日本JFE耐磨板公司最近(jin)研(yan)發了一種使用激光束來對開口管(guan)的(de)長邊方(fang)(fang)向的(de)邊緣部進行焊接(jie)(jie)的(de)鋼管(guan)的(de)制造方(fang)(fang)法，主要是涉及油(you)井(jing)管(guan)或管(guan)線(xian)管(guan)等石(shi)油(you)、天然氣(qi)體(ti)的(de)開采、輸送所適(shi)用的(de)激光焊接(jie)(jie)鋼管(guan)的(de)制造方(fang)(fang)法。
2.工藝具體實施
1）先行(xing)激光(guang)束以及后行(xing)激光(guang)束的正焦點處(chu)的光(guang)斑(ban)直徑
在先行(xing)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)3a、后(hou)(hou)行(xing)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)3b的(de)(de)(de)正(zheng)焦點(dian)處的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)(ban)直(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)為(wei)0.3mm以(yi)下(xia)(xia)(xia)時，焊接時的(de)(de)(de)焊縫的(de)(de)(de)寬度變窄，產(chan)生坡口的(de)(de)(de)熔融殘(can)余。因此(ci)(ci)，使正(zheng)焦點(dian)處的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)(ban)直(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)超過(guo)0.3mm。另一方面，如(ru)果光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)(ban)直(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)超過(guo)1mm，則(ze)能(neng)量密(mi)度較小(xiao)，所以(yi)小(xiao)孔難(nan)以(yi)穩定(ding)。因此(ci)(ci)，先行(xing)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)3a、后(hou)(hou)行(xing)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)3b的(de)(de)(de)正(zheng)焦點(dian)處的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)(ban)直(zhi)(zhi)(zhi)徑(jing)(jing)優選在1mm以(yi)下(xia)(xia)(xia)。先行(xing)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)3a、后(hou)(hou)行(xing)激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)3b的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)(ban)形狀優選為(wei)圓(yuan)形，但也可以(yi)為(wei)橢(tuo)圓(yuan)形(ovalfigure)。在光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)(ban)形狀為(wei)橢(tuo)圓(yuan)形的(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)(xia)(xia)，需要正(zheng)對焦處的(de)(de)(de)短徑(jing)(jing)超過(guo)0.3mm。而且(qie)，鑒于與上(shang)述圓(yuan)形的(de)(de)(de)情況(kuang)相同(tong)的(de)(de)(de)理由，短徑(jing)(jing)優選為(wei)1mm以(yi)下(xia)(xia)(xia)。
2）從開(kai)口管的(de)上表面到焦(jiao)點的(de)距(ju)離
將(jiang)(jiang)從(cong)(cong)開(kai)(kai)(kai)口管(guan)的(de)(de)(de)上(shang)表面(mian)到焦(jiao)點的(de)(de)(de)距離(li)(li)(li)設(she)為(wei)t(mm)，將(jiang)(jiang)開(kai)(kai)(kai)口管(guan)的(de)(de)(de)鋼板厚設(she)為(wei)T(mm)，如(ru)果(guo)(guo)從(cong)(cong)開(kai)(kai)(kai)口管(guan)的(de)(de)(de)上(shang)表面(mian)到焦(jiao)點的(de)(de)(de)距離(li)(li)(li)t超過3×T(即從(cong)(cong)上(shang)表面(mian)朝上(shang)方3T)，則焦(jiao)點的(de)(de)(de)位置(zhi)過高，所以(yi)(yi)難(nan)以(yi)(yi)穩定維(wei)持小孔。另(ling)一方面(mian)，如(ru)果(guo)(guo)超過-3×T(即從(cong)(cong)上(shang)表面(mian)朝下方3T)，則焦(jiao)點的(de)(de)(de)位置(zhi)過深，所以(yi)(yi)容易(yi)從(cong)(cong)鋼板的(de)(de)(de)背面(mian)(即開(kai)(kai)(kai)口管(guan)的(de)(de)(de)內表面(mian))側產生(sheng)飛濺物。因此，優選將(jiang)(jiang)從(cong)(cong)開(kai)(kai)(kai)口管(guan)的(de)(de)(de)上(shang)表面(mian)到焦(jiao)點的(de)(de)(de)距離(li)(li)(li)t設(she)定在-3×T-3×T的(de)(de)(de)范圍(wei)內。
3）如果將先(xian)行(xing)(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3a的(de)入(ru)射角θa和后行(xing)(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3b的(de)入(ru)射角θb設(she)定為θa<θb，則從后行(xing)(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3b所(suo)穿過的(de)開(kai)口管1的(de)上表面到(dao)背面的(de)距離變長，所(suo)以后行(xing)(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3b的(de)能(neng)量衰減(jian)，加熱(re)效率(lv)降低。因此，雖然(ran)獲得先(xian)行(xing)(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3a對(dui)(dui)邊(bian)緣(yuan)(yuan)部(bu)2的(de)預熱(re)效果，但后行(xing)(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束3b對(dui)(dui)邊(bian)緣(yuan)(yuan)部(bu)2的(de)熔(rong)融變得不穩定。
另外，如果(guo)設定(ding)為(wei)θa=θb，則先行(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)束3a和后(hou)行(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)束3b的(de)各(ge)小孔(kong)4容易合為(wei)一體(ti)而(er)產生(sheng)巨大的(de)小孔(kong)，由此可能大量產生(sheng)飛濺(jian)物(wu)。因此，需(xu)要將先行(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)束3a和后(hou)行(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)束3b的(de)入射角(jiao)(jiao)設定(ding)為(wei)θa>θb。即，在先行(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)束3a預熱(re)邊緣部(bu)2時(shi)為(wei)了抑制飛濺(jian)物(wu)而(er)增大傾斜(xie)(xie)角(jiao)(jiao)θa。在后(hou)行(xing)(xing)激(ji)(ji)光(guang)(guang)束3b熔融(rong)邊緣部(bu)2時(shi)為(wei)了提高加熱(re)效率而(er)減小傾斜(xie)(xie)角(jiao)(jiao)θb。
這樣，先(xian)行激(ji)光束3a預熱邊緣(yuan)部(bu)2。而(er)且先(xian)行激(ji)光束3a朝焊接(jie)進行方向傾斜而(er)照(zhao)射，所(suo)以能夠抑制飛(fei)濺(jian)物的產生(sheng)。接(jie)著(zhu)，后行激(ji)光束3b熔融邊緣(yuan)部(bu)2。此(ci)時(shi)邊緣(yuan)部(bu)2被預熱，所(suo)以不(bu)(bu)產生(sheng)飛(fei)濺(jian)物。結果(guo)，能夠減少(shao)飛(fei)濺(jian)物，進而(er)能夠防止(zhi)下陷、不(bu)(bu)滿。
在先(xian)行激光束(shu)(shu)(shu)3a的(de)入射(she)角θa不足5°時(shi)，入射(she)角θa過小，所以表(biao)現出與垂直照(zhao)射(she)先(xian)行激光束(shu)(shu)(shu)3a的(de)情(qing)況相(xiang)同(tong)的(de)舉動，無法得到抑制飛(fei)濺物的(de)產(chan)生(sheng)的(de)效(xiao)果。另一方面，如果入射(she)角θa超過50°，則從先(xian)行激光束(shu)(shu)(shu)3a所穿過的(de)開口管(guan)1的(de)上表(biao)面到背(bei)面的(de)距離變長(chang)，所以先(xian)行激光束(shu)(shu)(shu)3a的(de)能(neng)量衰減，無法得到充分(fen)的(de)預(yu)熱效(xiao)果。因此(ci)，先(xian)行激光束(shu)(shu)(shu)3a的(de)入射(she)角θa優選在5°～50°的(de)范圍內。
同(tong)(tong)樣，在后(hou)(hou)行激光(guang)束3b的(de)(de)入射(she)角(jiao)θb不(bu)足5°時，入射(she)角(jiao)θb過(guo)(guo)小(xiao)，所以(yi)表現出與垂(chui)直(zhi)照(zhao)射(she)后(hou)(hou)行激光(guang)束3b的(de)(de)情(qing)況(kuang)相同(tong)(tong)的(de)(de)舉動(dong)，無(wu)法得到抑制飛濺物的(de)(de)產生的(de)(de)效果。另(ling)一方(fang)面，如(ru)果入射(she)角(jiao)θb超過(guo)(guo)50°，則從后(hou)(hou)行激光(guang)束3b所穿過(guo)(guo)的(de)(de)開口(kou)管(guan)1的(de)(de)上表面到背(bei)面的(de)(de)距(ju)離變長，所以(yi)后(hou)(hou)行激光(guang)束3b的(de)(de)能(neng)量衰減，無(wu)法獲(huo)得充分(fen)的(de)(de)焊透深度。因此，后(hou)(hou)行激光(guang)束3b的(de)(de)入射(she)角(jiao)θb優選在5°～50°的(de)(de)范圍內(nei)。
4）開口管(guan)的背面側的先行激(ji)光束與后行激(ji)光束的中心點的間(jian)隔
將開口管1的背(bei)(bei)面側(ce)(ce)的先行(xing)激(ji)光束(shu)(shu)3a與(yu)后(hou)行(xing)激(ji)光束(shu)(shu)3b的中(zhong)心(xin)(xin)點的間(jian)隔L設為1mm以上。如果間(jian)隔L在1mm以上，則在背(bei)(bei)面側(ce)(ce)熔池沿焊接進(jin)行(xing)方向延伸，來(lai)自背(bei)(bei)面側(ce)(ce)的飛(fei)濺(jian)(jian)物(wu)的產生(sheng)量(liang)減少，由(you)此可(ke)得到沒(mei)有下陷、不滿(man)的焊縫。但是如果間(jian)隔L超過10mm，則背(bei)(bei)面側(ce)(ce)的熔池分(fen)離，所(suo)以容易(yi)產生(sheng)飛(fei)濺(jian)(jian)物(wu)。因此，先行(xing)激(ji)光束(shu)(shu)3a與(yu)后(hou)行(xing)激(ji)光束(shu)(shu)3b的中(zhong)心(xin)(xin)點的間(jian)隔L優選在1mm～10mm的范圍內(nei)。
5）壓縮量
在進行激(ji)(ji)光焊(han)(han)接(jie)(jie)時，優選對焊(han)(han)接(jie)(jie)部(bu)施加0.2mm～1.0mm的壓(ya)縮(suo)。在壓(ya)縮(suo)量(liang)不足0.2mm時，無法使由激(ji)(ji)光焊(han)(han)接(jie)(jie)產生(sheng)的氣孔消失(shi)。另一方面，如果超(chao)過1.0mm，則激(ji)(ji)光焊(han)(han)接(jie)(jie)變得不穩定(ding)，飛(fei)濺物的產生(sheng)量(liang)增加。
6）激光束的(de)激光輸(shu)出(chu)以(yi)及焊接速度
一(yi)般激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)輸出(chu)(chu)越低(di)，焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)速(su)度越慢，則在激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)時產(chan)生(sheng)的(de)(de)飛(fei)濺物(wu)越少。然而為了(le)抑制飛(fei)濺物(wu)的(de)(de)產(chan)生(sheng)而降(jiang)(jiang)低(di)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)輸出(chu)(chu)和焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)速(su)度意味著降(jiang)(jiang)低(di)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)鋼管的(de)(de)生(sheng)產(chan)性。因(yin)此(ci)，在本技術(shu)中(zhong)，優(you)選先行激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束3a和后行激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束3b的(de)(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)束的(de)(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)輸出(chu)(chu)合計(ji)超過(guo)16kW，并(bing)且以超過(guo)7m/min的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)速(su)度來進行激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)。在激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)輸出(chu)(chu)合計(ji)在16kW以下時，焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)速(su)度變(bian)為7m/min以下，所以導(dao)致激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)鋼管的(de)(de)生(sheng)產(chan)性降(jiang)(jiang)低(di)。
在(zai)本技術中，即使是厚(hou)壁(bi)材料（例如厚(hou)度4mm以上）的(de)開口(kou)管(guan)，也能夠不用通過(guo)高頻(pin)加(jia)(jia)熱(re)等(deng)預熱(re)邊緣(yuan)部(bu)，來進(jin)(jin)行激(ji)(ji)光(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)。但是，如果通過(guo)高頻(pin)加(jia)(jia)熱(re)等(deng)對(dui)邊緣(yuan)部(bu)進(jin)(jin)行預熱(re)，則(ze)能夠得到提高激(ji)(ji)光(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)鋼管(guan)的(de)生(sheng)產性等(deng)的(de)效果。如果進(jin)(jin)行基(ji)于高頻(pin)加(jia)(jia)熱(re)的(de)預熱(re)則(ze)在(zai)焊(han)(han)接(jie)部(bu)形成堆高，但在(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)焊(han)(han)接(jie)后通過(guo)切削(xue)或磨(mo)削(xue)除去該堆高就可更好地(di)完成焊(han)(han)接(jie)部(bu)的(de)表(biao)面性狀。
7）激光(guang)束的振蕩器
本技(ji)術所(suo)使(shi)(shi)用(yong)的(de)激(ji)光(guang)束的(de)振蕩(dang)器可以(yi)使(shi)(shi)用(yong)各(ge)種形(xing)態(tai)的(de)振蕩(dang)器，優選將(jiang)(jiang)氣體用(yong)作(zuo)介(jie)質(zhi)的(de)氣體激(ji)光(guang)器、將(jiang)(jiang)固體用(yong)作(zuo)介(jie)質(zhi)的(de)固體激(ji)光(guang)器、用(yong)光(guang)纖代替分散(san)材(cai)料作(zuo)為激(ji)光(guang)介(jie)質(zhi)的(de)光(guang)纖激(ji)光(guang)器、盤狀激(ji)光(guang)器等。或者也可以(yi)使(shi)(shi)用(yong)半導體激(ji)光(guang)器。
8）輔助熱源
可以從開(kai)口(kou)管1的外面側利用輔(fu)助(zhu)熱源進(jin)行加(jia)熱。該(gai)輔(fu)助(zhu)熱源只要能夠(gou)加(jia)熱熔融開(kai)口(kou)管1的外表面，就(jiu)對其結構沒有(you)特別(bie)限定。例如，優選(xuan)利用燃燒器(qi)熔化法、等離(li)子體熔化法、TIG熔化法、電(dian)子束(shu)熔化法、激光熔化法等方法。
此外，優選將輔(fu)助(zhu)熱(re)源(yuan)與激(ji)(ji)光束的振蕩(dang)器(qi)配(pei)(pei)置(zhi)為(wei)一(yi)體，其理由(you)是(shi)如果輔(fu)助(zhu)熱(re)源(yuan)和激(ji)(ji)光不配(pei)(pei)置(zhi)為(wei)一(yi)體，則為(wei)了獲得(de)輔(fu)助(zhu)熱(re)源(yuan)的效果而(er)需要較多的熱(re)量，很難抑制焊接缺陷(例如下陷、不滿等)。并且，更優選為(wei)使輔(fu)助(zhu)熱(re)源(yuan)比(bi)激(ji)(ji)光束的振蕩(dang)器(qi)更靠前配(pei)(pei)置(zhi)，其理由(you)是(shi)能夠(gou)除去邊(bian)緣(yuan)部的水分、油(you)分。
優(you)選(xuan)使用電(dian)(dian)弧(hu)作為(wei)(wei)優(you)選(xuan)的(de)輔助熱(re)源(yuan)(yuan)。電(dian)(dian)弧(hu)的(de)產(chan)生(sheng)源(yuan)(yuan)使用能夠朝抑制熔(rong)融金屬燒穿的(de)方(fang)向施加(jia)電(dian)(dian)磁力(li)的(de)裝置(zhi)。此外，優(you)選(xuan)電(dian)(dian)弧(hu)的(de)產(chan)生(sheng)源(yuan)(yuan)與(yu)激(ji)光束(shu)配(pei)置(zhi)為(wei)(wei)一體。其理(li)由(you)如上所述，將(jiang)在(zai)產(chan)生(sheng)電(dian)(dian)弧(hu)的(de)焊接電(dian)(dian)流的(de)周邊(bian)產(chan)生(sheng)的(de)磁場(chang)的(de)影響(xiang)有效地施加(jia)于由(you)激(ji)光束(shu)產(chan)生(sheng)的(de)熔(rong)融金屬。并(bing)且，更優(you)選(xuan)為(wei)(wei)使電(dian)(dian)弧(hu)的(de)產(chan)生(sheng)源(yuan)(yuan)比激(ji)光束(shu)靠前配(pei)置(zhi)。其理(li)由(you)是能夠除去(qu)邊(bian)緣部(bu)的(de)水分(fen)、油分(fen)。
3.結語
如果本技術(shu)與氣體保(bao)護焊(han)(han)(han)(han)、添加(jia)填充金屬等以(yi)往公知的(de)(de)技術(shu)組合也(ye)會有效果。這(zhe)樣的(de)(de)復合焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)的(de)(de)技術(shu)不(bu)僅適(shi)用(yong)(yong)于焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)鋼(gang)管(guan)的(de)(de)制(zhi)(zhi)造，還(huan)適(shi)用(yong)(yong)于厚(hou)鋼(gang)板(ban)的(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)。如以(yi)上所述，根據本技術(shu)，在制(zhi)(zhi)造激(ji)(ji)(ji)光焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)鋼(gang)管(guan)時適(shi)當(dang)地(di)保(bao)證光斑直徑，并(bing)適(shi)當(dang)排(pai)列兩道激(ji)(ji)(ji)光束，并(bing)且控制(zhi)(zhi)激(ji)(ji)(ji)光束的(de)(de)入射角(jiao)等激(ji)(ji)(ji)光焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)的(de)(de)條件，從而能(neng)(neng)夠(gou)防止飛(fei)濺物的(de)(de)產生，能(neng)(neng)夠(gou)抑制(zhi)(zhi)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)部的(de)(de)下(xia)陷、不(bu)滿，并(bing)且能(neng)(neng)夠(gou)不(bu)降低焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)效率(lv)而得到質量良好的(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)部，能(neng)(neng)夠(gou)高合格率(lv)地(di)穩定制(zhi)(zhi)造激(ji)(ji)(ji)光焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)鋼(gang)管(guan)。得到的(de)(de)激(ji)(ji)(ji)光焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)鋼(gang)管(guan)能(neng)(neng)發揮激(ji)(ji)(ji)光焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)的(de)(de)優點(dian)，使(shi)接(jie)(jie)縫(feng)的(de)(de)低溫韌性、耐腐蝕(shi)性優良，適(shi)用(yong)(yong)于在寒冷地(di)區、腐蝕(shi)環境下(xia)使(shi)用(yong)(yong)的(de)(de)油井管(guan)、管(guan)線管(guan)。