CN111347162A - 石油管道激光电弧复合焊接装置及方法 - Google Patents

石油管道激光电弧复合焊接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石油管道激光电弧复合焊接装置及方法。包括：焊接工作台；两个转动装置，两个转动装置上分别安装用于被焊接的两个石油管道；两个转动装置同步转动，两个石油管道同轴设置且具有对接处；电弧焊接装置，电弧焊接装置具有焊枪；和激光器，激光器具有激光头；且激光头和焊枪的枪嘴设置于对接处的外侧，沿着石油管道的转动方向，枪嘴处于激光头的下游侧；激光头发射的激光束沿对接处的径向方向延伸，激光束与焊枪的枪嘴轴线之间的夹角为30°至50°，且在对接处形成的激光束热源与电弧热源之间的间距为2mm至6mm。缩短了工作周期短，焊接效率有所提高，焊接工艺稳定，重复性高，飞溅较小，焊缝稳定美观，焊接速度提高了将近1倍。

Description

石油管道激光电弧复合焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及石油管道焊接领域，特别是涉及一种石油管道激光电弧复合焊接装置及方法。
背景技术
石油管道通常采用低碳钢管，低碳钢的强度和硬度不高，塑性和韧性较好，同时具有优良的焊接性能，因此其制成的钢管被运用于储运各环节和承压条件较低的结构件方面。而随着社会发展的进程加快，低碳钢管的使用量和应用逐步增加，这也意味着对低碳钢管的焊接质量和效率提出了要求。相较于其他电弧焊，埋弧焊具有熔深大、焊缝保护效果好、填充金属少的特点，因此被广泛应用于低碳钢管件的焊接环节之中。然而，由于需要在焊接过程中铺放、回收焊剂，从而大大地限制限制了其工作效率。同时，由于采用的较大电流，热影响区和变形量较大，增大了控制焊缝质量的难度。目前对于低碳钢管对接焊接进行改进的方法，主要还是集中在如何通过增加电弧热源的电压，或者是再直接增加电弧焊枪或送丝嘴。虽然一定程度上能解决熔深不够或者焊接速度太慢的问题，但是这些方法都会增大焊缝附近的热影响区，提高了控制焊缝质量的难度。
发明内容
本发明的目的是克服现有低碳钢管的至少一个的缺陷，提供一种石油管道激光电弧复合焊接装置及方法，可在保证焊接成型稳定的条件下，尽可能地提高焊接效率以及焊缝间隙适应性。
一方面，本发明提供了一种石油管道激光电弧复合焊接装置，包括：
焊接工作台；
两个转动装置，安装于所述焊接工作台，两个所述转动装置上分别安装用于被焊接的两个石油管道；两个所述转动装置同步转动，两个石油管道同轴设置且具有对接处；
电弧焊接装置，安装于所述焊接工作台，所述电弧焊接装置具有焊枪；和
激光器，安装于所述焊接工作台，所述激光器具有激光头；且
所述激光头和所述焊枪的枪嘴设置于所述对接处的外侧，沿着所述石油管道的转动方向，所述枪嘴处于所述激光头的下游侧。
可选地，所述激光头发射的激光束沿所述对接处的径向方向延伸，所述激光束与所述焊枪的枪嘴轴线之间的夹角为30°至50°，且在所述对接处形成的激光束热源与电弧热源之间的间距为2mm至6mm。
可选地，所述石油管道激光电弧复合焊接装置还包括两个平移装置，安装于所述焊接工作台；
每个所述转动装置安装于一个所述平移装置，以在所述平移装置的带动下沿所述石油管道的轴向方向移动。
可选地，所述石油管道激光电弧复合焊接装置还包括打磨装置，安装于所述焊接工作台，以在所述平移装置将相应所述石油管道带到打磨工位时，所述打磨装置进行坡口打磨或对接环打磨。
可选地，所述激光器为光纤激光器，所述电弧焊接装置为福尼斯焊机，所述转动装置为变位机。
可选地，所述石油管道为低碳钢管，壁厚为6mm至20mm，所述对接处的坡口形式为Y形坡口。
可选地，采用的焊丝的直径为1.2mm，所述焊丝的伸出量控制在10mm至22mm，焊接速度控制在1.0m/min至1.4m/min；
所述激光器的功率为3000W至4500W，所述电弧焊接装置的焊枪电流为230A至270A，所述电弧焊接装置的送丝速度为5m/min至9m/min，所述电弧焊接装置的弧长修正控制在10％至30％，气体流量控制在15L/min至28L/min。
可选地，所述打磨装置为两个，设置于所述激光头和所述焊枪的两侧。
另一方面，本发明还提供了一种石油管道激光电弧复合焊接方法，包括：
打磨一个石油管道上的坡口和另一石油管道上的对接环；
将两个所述石油管道对接，并在对接处进行多处点焊；
使电弧焊接装置的焊枪和激光器的激光头处于所述对接处的外侧，沿着所述石油管道的转动方向，所述枪嘴处于所述激光头的下游侧；
同步转动两个所述石油管道，开启所述电弧焊接装置和所述激光器进行焊接。
可选地，所述激光头发射的激光束沿所述对接处的径向方向延伸，所述激光束与所述焊枪的枪嘴轴线之间的夹角为30°至50°，且在所述对接处形成的激光束热源与电弧热源之间的间距为2mm至6mm。
可选地，所述石油管道为低碳钢管，壁厚为6mm至20mm，所述对接处的坡口形式为Y形坡口；
采用的焊丝的直径为1.2mm，所述焊丝的伸出量控制在10mm至22mm，焊接速度控制在1.0m/min至1.4m/min；
所述激光器的功率为3000W至4500W，所述电弧焊接装置的焊枪电流为230A至270A，所述电弧焊接装置的送丝速度为5m/min至9m/min，所述电弧焊接装置的弧长修正控制在10％至30％，气体流量控制在15L/min至28L/min。
本发明实施例具有以下技术效果：
利用激光-电弧复合焊接，涉及到一束激光和一个电弧焊枪以及具体的布置位置，两热源相互复合作用于工件，从而实施焊接。激光头和焊枪不用频繁更换和位置调整，减少了焊接前的工序，缩短了工作周期短，焊接效率有所提高。同时，该方案中还减小了对接间隙的装配要求，也减少了环境对于焊接过程可能存在的影响。而且该焊接工艺稳定，重复性高，焊接过程中的飞溅较小，得到的焊缝也稳定美观。采用传统埋弧焊，其焊接速度一般为0.5m/min～0.8m/min，而该方案的焊接速度则能达到1.0m/min-1.4m/min，前后相比提高了将近1倍。与此同时，该方案即使在较低的激光功率下，一次焊接熔深也可达7mm左右，而且还具有良好的间隙桥接能力，可以保证0.5mm的间隙加工误差。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例提供的石油管道激光电弧复合焊接装置的示意性结构图；
图2是图1所示石油管道激光电弧复合焊接装置示意性局部结构图；
图3是根据本发明一个实施例提供的石油管道激光电弧复合焊接方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例提供的石油管道激光电弧复合焊接装置的示意性结构图。如图1所示并参考图2，本发明实施例提供了一种石油管道激光电弧复合焊接装置，包括焊接工作台20、两个转动装置30、电弧焊接装置40和激光器50。两个转动装置30安装于焊接工作台20，两个转动装置30上分别安装用于被焊接的两个石油管道10。两个转动装置30同步转动，两个石油管道10同轴设置且具有对接处。电弧焊接装置40安装于焊接工作台20，电弧焊接装置40具有焊枪41。激光器50安装于焊接工作台20，激光器50具有激光头51。
激光头51和焊枪41的枪嘴设置于对接处的外侧，沿着石油管道10的转动方向，枪嘴处于激光头51的下游侧。激光头51发射的激光束沿对接处的径向方向延伸，激光束与焊枪41的枪嘴轴线之间的夹角α为30°至50°，且在对接处形成的激光束热源11与电弧热源12之间的间距为2mm至6mm。在对接处形成的激光束热源11与电弧热源12之间的相对位置关系为电弧热源12处于激光束热源11的下游侧，电弧热源12和激光束热源11沿对接处的周向方向依次设置，或电弧热源12和激光束热源11的连线与对接处的周向方向交叉设置。也就是说，激光束垂直作用于石油管道10的圆筒对接环的切面，焊枪41放置于对接环上方。
在本发明的一些实施例中，石油管道10激光电弧复合焊接装置还包括两个平移装置60，安装于焊接工作台20。每个转动装置30安装于一个平移装置60，以在平移装置60的带动下沿石油管道10的轴向方向移动。转动装置30通过平移装置60进行位置移动，可便于石油管道10的安装，在石油管道10安装后，通过平移装置60将转动装置30以及转动装置30上的石油管道10运送到预设位置处进行焊接。转动装置30可为变位机，最大转速为2.211rad/s。平移装置60可包括滑台、电机和丝杠传动机构，电机通过丝杠传动机构带动滑台移动，转动装置30可安装在滑台上。
为了便于石油管道10的打磨，石油管道10激光电弧复合焊接装置还包括打磨装置70，安装于焊接工作台20，以在平移装置60将相应石油管道10带到打磨工位时，打磨装置70进行坡口打磨或对接环打磨。打磨装置70为两个，设置于激光头51和焊枪41的两侧，分别对一个石油管道10进行打磨，具体地打磨一个石油管道10上的坡口和另一石油管道10上的对接环。工作时，平移装置60可先将石油管道10运送到打磨工位，被打磨清理后，然后将石油管道10运送到焊接工位进行焊接。打磨装置70用于打磨坡口和对接环5mm以内的区域，保证焊接区域的清洁。
在本发明的一些实施例中，激光器50为光纤激光器50，最大功率为10000W。电弧焊接装置40为福尼斯焊机，焊枪41可为45°焊枪41，焊丝直径为1.2mm。石油管道10为低碳钢管，壁厚为6mm至20mm，对接处的坡口形式为Y形坡口。采用的焊丝的直径为1.2mm，焊丝的伸出量控制在10mm至22mm，焊接速度控制在1.0m/min至1.4m/min。激光器50的功率为3000W至4500W，电弧焊接装置40的焊枪41电流为230A至270A，电弧焊接装置40的送丝速度为5m/min至9m/min，电弧焊接装置40的弧长修正控制在10％至30％，气体流量控制在15L/min至28L/min。
图3是根据本发明一个实施例提供的石油管道10激光电弧复合焊接方法的示意性流程图，如图3所示，本发明实施例还提供了一种石油管道10激光电弧复合焊接方法，其包括：
打磨一个石油管道10上的坡口和另一石油管道10上的对接环。打磨坡口和对接环5mm以内的区域，保证焊接区域的清洁。
将两个石油管道10对接，并在对接处进行多处点焊。将两管对接，可根据管径壁厚施加4-8个不等的点焊点。
使电弧焊接装置40的焊枪41和激光器50的激光头51处于对接处的外侧，沿着石油管道10的转动方向，枪嘴处于激光头51的下游侧。具体地，激光头51发射的激光束沿对接处的径向方向延伸，激光束与焊枪41的枪嘴轴线之间的夹角α为30°至50°，且在对接处形成的激光束热源11与电弧热源12之间的间距为2mm至6mm。可通过调整激光器50和电弧焊枪41位置，对准对接环处，也可调整石油管道10的位置以进行对准。
同步转动两个石油管道10，开启电弧焊接装置40和激光器50进行焊接。
优选地，可采用上述任一实施例中的石油管道10激光电弧复合焊接装置实施该石油管道10激光电弧复合焊接方法。可使用电弧焊接装置40进行点焊。
在本发明的一些石油管道10激光电弧复合焊接方法中，石油管道10为低碳钢管，壁厚为6mm至20mm，对接处的坡口形式为Y形坡口。采用的焊丝的直径为1.2mm，焊丝的伸出量控制在10mm至22mm，焊接速度控制在1.0m/min至1.4m/min。激光器50的功率为3000W至4500W，电弧焊接装置40的焊枪41电流为230A至270A，电弧焊接装置40的送丝速度为5m/min至9m/min，电弧焊接装置40的弧长修正控制在10％至30％，气体流量控制在15L/min至28L/min。
本发明实施例提供的石油管道10激光电弧复合焊接装置及焊接方法可具有以下优点：利用激光-电弧复合焊接，涉及到一束激光和一个电弧焊枪41以及具体的布置位置，两热源相互复合作用于工件，从而实施焊接。激光头51和焊枪41不用频繁更换和位置调整，减少了焊接前的工序，缩短了工作周期短，焊接效率有所提高。同时，该方案中还减小了对接间隙的装配要求，也减少了环境对于焊接过程可能存在的影响。而且该焊接工艺稳定，重复性高，焊接过程中的飞溅较小，得到的焊缝也稳定美观。采用传统埋弧焊，其焊接速度一般为0.5m/min～0.8m/min，而该方案的焊接速度则能达到1.0m/min-1.4m/min，前后相比提高了将近1倍。与此同时，该方案即使在较低的激光功率下，一次焊接熔深也可达7mm左右，而且还具有良好的间隙桥接能力，可以保证0.5mm的间隙加工误差。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种石油管道激光电弧复合焊接装置，包括焊接工作台，其特征在于还包括：
两个转动装置，安装于所述焊接工作台，两个所述转动装置上分别安装用于被焊接的两个石油管道；两个所述转动装置同步转动，两个石油管道同轴设置且具有对接处；
电弧焊接装置，安装于所述焊接工作台，所述电弧焊接装置具有焊枪；和
激光器，安装于所述焊接工作台，所述激光器具有激光头；且
所述激光头和所述焊枪的枪嘴设置于所述对接处的外侧，沿着所述石油管道的转动方向，所述枪嘴处于所述激光头的下游侧；
所述激光头发射的激光束沿所述对接处的径向方向延伸，所述激光束与所述焊枪的枪嘴轴线之间的夹角为30°至50°，且在所述对接处形成的激光束热源与电弧热源之间的间距为2mm至6mm。
2.根据权利要求1所述的石油管道激光电弧复合焊接装置，其特征在于，还包括两个平移装置，安装于所述焊接工作台；
每个所述转动装置安装于一个所述平移装置，以在所述平移装置的带动下沿所述石油管道的轴向方向移动。
3.根据权利要求2所述的石油管道激光电弧复合焊接装置，其特征在于，还包括打磨装置，安装于所述焊接工作台，以在所述平移装置将相应所述石油管道带到打磨工位时，所述打磨装置进行坡口打磨或对接环打磨。
4.根据权利要求1所述的石油管道激光电弧复合焊接装置，其特征在于，
所述激光器为光纤激光器，所述电弧焊接装置为福尼斯焊机，所述转动装置为变位机。
5.根据权利要求1所述的石油管道激光电弧复合焊接装置，其特征在于，
所述石油管道为低碳钢管，壁厚为6mm至20mm，所述对接处的坡口形式为Y形坡口。
6.根据权利要求1所述的石油管道激光电弧复合焊接装置，其特征在于，
采用的焊丝的直径为1.2mm，所述焊丝的伸出量控制在10mm至22mm，焊接速度控制在1.0m/min至1.4m/min；
所述激光器的功率为3000W至4500W，所述电弧焊接装置的焊枪电流为230A至270A，所述电弧焊接装置的送丝速度为5m/min至9m/min，所述电弧焊接装置的弧长修正控制在10％至30％，气体流量控制在15L/min至28L/min。
7.根据权利要求3所述的石油管道激光电弧复合焊接装置，其特征在于，
所述打磨装置为两个，设置于所述激光头和所述焊枪的两侧。
8.一种石油管道激光电弧复合焊接方法，其特征在于，包括：
打磨一个石油管道上的坡口和另一石油管道上的对接环；
将两个所述石油管道对接，并在对接处进行多处点焊；
使电弧焊接装置的焊枪和激光器的激光头处于所述对接处的外侧，沿着所述石油管道的转动方向，所述枪嘴处于所述激光头的下游侧；
同步转动两个所述石油管道，开启所述电弧焊接装置和所述激光器进行焊接。
9.根据权利要求8所述的石油管道激光电弧复合焊接方法，其特征在于，
所述激光头发射的激光束沿所述对接处的径向方向延伸，所述激光束与所述焊枪的枪嘴轴线之间的夹角为30°至50°，且在所述对接处形成的激光束热源与电弧热源之间的间距为2mm至6mm。
10.根据权利要求9所述的石油管道激光电弧复合焊接方法，其特征在于，
所述石油管道为低碳钢管，壁厚为6mm至20mm，所述对接处的坡口形式为Y形坡口；
采用的焊丝的直径为1.2mm，所述焊丝的伸出量控制在10mm至22mm，焊接速度控制在1.0m/min至1.4m/min；
所述激光器的功率为3000W至4500W，所述电弧焊接装置的焊枪电流为230A至270A，所述电弧焊接装置的送丝速度为5m/min至9m/min，所述电弧焊接装置的弧长修正控制在10％至30％，气体流量控制在15L/min至28L/min。
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