СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ТРУБЫ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКОЙ
PRODUCTION OF STEEL PIPE BY LASER WELDING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления стальной трубы посредством сварки продольных краев открытой трубы с помощью лазерного луча (далее называемой сваренной лазером стальной трубой), в частности, к способу изготовления сваренной лазером стальной трубы, подходящей для буровых скважин и транспортировки нефти или природного газа, например, стальной трубы для нефтепромысловых или магистральных трубопроводов.
Предшествующий уровень техники
В общем, стальные трубы, а именно, трубы для нефтепромысловых или магистральных трубопроводов, подразделяются на сварные стальные трубы, (к примеру, стальные трубы, сваренные контактной электросваркой сопротивлением, стальные трубы, изготовленные по технологии UOE, а также сваренные другими методами трубы) и бесшовные стальные трубы. Среди указанных сварных стальных труб экономически выгодными являются стальные трубы, сваренные контактной электросваркой сопротивлением из горячекатаной полосовой стали (так называемой горячекатаной рулонной стали), служащей исходным материалом.
Однако в стандартных стальных трубах, сваренных контактной сваркой сопротивлением, неизбежно присутствует стыковое соединение (так называемый, сварной шов, образованный за счет сварки), поскольку трубы, сваренные контактной сваркой сопротивлением, изготавливают из стальных полос, которые посредством множества прокатных валков конфигурируют в открытые трубы цилиндрической формы (открытыми трубами здесь и в дальнейшем называются стальные полосы, которым при помощи множества валков придана форма трубы, имеющей не сваренные края) и выполняют контактную сварку сопротивлением (также называемую высокочастотной сваркой сопротивлением) краев открытой трубы (т.е. обоих боковых краев стальной полосы цилиндрической формы) при одновременном сжатии краев открытой трубы сжимающими валками. Недостатком указанного сварного шва является плохая низкотемпературная ударная вязкость. Таким образом, существует проблема использования нефтепромысловых и магистральных труб, сваренных контактной электросваркой сопротивлением, в регионах с холодным климатом. Причина ухудшения ударной вязкости сварного шва при низкой температуре, заключается в следующем: при сварке продольных краев горячий расплавленный металл взаимодействует с кислородом воздуха, в результате чего образуется оксид, который с большой вероятностью остается в шве.
Другим недостатком стальных труб, сваренных контактной сваркой сопротивлением, является пониженная коррозионная стойкость сварного шва, что связано с сегрегацией легирующих элементов в расплавленном металле. Таким образом, нефтепромысловые или магистральные трубопроводы, в которых используются стальные трубы, сваренные контактной электросваркой сопротивлением, затруднительно применять в агрессивной коррозионной среде (например, кислой среде).
Между тем, сварка лазерным лучом (далее называемая лазерной сваркой) привлекла внимание как способ сварки, при применении которого не происходит снижение низкотемпературной ударной вязкости и коррозионной стойкости сварного шва. При лазерной сварке размеры источника тепла могут быть малы, а тепловая энергия может быть сконцентрирована с высокой плотностью. Таким образом, применение лазерной сварки позволяет предотвратить образование оксида в расплавленном металле или сегрегацию легирующего элемента в расплавленном металле. Следовательно, при применении лазерной сварки можно предотвратить снижение низкотемпературной ударной вязкости и коррозионной стойкости сварного шва.
Таким образом, при изготовлении сварных стальных труб на практике находит применение технология изготовления стальных труб с использованием лазерных лучей, направляемых на края открытых труб для сварки краев (т.е. сваренных лазером стальных труб).
В процессе лазерной сварки свариваемый участок трубы подвергается воздействию лазерного луча, который представляет собой световой луч с высокой плотностью энергии, фокусируемый элементом оптической системы, в результате чего, происходит быстрое расплавление металла. При этом из сформированной ванны расплавленного металла происходит разбрызгивание расплавленного металла. Брызги расплавленного металла налипают на сварочное оборудование, в связи с чем, качество сварного шва ухудшается. В то же самое время брызги налипают на элемент оптической системы, в результате чего, нарушается стабильность проведения операции сварки. Поскольку при проведении лазерной сварки концентрируется тепловая энергия высокой плотности, образуется большое количество брызг расплавленного металла, в результате чего, возникают дефекты сварки, такие как подрез или незаполнение сварного шва (или ослабление). Когда возникает незаполнение сварного шва, прочность сварного участка снижается.
В связи с указанными проблемами были изучены различные способы предотвращения налипания брызг, а также способы предотвращения возникновения разбрызгивания расплавленного металла в процессе лазерной сварки. На практике, к примеру, был осуществлен способ предотвращения возникновения разбрызгивания расплавленного металла за счет снижения мощности лазерного излучения, либо посредством значительного изменения расположения фокуса (т.е. посредством расфокусировки). Однако в результате снижения мощности лазерного излучения, либо расфокусировки происходит уменьшение скорости сварки (т.е. снижение эффективности сварки), а также существует вероятность возникновения проблемы, связанной с непроваром.
В патентной литературе 1 раскрывается способ предотвращения возникновения разбрызгивания расплавленного металла за счет разделения лазерного луча на несколько лазерных лучей. Однако технология лазерной сварки с использованием нескольких лазерных лучей, полученных в результате разделения лазерного луча, аналогична технологии лазерной сварки при низкой мощности лазерного излучения. Таким образом, при лазерной сварке по указанной технологии не только снижается эффективность сварки, но также возрастает вероятность возникновения проблемы, связанной с непроваром. Кроме того, в связи с дороговизной призм, используемых для разделения лазерного луча, затраты на проведение операции сварки неизбежно возрастают.
В патентной литературе 2 раскрывается способ предотвращения незаполнения сварного шва расплавленным металлом посредством присадочной проволоки, используемой при проведении лазерной сварки. Однако указанный способ может привести к изменению состава металла сварного шва за счет компонентов присадочной проволоки. Следовательно, возникает необходимость в подборе компонентов присадочной проволоки соответственно составу материала открытых труб, в связи с чем, возрастают косвенные затраты, связанные с учетом запасов присадочной проволоки и с производственным контролем проведения лазерной сварки.
В патентной литературе 3 раскрывается способ предотвращения сварочных дефектов за счет совмещения лазерной сварки и дуговой сварки. Однако указанный способ усложняет конструкцию сварочного оборудования, в связи с чем возрастают косвенные затраты, связанные не только с техническим обслуживанием, но и с управлением операцией сварки.
В патентной литературе 4 раскрывается способ сварки с использованием двух лучей, образующих круглые пятна. Однако указанный способ не уменьшает сварочные дефекты при лазерной сварке, выполняемой в условиях, приводящих к возникновению напряжения на свариваемом участке (например, в условиях, приводящих к возникновению напряжения в ванне расплавленного металла в результате осадки, выполняемой на свариваемом участке стальной трубы). В частности, увеличивается количество брызг расплавленного металла с задней поверхности стальной полосы.
Перечень ссылочной литературы
Патентная литература
Патентная литература 1: Японский патент №2902550.
Патентная литература 2: Публикация нерассмотренной японской патентной заявки №2004-330299.
Патентная литература 3: Японский патент №4120408
Патентная литература 4: Публикация нерассмотренной японской патентной заявки №2009-178768.
Раскрытие изобретения
Техническая проблема
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ изготовления сваренной лазером стальной трубы, который обеспечит стабильное изготовление с высоким выходом годных изделий и превосходным качеством сварного шва без снижения эффективности сварки, предотвращая возникновение разбрызгивания, уменьшая вероятность возникновения на сваренном участке подреза или незаполнения. Способ включает поддержание определенных углов падения двух лазерных лучей, направленных на изделие, поддержание диаметров сфокусированных на изделии пятен лазерных лучей, соответствующее расположение лазерных лучей и регулировку параметров лазерной сварки.
Решение проблемы
Чтобы при изготовлении стальной трубы лазерной сваркой сформировать по краям открытой трубы сваренный участок без сварочных дефектов, изобретатели исследовали и изучили технологию лазерной сварки.
На фиг.2 представлен вид в перспективе, на котором схематично показан пример применения традиционного способа лазерной сварки соединяемых краев 2 открытой трубы 1 посредством вертикально испускаемого лазерного луча с целью изготовления сваренной лазером стальной трубы. Стрелка на фиг.2 указывает направление, в котором выполняется сварка. На чертеже представлен вид в перспективе глубокой полости 4 (называемой далее сквозным проплавлением), сформированной в результате испускания лазерного луча 3, и расплавленного металла 5, образовавшегося вокруг сквозного проплавления 4.
Как показано на фиг.2, при испускании лазерного луча 3 края 2 открытой трубы расплавляются под действием сконцентрированной тепловой энергии высокой плотности и в расплавленном металле 5 формируется сквозное проплавление 4 в результате давления испарения и под действием реактивной силы испарения, которые создаются при испарении расплавленного металла 5. Во внутреннюю часть сквозного проплавления 4 проникает лазерный луч 3, и в указанной внутренней части, как полагают, возникает высокотемпературная плазма в результате ионизации паров металла под воздействием энергии лазерного луча 3.
Сквозное проплавление 4 является участком, в котором наблюдается наибольшая концентрация тепловой энергии лазерного луча 3. Для стабильного изготовления сваренной лазером стальной трубы необходимо обеспечить точное совмещение места контакта краев 2 открытой трубы со сквозным проплавлением 4. Однако если испускается единственный лазерный луч, необходима высокоточная технология, чтобы обеспечить точное совмещение места контакта краев 2 открытой трубы со сквозным проплавлением. Нестабильность режима обработки краев 2 открытой трубы или нестабильное положение границ краев 2 вызывает нестабильное состояние расплавленного металла 5. Соответственно, зачастую возникает разбрызгивание расплавленного металла и в сварном шве велика вероятность возникновения дефектов, таких как подрез или незаполнение.
Если в расплавленной сварочной ванне возникает напряжение, вызываемое осадкой, выполняемой на свариваемом участке, необходимо дополнительно увеличить энергию испускаемого лазерного луча с целью поддержания сквозного проплавления. Увеличение энергии может усилить разбрызгивание расплавленного металла, в результате чего не обеспечивается полное растворение металла в полости и возникают сварочные дефекты, такие как подрез или незаполнение.
В связи с вышеизложенным изобретатели сосредоточили свое внимание на технологии, предусматривающей испускание двух лазерных лучей, направляемых на свариваемые края 2 открытой трубы. Изобретатели установили, что можно предотвратить возникновение разбрызгивания расплавленного металла, если испускать два лазерных луча, определяя направление и расположение каждого лазерного луча за счет регулировки параметров испускаемых лазерных лучей, таких как углы падения или диаметры пятен, во избежание пересечения лазерных лучей в стальной полосе, конфигурированной в открытую трубу. На основании полученных данных было доказано, что вышеописанный способ позволяет получить сварной участок превосходного качества, предотвращая возникновение подреза или незаполнения, и обеспечивает стабильное изготовление сваренных лазером стальных труб с высоким выходом годных изделий.
Хотя подробности механизма предотвращения возникновения разбрызгивания неизвестны, изобретатели предположили причины, изложенные ниже. Рассеяние брызг предотвращается за счет распределения энергии между двумя лазерными лучами, испускаемыми на заготовку под определенными углами падения, при этом один из лазерных лучей обеспечивает предварительный нагрев стальной полосы, подавляя возникновение разбрызгивания, а второй лазерный луч испускается после первого лазерного луча в направлении сварки и расплавляет края стальной полосы. В описании изобретения угол падения каждого лазерного луча определен как угол, сформированный между направлением, перпендикулярным заготовке, и направлением испускания лазерного луча.
Настоящее изобретение выполнено на основе полученных данных. Таким образом, согласно настоящему изобретению предлагается способ изготовления сваренной лазером стальной трубы посредством формования стальной полосы в цилиндрическую открытую трубу с помощью формовочных валков и выполнения лазерной сварки по краям открытой трубы испусканием лазерного луча на края открытой трубы при одновременном сжатии краев сжимающими валками, причем лазерная сварка включает: испускание двух лазерных лучей вдоль краев верхней поверхности открытой трубы, указанные лазерные лучи передаются через разные оптические волокна и имеют сфокусированные пятна, диаметры которых превышают 0,3 мм; испускание лазерных лучей таким образом, чтобы передний лазерный луч из двух лазерных лучей и задний лазерный луч из двух лазерных лучей были наклонены к направлению выполнения сварки, причем углы падения определяются относительно направления, перпендикулярного верхней поверхности открытой трубы, к тому же, передний лазерный луч падает на верхнюю поверхность открытой трубы в направлении сварки перед задним лазерным лучом, а задний лазерный луч падает на верхнюю поверхность открытой трубы в направлении сварки после переднего лазерного луча; регулировку угла падения переднего лазерного луча таким образом, чтобы он был больше угла падения заднего лазерного луча; и установку промежутка между центром переднего лазерного луча и центром заднего лазерного луча на задней поверхности открытой трубы таким образом, чтобы он составлял 1 мм или более.
В соответствии со способом изготовления сваренной лазером стальной трубы согласно настоящему изобретению, предпочтительно, углы падения переднего лазерного луча и заднего лазерного луча находятся в пределах диапазона от 5 до 50°. Любой из двух или оба лазерных луча, а именно, передний лазерный луч и задний лазерный луч, могут быть разделены посредством оптического элемента на два луча и могут испускаться по обе стороны краев открытой трубы. В процессе сварки выполняемая на свариваемом участке осадка, предпочтительно, составляет от 0,2 до 1,0 мм. При выполнении лазерной сварки, предпочтительно, сумма мощностей лазерного излучения переднего лазерного луча и заднего лазерного луча превышает 16 кВт, и скорость сварки составляет более 7 м/мин. Предпочтительно, до проведения лазерной сварки стальную полосу нагревают и после проведения сварки валик сварного шва обрабатывают резанием или шлифованием.
Полезные эффекты изобретения
При изготовлении сваренной лазером стальной трубы согласно настоящему изобретению обеспечивается получение сваренного участка превосходного качества без снижения эффективности сварки поскольку предотвращается возникновение разбрызгивания и возникновение подреза или незаполнения. Следовательно, можно обеспечить стабильное изготовление сваренных лазером стальных труб с высоким выходом годных изделий. Сварной шов сваренной лазером стальной трубы согласно изобретению имеет превосходную низкотемпературную ударную вязкость и превосходную коррозионную стойкость и, таким образом, указанная труба подходит для нефтепромысловых или магистральных трубопроводов, используемых в регионах с холодным климатом или агрессивной средой.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в перспективе, на котором схематично показан пример применения настоящего изобретения с использованием двух лазерных лучей для выполнения сварного шва между краями открытой трубы. На фиг.1 показаны в перспективе сквозные проплавления, окруженные расплавленным металлом.
Фиг.2 - вид в перспективе, на котором схематично показан пример применения традиционного способа сварки с использованием одного лазерного луча для выполнения сварного шва между краями открытой трубы. На фиг.2 показано в перспективе сквозное проплавление, окруженное расплавленным металлом.
Фиг.3 - вид сбоку, на котором в качестве примера схематично показано расположение переднего лазерного луча и заднего лазерного луча, представленных на фиг.1, относительно линий, перпендикулярно направленных к верхней поверхности открытой трубы.
Фиг.4 - вид в плане, на котором в качестве примера схематично показано расположение области или областей верхней поверхности открытой трубы, подвергаемых воздействию переднего лазерного луча, области или областей верхней поверхности открытой трубы, подвергаемых воздействию заднего лазерного луча, и показаны края открытой трубы.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 представлен вид в перспективе, на котором схематично показан пример применения настоящего изобретения с использованием двух лазерных лучей для выполнения сварного шва между краями открытой трубы. Стрелкой А на фиг.1 обозначено направление проведения сварки. На фиг.1 показаны в перспективе сквозные проплавления 4, возникшие под действием испускаемых лазерных лучей 3а и 3b и окруженные расплавленным металлом.
Согласно настоящему изобретению два лазерных луча 3а и 3b испускаются со стороны верхней поверхности открытой трубы 1 вдоль краев 2 открытой трубы 1. Если передаваемый через оптическое стекловолокно лазерный луч разделить при помощи оптического элемента (например, посредством призмы) на два луча, то углы падения или диаметры пятен двух лучей, которые будут описываться в дальнейшем, невозможно регулировать индивидуально. В связи с этим, испускаемые лазерные лучи 3a и 3b должны передаваться через разные оптические стекловолокна.
Можно использовать один или два лазерных генератора. Если используется только один лазерный генератор и требуется получить два лазерных луча, то осциллирующий лазерный луч разделяют в генераторе на два луча, после чего указанные два лазерных луча можно передать через разные оптические стекловолокна.
Как показано на фиг.1, лазерные лучи 3а и 3b испускаются вдоль краев 2 открытой трубы, при этом один из лазерных лучей расположен впереди, а другой из лазерных лучей расположен позади. Лазерный луч, падающий на верхнюю поверхность открытой трубы 1 перед другим лазерным лучом в направлении проведения сварки, определен как передний лазерный луч 3a, а лазерный луч, падающий на верхнюю поверхность открытой трубы после переднего лазерного луча За, определен как задний лазерный луч 3b.
(1) Диаметры сфокусированных пятен переднего лазерного луча и заднего лазерного луча
Когда диаметры сфокусированных пятен переднего лазерного луча 3a и заднего лазерного луча 3b составляют 0,3 мм или менее, валик сварного шва в процессе сварки имеет небольшую ширину и в полости остается частично нерасплавленный металл. Следовательно, необходимо производить регулировку диаметров сфокусированных пятен таким образом, чтобы они составляли более 0,3 мм. С другой стороны, если диаметры пятен составляют более 1 мм, лазерные лучи имеют малую плотность энергии и мала вероятность того, что сквозное проплавление будет стабильным. Таким образом, предпочтительно, чтобы диаметры сфокусированных пятен переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b составляли 1 мм или менее.
Предпочтительно, пятна переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b имеют круглую форму, но могут иметь эллиптическую форму. Если пятна имеют эллиптическую форму, малая ось сфокусированного пятна каждого луча должна иметь длину более 0,3 мм. Кроме того, длина малой оси сфокусированного эллиптического пятна должна составлять 1 мм или менее, по той же причине, по которой ограничен диаметр круглого пятна.
(2) Расстояние от верхней поверхности открытой трубы до фокуса Расстояние от верхней поверхности открытой трубы до фокуса обозначено t (мм), а толщина стальной полосы открытой трубы обозначена Т (мм). Если расстояние t от верхней поверхности открытой трубы до фокуса превышает 3 х Т (т.е. фокус отдален от верхней поверхности более, чем на величину 3Т), фокус расположен слишком высоко, в результате чего, затрудняется поддержание стабильности сквозного проплавления. С другой стороны, если расстояние t превышает -3 х Т (т.е. фокус расположен на 3Т ниже верхней поверхности), фокус расположен слишком низко, в результате чего, повышается вероятность возникновения разбрызгивания от задней поверхности стальной полосы (т.е., внутренней поверхности открытой трубы). Таким образом, расстояние t от верхней поверхности открытой трубы до фокуса, предпочтительно, установлено так, чтобы оно находилось в пределах диапазона от -3 х Т до 3 х Т.
(3) Угол падения переднего лазерного луча и угол падения заднего лазерного луча
На фиг.3 представлен вид сбоку, на котором в качестве примера схематично показано расположение переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b, представленных на фиг.1, относительно линий, перпендикулярно направленных к верхней поверхности открытой трубы. Как показано на фиг.3, передний лазерный луч 3а и задний лазерный луч 3b испускаются на верхнюю поверхность открытой трубы 1 под углом относительно направления проведения сварки, обозначенного на чертеже стрелкой А. Следует отметить, что угол 6а, образованный передним лазерным лучом За и линией, перпендикулярной к верхней поверхности открытой трубы 1, определен как угол падения переднего лазерного луча 3а, а угол Θb, образованный задним лазерным лучом 3b и линией, перпендикулярной к верхней поверхности открытой трубы 1, определен как угол падения заднего лазерного луча 3b, при этом углы падения отрегулированы так, чтобы удовлетворялось соотношение Θа>Θb.
Кроме того, определено такое расположение переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b, при котором исключается их пересечение в стальной полосе открытой трубы 1. Если расстояние от верхней поверхности стальной полосы 1 до точки пересечения переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b обозначено Х (мм) и толщина стальной полосы 1 обозначена Т (мм), предпочтительно, чтобы величина Х находилась в пределах 0≤Х≤2 х Т (т.е., чтобы точка пересечения лучей находилось не ниже верхней поверхности стальной полосы 1 и не дальше от верхней поверхности стальной полосы 1, чем на 2Т). Причина указанной регулировки изложена ниже. Когда величина Х<0, передний лазерный луч 3а и задний лазерный луч 3b пересекаются в стальной полосе 1. Таким образом, сквозные проплавления 4 переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b объединяются друг с другом и формируют большое сквозное проплавление, в результате чего, безусловно, образуется большое количество брызг. С другой стороны, когда величина Х>2 х Т, происходит разделение расплавленного металла 5 и расплавленное состояние состыкованного участка становится нестабильным, в результате чего, безусловно, образуется большое количество брызг.
Когда угол Θа падения переднего лазерного луча 3а и угол Θb падения заднего лазерного луча 3b установлены так, чтобы удовлетворялось соотношение Θа<Θb, увеличивается расстояние перемещения заднего лазерного луча от верхней поверхности к задней поверхности открытой трубы 1. Таким образом, энергия заднего лазерного луча 3b ослабляется и эффективность нагрева снижается. Соответственно, расплавление краев посредством заднего лазерного луча 3b является нестабильным, хотя достигнут эффект предварительного нагрева краев 2 передним лазерным лучом 3а.
С другой стороны, если углы 6а и 9b падения установлены так, чтобы удовлетворялось соотношение Θа=Θb, сквозные проплавления и вызванные передним лазерным лучом За и задним лазерным лучом 3b, по всей вероятности, объединяются друг с другом и формируют большое сквозное проплавление. Таким образом, может образоваться большое количество брызг.
В связи с этим, углы падения переднего лазерного луча 3а и_заднего лазерного луча 3b должны быть установлены так, чтобы удовлетворялось соотношение Θа>Θb. В частности, установлен большой угол Θа падения переднего лазерного луча 3а, чтобы предотвратить возникновение разбрызгивания при предварительном нагреве краев 2 открытой трубы. При этом установлен небольшой угол Θb падения заднего лазерного луча 3b, чтобы повысить эффективность нагрева при расплавлении краев 2.
Таким образом, передний лазерный луч 3а обеспечивает предварительный нагрев краев 2 открытой трубы. Кроме того, поскольку передний лазерный луч 3а испускается под наклоном к направлению проведения сварки, предотвращается возникновение разбрызгивания. Соответственно, задний лазерный луч обеспечивает расплавление краев 2 открытой трубы. Поскольку края 2 открытой трубы были предварительно нагреты, разбрызгивание расплавленного металла не происходит. Соответственно, предотвращается подрез или незаполнение, т.к. снижается вероятность возникновения разбрызгивания.
Если угол Θа падения переднего лазерного луча 3а меньше 5°, угол Θа падения является слишком малым и в этом случае действие переднего лазерного луча 3а аналогично действию переднего лазерного луча 3а, испускаемого вертикально. Таким образом, передний лазерный луч 3а не может создать полезный эффект для предотвращения возникновения разбрызгивания. С другой стороны, если угол Θа падения превышает 50°, увеличивается расстояние, которое проходит передний лазерный луч 3а от верхней поверхности к задней поверхности открытой трубы 1, в результате чего, энергия переднего лазерного луча 3а ослабляется. Соответственно, передний лазерный луч 3а не может обеспечить достаточно большой эффект предварительного нагрева. Вследствие этого, предпочтительно, чтобы угол Θа падения переднего лазерного луча 3а находился в пределах диапазона от 5 до 50°.
Если угол падения Θb заднего лазерного луча 3b меньше 5°, угол Θb падения является слишком малым и в этом случае действие заднего лазерного луча 3b аналогично действию заднего лазерного луча 3b, испускаемого вертикально. Таким образом, задний лазерный луч 3b не может создать полезный эффект для предотвращения возникновения разбрызгивания. С другой стороны, если угол Θb падения превышает 50°, увеличивается расстояние, которое проходит задний лазерный луч 3b от верхней поверхности к задней поверхности открытой трубы 1, в результате чего, энергия заднего лазерного луча 3b ослабляется. Таким образом, задний лазерный луч 3b не может проникнуть в расплавленный металл на достаточную глубину. Вследствие этого, предпочтительно, чтобы угол Θb падения заднего лазерного луча 3b находился в пределах диапазона от 5 до 50°.
(4) Промежуток между центрами переднего лазерного луча и заднего лазерного луча на задней поверхности открытой трубы
Между центрами переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b на задней поверхности открытой трубы 1 установлен промежуток L, который должен составлять 1 мм или более. Когда промежуток L составляет 1 мм или более, ванна расплавленного металла на задней поверхности трубы продолжается в направлении, в котором выполняется сварка, и количество брызг, возникающих на задней поверхности, уменьшается. Таким образом, может быть получен валик сварного шва без подреза или незаполнения. Однако если промежуток L между центральными точками лазерных лучей превышает 10 мм, ванна расплавленного металла на задней стенке трубы будет разделяться и, по всей вероятности, произойдет разбрызгивание. Поэтому, предпочтительно, чтобы промежуток L между центрами переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b находился в пределах диапазона от 1 до 10 мм.
(5) Припуск на осадку
При выполнении лазерной сварки, предпочтительно, чтобы свариваемый участок имел припуск на осадку от 0,2 до 1,0 мм. Если припуск на осадку составляет менее 0,2 мм, не может быть устранен свищ, образующийся при лазерной сварке. С другой стороны, если припуск на осадку превышает 1,0 мм, лазерная сварка выполняется нестабильно, в результате чего, образуется большое количество брызг.
(6) Сварной шов между краями открытой трубы
Сварной шов между краями 2 открытой трубы 1 можно выполнить при сжатии краев прижимными валками до положения, при котором среднее расстояние G между краями 2 открытой трубы в направлении толщины полосы будет составлять 0,5 мм или менее.
Кроме того, лазерные лучи, передаваемые от одного или двух лазерных генераторов через разные оптические стекловолокна, а именно, передний лазерный луч 3а и задний лазерный луч 3b, можно разделить на два луча при помощи оптического элемента (например, посредством призмы) и испускать на края 2 открытой трубы с двух сторон. На фиг.4 (b) в качестве примера показан задний лазерный луч 3b, разделенный на два луча и испускаемый с обеих сторон краев 2 открытой трубы (облучаемые области 3-2 и 3-3). На фиг.4 (с) в качестве примера показан передний лазерный луч 3а, разделенный на два луча и испускаемый с обеих сторон краев 2 открытой трубы (облучаемые области 3-1 и 3-2). Альтернативно, как показано на фиг.4 (d), передний лазерный луч 3а и задний лазерный луч 3b могут испускаться с обеих сторон краев 2, при этом передний лазерный луч 3а разделен на два луча (облучаемые области 3-1 и 3-2) и задний лазерный луч 3b разделен на два луча (облучаемые области 3-3 и 3-4). При указанном испускании переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b края 2 открытой трубы постоянно находятся в пределах облучаемых областей.
(7) Мощность лазерного луча и скорость сварки
В общем, при снижении мощности лазерного излучения и снижении скорости сварки уменьшается количество брызг, образующихся при проведении лазерной сварки. Однако снижение мощности лазерного излучения и скорости сварки с целью предотвращения возникновения разбрызгивания приводит к снижению производительности при изготовлении сваренных лазером стальных труб. Ввиду этого, согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы сумма мощностей лазерного излучения переднего лазерного луча 3а и заднего лазерного луча 3b превышала 16 кВт и лазерная сварка выполнялась со скоростью более 7 м/мин. Если сумма мощностей лазерного излучения не превышает 16 кВт и лазерная сварка выполняется со скоростью не более 7 м/мин, производительность при изготовлении сваренных лазером стальных труб снижается.
(8) Промежуток между линией сварки и облучаемой областью на верхней поверхности открытой трубы, подвергаемой воздействию лазерного луча
Передний лазерный луч 3а и задний лазерный луч 3b, предпочтительно, располагают так, чтобы центры облучаемых областей 3-1 и 3-2 на верхней поверхности открытой трубы 1 совпадали с краями 2, как показано на фиг.4 (а). Однако при выполнении сварки достаточно трудно поддерживать вышеуказанное расположение лучей 3а и ЗЬ, таким образом, центры облучаемых областей 3-1 и 3-2 на верхней поверхности открытой трубы 1 не всегда совпадают с краями 2. При увеличении промежутка между краями 2 и центром каждой облучаемой области 3-1 или 3-2 передний лазерный луч 3а или задний лазерный луч 3b может отклониться от стыковой полости, в результате чего, возрастает вероятность возникновения сварочных дефектов, к примеру, неполного расплавления металла в полости.
Если в процессе сварки края 2 открытой трубы находятся в пределах облучаемых областей 3-1 и 3-2, сварочные дефекты не возникают, несмотря на то, что центры облучаемых областей 3-1 и 3-2 не совпадают с краями 2. Таким образом, промежуток между краями открытой трубы и центром каждой облучаемой области 3-1 или 3-2 должен находиться в пределах радиуса облучаемой области 3-1 или 3-2.
Согласно настоящему изобретению лазерная сварка может быть выполнена даже на толстостенной открытой трубе (например, имеющей толщину 4 мм или более) без предварительного нагрева краев с применением высокочастотного индукционного нагрева или другими средствами. Однако проведение предварительного нагрева краев открытой трубы с применением высокочастотного индукционного нагрева или нагрева другого типа способствует достижению полезных эффектов, к примеру, при изготовлении сваренных лазером стальных труб повышается производительность. Когда для предварительного нагрева применяется высокочастотный индукционный нагрев, на сваренном участке трубы образуется выпуклость. Образовавшуюся выпуклость после проведения лазерной сварки можно удалить обработкой резанием или шлифованием, чтобы придать сваренному участку трубы требуемые свойства.
(9) Генератор лазерного луча
Любой из различных типов генераторов может использоваться в качестве генератора лазерного луча, используемого в настоящем изобретении. Предпочтительные примеры генераторов включают газовый лазер, в котором в качестве среды используется газ (например, газообразный диоксид углерода, неон гелия, аргон, азот и иод); твердотельный лазер, в котором в качестве среды используется твердое тело (например, иттрий-алюминиевый гранат с легированным редкоземельным элементом); волоконный лазер, в котором вместо объемной среды используется волокно; и дисковый лазер. Альтернативно может использоваться полупроводниковый лазер.
(10) Вспомогательный тепловой источник
Вспомогательный тепловой источник может использоваться для нагрева открытой трубы 1 с наружной стороны открытой трубы 1. Конфигурация вспомогательного теплового источника конкретно не ограничена при условии, что тепловой источник способен нагревать и расплавлять наружную поверхность открытой трубы 1. Например, в качестве вспомогательного источника тепла подходят нагревательные средства, реализующие способ расплавления при помощи горелки, электронного луча и другие способы расплавления.
Предпочтительно, вспомогательный тепловой источник объединяют с генератором лазерного луча. Это объясняется тем, что при объединении вспомогательного теплового источника с генератором лазерного луча достигается требуемый полезный эффект и необходимо меньше тепла для предотвращения возникновения сварных дефектов (например, подреза или незаполнения). Предпочтительнее, чтобы генератор электрической дуги был расположен перед генератором лазерного луча. Это объясняется тем, что при указанном расположении может быть удалена влага или масло с краев открытой трубы.
Предпочтительнее в качестве вспомогательного источника тепла использовать электрическую дугу. Генератором электрической дуги может служить устройство, которое обеспечивает приложение электромагнитной силы (т.е., электромагнитной силы, созданной магнитным полем сварочного тока) к расплавленному металлу в направлении, при котором исключается прожог металла. Например, можно применять известные к настоящему времени технологии, такие как сварка вольфрамовым электродом в инертном газе или плазменно-дуговая сварка. Предпочтительно, генератор электрической дуги объединяют с генератором лазерного луча. Причиной указанного расположения является, как описано выше, достижение полезного эффекта от влияния магнитного поля, возникающего вокруг сварочного тока, который создает дугу на металле, расплавленном лазерным лучом. Предпочтительнее, чтобы генератор электрической дуги был расположен перед генератором лазерного луча. Это объясняется тем, что при указанном расположении может быть удалена влага или масло с краев открытой трубы.
Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает требуемый эффект даже в сочетании с известной к настоящему времени технологией, такой как сварка в среде защитных газов или наплавка металла. Такая объединенная сварочная технология может быть применена не только в производстве сварных стальных труб, но также для сварки толстых стальных плит.
Как описано выше, согласно настоящему изобретению сваренную лазером стальную трубу изготавливают, соответственно, поддерживая диаметры пятен двух лазерных лучей, обеспечивая соответствующее распределение двух лазерных лучей и регулируя параметры лазерной сварки, включая углы падения лазерных лучей. Таким образом, предотвращается возникновение разбрызгивания, уменьшается вероятность образования подреза или незаполнения на сваренном участке трубы и может быть получен сваренный участок превосходного качества без снижения производительности сварки, что позволяет стабильно изготавливать сваренные лазером стальные трубы с высоким выходом годных изделий. Благодаря использованию преимуществ лазерной сварки сварной шов сваренной лазером стальной трубы обладает превосходной низкотемпературной ударной вязкостью и коррозионной стойкостью, в результате чего, указанная труба подходит для нефтепромысловых или магистральных трубопроводов, используемых в регионах с холодным климатом или агрессивной средой.
Пример
Сваренные лазером стальные трубы изготавливали посредством формирования стальных полос в цилиндрические открытые трубы при помощи формовочных валков, при последующем сжатии краев открытых труб сжимающими валками и испускании двух лазерных лучей к наружной поверхности открытых труб, как показано на фиг.1. Химический состав стали, из которой изготавливали полосы, представлен в таблице 1.
Лазерную сварку выполняли с использованием двух волоконных лазерных генераторов с максимальной выходной мощностью 10 кВт, рабочие параметры которых представлены в таблице 2. Расстояние t (мм) от верхней поверхности каждой открытой трубы до фокуса устанавливали равным 1/2Т, где Т является толщиной полосы. Углы 9а и 9b падения лазерных лучей, представленные в таблице 2, соответствуют углам, показанным на фиг.3. Отрицательная величина угла падения указывает на то, что испускаемый лазерный луч наклонен в направлении, противоположном направлению А проведения сварки.
Сварные стальные трубы №1-4 и 7-10, представленные в таблице 2, являются примерами труб, при сварке которых лазерные лучи были расположены так, как показано на фиг.4 (а), сварные стальные трубы №5 и 11, представленные в таблице 2 являются примерами труб, при сварке которых лазерные лучи были расположены так, как показано на фиг.4 (b), и сварная стальная труба №6, представленная в таблице 2, является примером труб, при сварке которых лазерные лучи были расположены так, как показано на фиг.4 (с).
При изготовлении сварных труб согласно настоящему изобретению, примеры которых представлены в таблице 2 (сварные стальные трубы №1 - 6), поддерживался диаметр сфокусированного пятна каждого лазерного луча, и сохранялось расстояние между центрами переднего лазерного луча и заднего лазерного луча на задней поверхности открытой трубы в соответствии с диапазонами, установленными согласно настоящему изобретению. Кроме того, сварные трубы, примеры которых представлены в таблице 2-1, были получены при испускании переднего лазерного луча и заднего лазерного луча, причем передний лазерный луч и задний лазерный луч испускались под наклоном относительно направления проведения сварки, при этом величина угла Θa падения переднего лазерного луча была больше величины угла Θb падения заднего лазерного луча.
Среди сравнительных примеров сварных труб, представленных в таблице 2-2, сварная стальная труба №7 является примером трубы, при изготовлении которой угол Θb падения заднего лазерного луча был установлен равным 0° (т.е. задний лазерный луч испускается вертикально), сварная стальная труба №8 является примером трубы, при изготовлении которой промежуток между центрами переднего лазерного луча и заднего лазерного луча на задней поверхности находился вне диапазона, установленного согласно настоящему изобретению, сварная стальная труба №9 является примером трубы, при изготовлении которой диаметр сфокусированного пятна заднего лазерного луча находился вне диапазона, установленного согласно настоящему изобретению, сварная стальная труба №10 является примером трубы, при изготовлении которой испускаемый передний лазерный луч наклонен противоположно направлению А, в котором выполняется сварка, и сварная стальная труба №11 является примером трубы, при изготовлении которой угол Θа падения переднего лазерного луча меньше угла Θb падения заднего лазерного луча 3b.
После выполнения лазерной сварки вышеуказанными способами проводился визуальный контроль верхней поверхности каждой сварной трубы для выявления на поверхности наличия или отсутствия налипших брызг. Кроме того, валик сварного шва на верхней поверхности или задней поверхности каждой сварной стальной трубы визуально контролировался для выявления наличия или отсутствия подреза или незаполнения. Результаты контроля представлены в таблице 3.
Как видно из таблицы 3, в примерах труб, изготовленных согласно изобретению, не было обнаружено ни налипших брызг, ни подреза/незаполнения.
В сравнительных примерах 7-9 был обнаружен подрез, незаполнение или неполное расплавление металла в полости, хотя не было обнаружено налипших брызг. В сравнительных примерах 10 и 11 было обнаружено большое количество налипших брызг и незаполнение.
Промышленная применимость
С точки зрения промышленной применимости настоящее изобретение является в высшей степени эффективным, поскольку обеспечивает стабильное изготовление сваренных лазером стальных труб с высоким выходом годных изделий.
Перечень ссылочных позиций
1 открытая труба
2 край
3 лазерный луч
3а передний лазерный луч
3b задний лазерный луч
4 сквозное проплавление (полость)
5 расплавленный металл
6 сварной шов
Таблица 1
Тип стали
Химический состав (мас.%)
Примечание
С
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Си
Al
Ti
N
Остальное
А
0,01
0,15
0,35
0,02
0,002
12,5
4,5
0,02
0,045
0,011
0,006
Fe и неизбежные примеси
Нержавеющая сталь
В
0,06
0,21
1,11
0,01
0,001
0,1
0,1
0,05
0,032
0,023
0,006
Fe и неизбежные примеси
Углеродистая сталь
Таблица 2-1
Сварная стальная труба №
Листовая сталь
Условия сварки
Примечание
Тип стали
Толщина листа (мм)
Лазерный луч
Диаметр сфокусированного пятна (мм)
Промежуток между центральными точками лазерных лучей на задней поверхности (мм)
Мощность лазерного излучения (кВт)
Угол падения лазерного луча (°)
Скорость сварки (м/мин)
Припуск на осадку (мм)
1
А
6
передний
0,32
2,0
10
θа30
7,5
0,5
Высокочастотный предварительный нагрев и мехобработка
Пример согласно изобретению
задний
0,52
10
θb15
2
В
5
передний
0,52
2,5
10
θа40
10
0,8
Высокочастотный предварительный нагрев и мехобработка
Пример согласно изобретению
задний
0,52
10
θb20
3
В
5
передний
0,48
3,1
10
θа50
10
0,6
Высокочастотный предварительный нагрев и мехобработка
Пример согласно изобретению
задний
0,52
10
θb30
4
А
4
передний
0,48
4,5
10
θа20
12
0,4
Высокочастотный предварительный нагрев и мехобработка
Пример согласно изобретению
задний
0,48
10
θb5
5
А
4
передний
0,52
1,6
8
θа30
10
0,2
Высокочастотный предварительный нагрев, без мехобработки
Пример согласно изобретению
задний
0,64*
10
θb10
6
А
6
передний
0,64*
2,0
8
θа30
7,5
1
Высокочастотный предварительный нагрев, без мехобработки
Пример согласно изобретению
задний
0,32
8
θb15
* Лазерный луч разделен на два луча посредством оптической системы (призмы)
Таблица 2-2
Листовая сталь
Условия сварки
Сварная стальная труба №
Тип стали
Толщина листа (мм)
Лазерный луч
Диаметр сфокусированного пятна (мм)
Промежуток между центральными точками лазерных лучей на задней поверхности (мм)
Мощность лазерного излучения (кВт)
Угол падения лазерного луча (°)
Скорость сварки (м/мин)
Припуск на осадку (мм)
Примечание
передний
0,32
3,5
10
θа30
Высокочастотный предварительный нагрев и мехобработка
7
А
6
задний
0,52
10
θb0
7,5
0,5
Сравнительный пример
передний
0,52
0,0
10
θа45
Высокочастотный предварительный нагрев и мехобработка
Сравнительный
8
В
5
задний
0,52
10
θb20
10
0,8
пример
передний
0,48
3,1
10
θа50
Высокочастотный предварительный нагрев и мехобработка
9
В
5
задний
0,27
10
θb30
10
0,6
Сравнительный пример
передний
0,48
1,0
10
θа-10
Высокочастотный предварительный нагрев и мехобработка
10
А
4
задний
0,32
10
θa15
12
0,4
Сравнительный пример
передний
0,52
8
θа10
Высокочастотный предварительный нагрев, без мехобработки
11
А
4
задний
0,64*
1,5
10
θb35
10
0,2
Сравнительный пример
- Лазерный луч разделен на два луча посредством оптической системы (призмы)
Таблица 3
Соединение №
Наличие или отсутствие брызг, налипших на верхнюю поверхность сварной стальной трубы
Внешний вид верхней поверхности сварной стальной трубы
Внешний вид задней поверхности сварной стальной трубы
Примечание
1
Отсутствуют
Хороший
Хороший
Пример согласно изобретению
2
Отсутствуют
Хороший
Хороший
Пример согласно изобретению
3
Отсутствуют
Хороший
Хороший
Пример согласно изобретению
4
Отсутствуют
Хороший
Хороший
Пример согласно изобретению
5
Отсутствуют
Хороший
Хороший
Пример согласно изобретению
6
Отсутствуют
Хороший
Хороший
Пример согласно изобретению
7
Отсутствуют
Наличие подреза
Хороший
Сравнительный пример
8
Отсутствуют
Хороший
Наличие незаполнения
Сравнительный пример
9
Отсутствуют
Наличие подреза
Наличие в полости частично нерасплавленного металла
Сравнительный пример
10
Наличие большого количества налипших брызг
Наличие подреза
Наличие незаполнения
Сравнительный пример
11
Наличие большого количества налипших брызг
Наличие подреза
Наличие незаполнения
Сравнительный пример