日本JFE耐磨板公司最近研發(fā)了一種使用激光束來對(duì)開口管的長邊方向的邊緣部進(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0.3mm。另一方面，如果光斑直徑超過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3×T(即從上表面朝上方3T)，則焦點(diǎn)的位置過高，所以難以穩(wěn)定維持小孔。另一方面，如果超過-3×T(即從上表面朝下方3T)，則焦點(diǎn)的位置過深，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所穿過的開口管1的上表面到背面的距離變長，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50°，則從先行激光束3a所穿過的開口管1的上表面到背面的距離變長，所以先行激光束3a的能量衰減，無法得到充分的預(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50°，則從后行激光束3b所穿過的開口管1的上表面到背面的距離變長，所以后行激光束3b的能量衰減，無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)，無法使由激光焊接產(chǎn)生的氣孔消失。另一方面，如果超過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16kW，并且以超過7m/min的焊接速度來進(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，也能夠不用通過高頻加熱等預(yù)熱邊緣部，來進(jìn)行激光焊接。但是，如果通過高頻加熱等對(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
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。