CN109514086A - 一种连续管全位置激光焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续管全位置激光焊接工艺方法。先对待焊的上管口和下管口进行坡口加工，再对加工好的上管口和下管口进行组对，最后对组对好的上管口和下管口进行连续管全位置激光焊接。本发明使用的全位置激光焊接的焊缝熔池面积和熔覆量仅为传统电弧焊的1/4，熔深为传统电弧焊的2倍以上，线能量为传统电弧焊的1/3，因此，热影响区大大缩小，使得焊缝附近的金属组织减小、不易产生淬硬敏感缺陷。正因为激光焊缝熔池面积和熔覆量小，所以熔池液体的流动性和表面张力更容易控制，避免了焊缝背面成型不平整，进而避免了内凹和凸起的产生。

Description

一种连续管全位置激光焊接工艺方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种连续管全位置激光焊接工艺方法。

背景技术

连续管(Coiled Tubing，简称CT管)主要用于石油天然气及可燃冰钻采作业，其是一种可以卷在滚筒上作业的高强度和高韧性钢管，并具有很好的抗疲劳特性和挠性。连续管目前已被广泛应用于油气田钻井、修井、完井、测井等工序。

通常数千米长的连接管卷成滚筒运输，在油气开采作业现场从滚筒上释放进油井，连续管一旦注入油井后将无法旋转。目前，我国油气钻采现场的连续管“管-管”对接焊工艺主要是依赖于手工或半自动钨极氩弧焊工艺。为保证焊缝余高和背面成型，多采用单道多层的焊缝结构，即先用小电流根焊双面成型，再用大电流填充。这种焊接工艺主要存在以下两个缺点：

一是焊接合格率低，焊接线能量和热影响区大，使得焊缝附近的金属组织粗大、易产生淬硬敏感缺陷；

二是焊缝背面成型不平整，易产生内凹和凸起，影响连续管入井后流体和线缆的通过。

发明内容

本发明通过提供一种连续管全位置激光焊接工艺方法，解决了现有技术中存在的上述技术问题。

本发明提供了一种连续管全位置激光焊接工艺方法，包括：

对待焊的上管口和下管口进行坡口加工；

对加工好的所述上管口和下管口进行组对；

对组对好的上管口和下管口进行连续管全位置激光焊接。

进一步地，所述对待焊的上管口和下管口进行坡口加工，包括：

对所述上管口和下管口的管端进行坡口加工，以形成对称的无间隙I型坡口。

进一步地，所述对加工好的所述上管口和下管口进行组对，包括：

对所述上管口和下管口进行装夹、组对，确保所述上管口和下管口的管端坡口组对无间隙，允许局部间隙值k≤0.04mm，确保管口组对错变量c≤0.16mm。

进一步地，在所述对加工好的所述上管口和下管口进行组对之后，还包括：

对组对后的所述上管口和下管口的管端坡口进行预热。

进一步地，在所述对组对后的所述上管口和下管口的管端坡口进行预热的过程中，预热温度为50℃～90℃，预热范围为焊道及两侧30mm～50mm。

进一步地，所述对组对好的上管口和下管口进行连续管全位置激光焊接，包括：

将所述上管口和下管口在圆周方向上的下半圆周划分为摆动焊接区，所述上管口和下管口在圆周方向上的其余区域划分为直线焊接区；

在所述摆动焊接区进行激光焊接时焊接光束摆动；

在所述直线焊接区进行激光焊接时焊接光束无摆动。

进一步地，所述摆动焊接区为管道下半圆周的4点钟至8点钟之间的区域。

进一步地，在所述摆动焊接区进行激光焊接时焊接光束摆动的过程中，焊接光束的摆动形式为三角摆动，摆幅为0.16mm±0.06mm,摆动频率为50Hz-160Hz。

进一步地，在所述对组对好的上管口和下管口进行连续管全位置激光焊接之后，还包括：

对焊后的焊缝进行保温处理。

进一步地，在所述对焊后的焊缝进行保温处理的过程中，保温时间大于10min，保温范围为焊道及两侧30mm～50mm。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

先对待焊的上管口和下管口进行坡口加工，再对加工好的上管口和下管口进行组对，最后对组对好的上管口和下管口进行连续管全位置激光焊接。本发明使用的全位置激光焊接的焊缝熔池面积和熔覆量仅为传统电弧焊的1/4，熔深为传统电弧焊的2倍以上，线能量为传统电弧焊的1/3，因此，热影响区大大缩小，使得焊缝附近的金属组织减小、不易产生淬硬敏感缺陷。正因为激光焊缝熔池面积和熔覆量小，所以熔池液体的流动性和表面张力更容易控制，避免了焊缝背面成型不平整，进而避免了内凹和凸起的产生。

附图说明

图1为本发明实施例提供的连续管全位置激光焊接工艺方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的连续管全位置激光焊接工艺方法中上管口1和下管口2对称的无间隙I型坡口的外形示意图；

图3为本发明实施例提供的连续管全位置激光焊接工艺方法中上管口1和下管口2对称的无间隙I型坡口的组对示意图；

图4为本发明实施例提供的连续管全位置激光焊接工艺方法中管口组对的错边量示意图；

图5为本发明实施例提供的连续管全位置激光焊接工艺方法中焊接区域划分示意图；

图6为本发明实施例提供的连续管全位置激光焊接工艺方法中激光焊枪4位置及焊缝3成型示意图。

其中，1-上管口，2-下管口，3-焊缝，4-激光焊枪，5-直线焊接区，6-摆动焊接区。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种连续管全位置激光焊接工艺方法，解决了现有技术中存在的技术问题。

本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

先对待焊的上管口和下管口进行坡口加工，再对加工好的上管口和下管口进行组对，最后对组对好的上管口和下管口进行连续管全位置激光焊接。本发明实施例使用的全位置激光焊接的焊缝熔池面积和熔覆量仅为传统电弧焊的1/4，熔深为传统电弧焊的2倍以上，线能量为传统电弧焊的1/3，因此，热影响区大大缩小，使得焊缝附近的金属组织减小、不易产生淬硬敏感缺陷。正因为激光焊缝熔池面积和熔覆量小，所以熔池液体的流动性和表面张力更容易控制，避免了焊缝背面成型不平整，进而避免了内凹和凸起的产生。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图1，本发明实施例提供的连续管全位置激光焊接工艺方法，包括：

步骤S110：对待焊的上管口1和下管口2进行坡口加工；

对本步骤进行说明，步骤S110具体包括：

对上管口1和下管口2的管端进行坡口加工，以形成对称的无间隙I型坡口，无间隙I型坡口参见图2。无间隙I型坡口的尺寸为：管道壁厚为1.9mm-5.1mm,坡口面与管道轴线垂直,坡口面的粗糙度为Ra0.8-Ra1.6；坡口内外无倒角。本发明实施例采用的无间隙I型坡口的外形简单易加工，切削进给量较传统V型、U型坡口大大降低。

在本实施例中，可以通过坡口机对待焊的上管口1和下管口2进行坡口加工。

步骤S120：对加工好的上管口1和下管口2进行组对；

对本步骤进行说明，步骤S120具体包括：

对上管口1和下管口2进行装夹、组对，确保上管口1和下管口2的管端坡口组对无间隙，允许局部间隙值k≤0.04mm，参见图3；确保管口组对错变量c≤0.16mm，参见图4。

这里需要说明的是，为了便于激光熔池聚焦，确保焊缝3表面成型平整，在对加工好的上管口1和下管口2进行组对之后，还包括：

对组对后的上管口1和下管口2的管端坡口进行预热。

具体地，为了减少焊缝3的淬硬程度和焊接应力，在对组对后的上管口1和下管口2的管端坡口进行预热的过程中，预热温度为50℃～90℃，预热范围为焊道及两侧30mm～50mm。

步骤S130：对组对好的上管口1和下管口2进行连续管全位置激光焊接。

对本步骤进行说明，步骤S130具体包括：

将上管口1和下管口2在圆周方向上的下半圆周划分为摆动焊接区6，上管口1和下管口2在圆周方向上的其余区域划分为直线焊接区5；

在摆动焊接区6进行激光焊接时焊接光束摆动；

在本实施例中，参见图5，摆动焊接区6为管道下半圆周的4点钟至8点钟之间的区域。

在直线焊接区5进行激光焊接时焊接光束无摆动。

直线焊接区5为平焊和立焊位置，进行激光焊接时焊接光束无摆动有利于焊缝3熔池中气体的溢出。而摆动焊接区6为立仰焊和仰焊位置，在摆动焊接区6中加入高频摆动，对熔池中的液态金属进行搅拌，从而延长了气体溢出的时间。

为了既可以对熔池进行充分搅拌，提高焊缝3的成型质量，又可以有效减少熔覆量，减少线能量输入、提高焊缝3的力学性能，在摆动焊接区6进行激光焊接时焊接光束摆动的过程中，焊接光束的摆动形式为三角摆动，摆幅为0.16mm±0.06mm,摆动频率为50Hz-160Hz。

具体来说，连续管全位置激光焊接装置中设置有1-2个激光焊枪4。在焊接时，激光焊枪4的施焊方向可以进行向上焊，也可以进行向下焊。焊接效果参见图6。

为了进一步减少激光焊接的熔覆量，参见图6，激光焊枪4与管道轴径方向夹角为90度。

在本实施例中，连续管全位置激光焊接的工艺参数包括：连续光纤激光器的输出功率为1.8KW-5.5KW，占控比为50％-80％，离焦量为-0.5mm～-1.6mm，焊接速度为0.68m/min～0.95m/min,Ar保护气体的流量为25L/min～35L/min。

为了消除焊缝3的焊接应力，在对组对好的上管口1和下管口2进行连续管全位置激光焊接之后，还包括：

对焊后的焊缝3进行保温处理。

为了延长焊缝3的冷却时间，在对焊后的焊缝3进行保温处理的过程中，保温时间大于10min，保温范围为焊道及两侧30mm～50mm。

【技术效果】

1、先对待焊的上管口1和下管口2进行坡口加工，再对加工好的上管口1和下管口2进行组对，最后对组对好的上管口1和下管口2进行连续管全位置激光焊接。本发明实施例使用的全位置激光焊接的焊缝熔池面积和熔覆量仅为传统电弧焊的1/4，熔深为传统电弧焊的2倍以上，线能量为传统电弧焊的1/3，因此，热影响区大大缩小，使得焊缝3附近的金属组织减小、不易产生淬硬敏感缺陷。正因为激光焊缝熔池面积和熔覆量小，所以熔池液体的流动性和表面张力更容易控制，避免了焊缝3背面成型不平整，进而避免了内凹和凸起的产生。

2、对上管口1和下管口2的管端进行坡口加工，以形成对称的无间隙I型坡口，本发明实施例采用的无间隙I型坡口的外形简单易加工，切削进给量较传统V型、U型坡口大大降低。

3、对组对后的上管口1和下管口2的管端坡口进行预热，便于激光熔池聚焦，确保了焊缝3表面成型平整。

4、在对组对后的上管口1和下管口2的管端坡口进行预热的过程中，预热温度为50℃～90℃，预热范围为焊道及两侧30mm～50mm，减少了焊缝3的淬硬程度和焊接应力。

5、将上管口1和下管口2在圆周方向上的下半圆周划分为摆动焊接区6，上管口1和下管口2在圆周方向上的其余区域划分为直线焊接区5。直线焊接区5为平焊和立焊位置，进行激光焊接时焊接光束无摆动有利于焊缝熔池中气体的溢出。而摆动焊接区6为立仰焊和仰焊位置，在摆动焊接区6中加入高频摆动，对熔池中的液态金属进行搅拌，从而延长了气体溢出的时间。

6、在摆动焊接区6进行激光焊接时焊接光束摆动的过程中，焊接光束的摆动形式为三角摆动，摆幅为0.16mm±0.06mm,摆动频率为50Hz-160Hz，既可以对熔池进行充分搅拌，提高焊缝3的成型质量，又可以有效减少熔覆量，减少线能量输入、提高焊缝3的力学性能。

7、激光焊枪4与管道轴径方向夹角为90度，进一步减少了激光焊接的熔覆量。

8、对焊后的焊缝3进行保温处理，消除了焊缝3的焊接应力。

9、在对焊后的焊缝3进行保温处理的过程中，保温时间大于10min，保温范围为焊道及两侧30mm～50mm，延长了焊缝3的冷却时间。

本发明实施例涉及一种简便可行、施工效率高、焊缝3成型质量高的连续管全位置激光焊接工艺方法，尤其适用于在石油天然气及可燃冰开采用的成卷连续管之间组对的“管-管”焊接工序，其包括坡口形式、焊前处理、全位置激光自动焊接和焊后处理。具体地，本发明实施例采用了无填料的高能激光焊接简化了管道坡口工序，降低了焊接施工难度。本发明实施例可将连续管对接焊缝3一次性熔透，提高了施工效率。与传统的电弧焊工艺相比，本发明实施例大大减小了焊接热输入和焊接热影响区，背面成型平整，提高了焊缝3的机械性能。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种连续管全位置激光焊接工艺方法，其特征在于，包括：

对待焊的上管口和下管口进行坡口加工；

对加工好的所述上管口和下管口进行组对；

对组对好的上管口和下管口进行连续管全位置激光焊接。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对待焊的上管口和下管口进行坡口加工，包括：

对所述上管口和下管口的管端进行坡口加工，以形成对称的无间隙I型坡口。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对加工好的所述上管口和下管口进行组对，包括：

对所述上管口和下管口进行装夹、组对，确保所述上管口和下管口的管端坡口组对无间隙，允许局部间隙值k≤0.04mm，确保管口组对错变量c≤0.16mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述对加工好的所述上管口和下管口进行组对之后，还包括：

对组对后的所述上管口和下管口的管端坡口进行预热。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述对组对后的所述上管口和下管口的管端坡口进行预热的过程中，预热温度为50℃～90℃，预热范围为焊道及两侧30mm～50mm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对组对好的上管口和下管口进行连续管全位置激光焊接，包括：

将所述上管口和下管口在圆周方向上的下半圆周划分为摆动焊接区，所述上管口和下管口在圆周方向上的其余区域划分为直线焊接区；

在所述摆动焊接区进行激光焊接时焊接光束摆动；

在所述直线焊接区进行激光焊接时焊接光束无摆动。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述摆动焊接区为管道下半圆周的4点钟至8点钟之间的区域。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述摆动焊接区进行激光焊接时焊接光束摆动的过程中，焊接光束的摆动形式为三角摆动，摆幅为0.16mm±0.06mm,摆动频率为50Hz-160Hz。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述对组对好的上管口和下管口进行连续管全位置激光焊接之后，还包括：

对焊后的焊缝进行保温处理。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述对焊后的焊缝进行保温处理的过程中，保温时间大于10min，保温范围为焊道及两侧30mm～50mm。