔L超過(guò)10mm，則背面?zhèn)鹊娜鄢胤蛛x，所以容易產(chǎn)生飛濺物。因此，先行激光束3a與后行激光束3b的中心點(diǎn)的間隔L優(yōu)選在1mm～10mm的范圍內(nèi)。
5）壓縮量
在進(jìn)行激光焊接時(shí)，優(yōu)選對(duì)焊接部施加0.2mm～1.0mm的壓縮。在壓縮量不足0.2mm時(shí)，無(wú)法使由激光焊接產(chǎn)生的氣孔消失。另一方面，如果超過(guò)1.0mm，則激光焊接變得不穩(wěn)定，飛濺物的產(chǎn)生量增加。
6）激光束的激光輸出以及焊接速度
一般激光輸出越低，焊接速度越慢，則在激光焊接時(shí)產(chǎn)生的飛濺物越少。然而為了抑制飛濺物的產(chǎn)生而降低激光輸出和焊接速度意味著降低激光焊接鋼管的生產(chǎn)性。因此，在本技術(shù)中，優(yōu)選先行激光束3a和后行激光束3b的激光束的激光輸出合計(jì)超過(guò)16kW，并且以超過(guò)7m/min的焊接速度來(lái)進(jìn)行激光焊接。在激光輸出合計(jì)在16kW以下時(shí)，焊接速度變?yōu)?m/min以下，所以導(dǎo)致激光焊接鋼管的生產(chǎn)性降低。
根據(jù)日本JFE耐磨板公司提供的技術(shù)，即使是厚壁材料（例如厚度4mm以上）的開口管，也能夠不用通過(guò)高頻加熱等預(yù)熱邊緣部，來(lái)進(jìn)行激光焊接。但是，如果通過(guò)高頻加熱等對(duì)邊緣部進(jìn)行預(yù)熱，則能夠得到提高激光焊接鋼管的生產(chǎn)性等的效果。如果進(jìn)行基于高頻加熱的預(yù)熱則在焊接部形成堆高，但在激光焊接后通過(guò)切削或磨削除去該堆高就可更好地完成焊接部的表面性狀。
7）激光束的振蕩器
根據(jù)日本JFE耐磨板公司提供的技術(shù)所使用的激光束的振蕩器可以使用各種形態(tài)的振蕩器，優(yōu)選將氣體用作介質(zhì)的氣體激光器、將固體用作介質(zhì)的固體激光器、用光纖代替分散材料作為激光介質(zhì)的光纖激光器、盤狀激光器等。或者也可以使用半導(dǎo)體激光器。
8）輔助熱源
可以從開口管1的外面?zhèn)壤幂o助熱源進(jìn)行加熱。該輔助熱源只要能夠加熱熔融開口管1的外表面，就對(duì)其結(jié)構(gòu)沒(méi)有特別限定。例如，優(yōu)選利用燃燒器熔化法、等離子體熔化法、TIG熔化法、電子束熔化法、激光熔化法等方法。
此外，優(yōu)選將輔助熱源與激光束的振蕩器配置為一體，其理由是如果輔助熱源和激光不配置為一體，則為了獲得輔助熱源的效果而需要較多的熱量，很難抑制焊接缺陷(例如下陷、不滿等)。并且，更優(yōu)選為使輔助熱源比激光束的振蕩器更靠前配置，其理由是能夠除去邊緣部的水分、油分。
優(yōu)選使用電弧作為優(yōu)選的輔助熱源。電弧的產(chǎn)生源使用能夠朝抑制熔融金屬燒穿的方向施加電磁力的裝置。此外，優(yōu)選電弧的產(chǎn)生源與激光束配置為一體。其理由如上所述，將在產(chǎn)生電弧的焊接電流的周邊產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響有效地施加于由激光束產(chǎn)生的熔融金屬。并且，更優(yōu)選為使電弧的產(chǎn)生源比激光束靠前配置。其理由是能夠除去邊緣部的水分、油分。
3.結(jié)語(yǔ)
根據(jù)日本JFE耐磨板公司提供的技術(shù)，與氣體保護(hù)焊、添加填充金屬等以往公知的技術(shù)組合也會(huì)有效果。這樣的復(fù)合焊接的技術(shù)不僅適用于焊接鋼管的制造，還適用于厚鋼板的焊接。如以上所述，根據(jù)本技術(shù)，在制造激光焊接鋼管時(shí)適當(dāng)?shù)乇ＷC光斑直徑，并適當(dāng)排列兩道激光束，并且控制激光束的入射角等激光焊接的條件，從而能夠防止飛濺物的產(chǎn)生，能夠抑制焊接部的下陷、不滿，并且能夠不降低焊接效率而得到質(zhì)量良好的焊接部，能夠高合格率地穩(wěn)定制造激光焊接鋼管。得到的激光焊接鋼管能發(fā)揮激光焊接的優(yōu)點(diǎn)，使接縫的低溫韌性、耐腐蝕性優(yōu)良，適用于在寒冷地區(qū)、腐蝕環(huán)境下使用的油井管、管線管。