Yeni Kara Boru Hatları için Hibrit Nd:YAG Lazer/Gaz Metal Ark Kaynağı

Dünyanın doğal gaz talebinin önümüzdeki on yıl içinde bilinen mevcut gaz rezervlerinin işletilmesiyle karşılanması bekleniyor. Bununla birlikte, bu rezervlerin çoğu uzak yerlerde bulunmaktadır ve bu 'karaya oturmuş gazı' kaynağından talep edildiği yere taşımak için kara iletim boru hatlarına ihtiyaç vardır.

Özellikle uzak ve muhtemelen düşmanca ortamlarda yeni boru hatlarının döşenmesiyle ilgili büyük maliyetler olduğundan, maliyet tasarruflarını belirleyip uygulayarak çok önemli kazançlar elde edilebilir. Boru hattı konsepti, tasarımı, malzemelerin özellikleri, malzeme ve hizmetlerin tedariki, inşaat ve işletme dahil olmak üzere çok çeşitli maliyet tasarrufu fırsatları hedeflenmiştir. Açıkça boru hattı kaynağının maliyetler üzerinde bir etkisi vardır ve iki husus özellikle önemlidir. İlk olarak, kaynak hızı büyük ölçüde inşaatın hızını belirler. İkinci olarak, şantiyede kaynakçı, tesisatçı ve ilgili lojistik destek personeli olarak istihdam edilen kişilerin sayısı, toplam kaynak maliyetine önemli ölçüde katkıda bulunur.

Mevcut belge, maliyet tasarrufu için fırsatlar sunan aday kaynak proseslerini ve teknolojilerini kısaca gözden geçirmektedir. Daha sonra çekici bir aday süreç olan hibrit lazer/ark kaynağı daha ayrıntılı olarak ele alınır ve ilk deneysel sonuçlar sunulur.

Aday Kaynak İşlemleri

Kuzey Afrika çöl koşullarında 48 inç çapında, 0,688 inç (17,5 mm) duvar kalınlığında, API 5L-X70 borusunda 500 km'lik bir gaz ihraç boru hattının inşasını temel durum olarak alarak, TWI ve BP personeli yakın zamanda adayı değerlendirmek için bir beyin fırtınası tatbikatı gerçekleştirdi. kaynak işlemleri. Mekanize gaz metal ark kaynağı (GMAW) kıyaslama süreci olarak alındı ve daha ileri değerlendirme için diğer dört süreç seçildi:
 

Mekanize GMAW sistemleri iyi gelişmiştir, arazide döşeme konusunda kanıtlanmış bir sicile sahiptir ve büyük çaplı kara boru hatlarının yüksek verimli kaynağı için son teknoloji olarak kabul edilebilir. Bununla birlikte, bir dezavantaj, her bir birleştirmenin tamamlanması için birden çok kaynak istasyonunun ve kaynak geçişlerinin gerekmesidir. Bu nedenle, nispeten emek yoğun olmaya devam ediyor.

Tam otomatik bir GMAW sisteminde operatör, makineyi basitçe bağlantının başlangıcına konumlandırır ve kaynağı izler ve kaynak işleminin tamamı üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Açık denizde tam otomatik bir süreç kullanılsa da, karada boru döşemeye yönelik kavramsal tasarım ek zorluklar sunar çünkü kaynak bir mavna yerine bir dizi istasyonda yapılır. Bununla birlikte, ikili torç teknolojisi ileriye dönük bir yoldur ve bazı maliyet tasarrufu kazanımları elde edilebilir.

Sürtünme kaynağı, bir bileşenin diğerine karşı döndürüldüğü ve eksenel bir kuvvet uygulaması altında bir kaynak yapmak için sürtünmeli ısıtmanın kullanıldığı katı faz dövme kaynak işlemidir. Boru hatlarının dairesel şekli göz önüne alındığında sürtünme kaynağı özellikle uygundur ve üç olası yaklaşım vardır:
 

Bu süreçlerin her biri teorik olarak mümkün olsa da, 12 m uzunluğunda bir boruyu döndürmek ve eksenel bir kuvvet uygulamak gibi önemli mühendislik zorluklarının üstesinden gelinmesi gerekir. Bugüne kadar, tipik olarak 324 mm çapa kadar olan daha küçük çaplı boru hatlarının açık deniz boru döşemesi için dikkate değer radyal sürtünme kaynağı istisnası dışında, nispeten sınırlı ticari sistem gelişimi gerçekleştirilmiştir. 

Elektron ışını kaynağı, malzemeyi eritmek ve bir kaynak yapmak için odaklanmış yüksek enerjili bir elektron ışını kullanan tek geçişli bir füzyon kaynak işlemidir. 1960'larda ve 1970'lerde, boru hattı kaynağının erken gelişimi gerçekleşti, ancak yüksek vakumlu çalışma ihtiyacı ile sınırlıydı. Ancak 1990'larda TWI, 0,1 ila 10 mbar basınç aralığında kaynak yapabilen bir sistem geliştirdi ve gelişmiş yüksek vakum mühendisliğine gerek kalmadan iyi kaynak kalitesinin elde edilebileceğini gösterdi. Bu teknoloji, kaynağın 2G konumunda (boru dikey/kaynak yatay) olduğu offshore J-laying uygulamaları için özellikle uygundur. Arazi döşemesi için 5G konumunda (boru yatay/kaynak konumu değişken) düşük basınçlı elektron ışını kaynağı uygulamak için önemli geliştirme çalışmaları gereklidir.

Lazer kaynağı, ışını küçük bir nokta boyutuna odaklayarak derin penetrasyonlu bir füzyon kaynağı üretmek için tek bir dalga boyunda tutarlı bir ışık ışını kullanır. Bu, düşük iş parçası distorsiyonu ile yüksek birleştirme oranlarının elde edilmesini sağlar. İşlem tamamen otomatiktir ve manuel operatör becerisini ortadan kaldırır. Ek olarak, Nd:YAG lazer, lazer kaynak kafasının geleneksel bir robota takılmasını sağlayan bir optik fiber tarafından iletilebilen bir dalga boyuna sahip ışık üretir.

Kara Döşemeli Boru Hatları için Lazer Kaynak

Üretilen dar, derin nüfuziyetli kaynak nedeniyle, lazer kaynağı çeşitli avantajlar sunar:
 

Kalın kesitli çeliğin kaynağı için endüstriyel olarak iki ana lazer tipi mevcuttur - CO₂ gaz lazerleri ve Nd:YAG katı hal lazerleri. CO₂ lazerler, kızılötesi rejimde 10.6µm dalga boyunda ışık üretir ve yaklaşık 45kW'a kadar güç seviyelerinde mevcuttur. Işık, kaynak için küçük bir noktaya odaklanmadan önce lazerden iş parçasına bir ayna sistemiyle iletilir. Bu tip lazer şu anda dört Avrupa tersanesinde gemi imalatının farklı yönleri için kullanılmaktadır; burada azaltılmış bozulma, yeniden işleme ile ilgili maliyetlerin önemli ölçüde azalmasını sağlar. Bu tip lazer açık deniz boru hatlarının S-döşenmesi için düşünülmüş ve değerlendirilmiştir.

Nd:YAG lazerler, aksine, yine kızılötesi rejimde olan, ancak bir fiber optik kablo ile iletilebilen 1.06µm dalga boyunda ışık üretir. Bu, bir CO₂ lazerin ışın yolu için kullanılan karmaşık ayna setinin, bir kaynak robotuna monte edilebilen basit bir fiber ve kaynak kafasıyla değiştirilmesini sağladığı için büyük bir avantajdır.

Lazer teknolojisindeki gelişmeler, Nd:YAG lazerlerde mevcut olan gücün hızla artmasına neden olmuştur ve 4kW Nd:YAG lazerler artık üretimde yaygın olarak kullanılmaktadır. TWI'deki bir ışın birleştirme ünitesi, 10kW'a kadar işleme kapasitesi elde etmek için üç lazerin birbirine bağlanmasını sağlar.


Bu denemeleri, BP ve CRC-Evans'ı içeren ve dahili bir GMAW kök çalışmasının yapıldığı, halihazırda devam etmekte olan bir araştırma programı izledi. Geleneksel teknikler kullanılarak, daha sonra dışarıdan bir lazer kaynağı yapılır ve son bir GMAW kapatma geçişi biriktirilir.  Bu yaklaşım, kaynak istasyonu sayısının 3 veya 4'e düşürülmesini sağlarken, genel kaynak hızını referans alınan GMAW prosesininkiyle aynı seviyede tutar.

Bununla birlikte, tek başına lazer kaynağı zorlu bir süreçtir ve tatmin edici kalite ve performansa sahip kaynaklar üretmek için montaj ve çelik bileşimi gibi bir dizi parametrenin çok sıkı kontrolü gerekir. Bu nedenle, son zamanlarda ilgi, gelişmiş bir uygulama alanı sunan hibrit lazer ark kaynağına odaklanmıştır.

Hibrit Lazer Ark Kaynağı

Hibrit lazer ark kaynağı, iki kaynak işleminin tek bir işlem alanına veya kaynak havuzuna birleştirilmesini ifade eder. Mevcut seçenekler arasında CO₂ veya Nd:YAG lazer kaynağının gaz metali gibi bir ark kaynağı işlemiyle birleştirilmesi yer alır. Ark kaynağı, gaz tungsten ark kaynağı veya plazma ark kaynağı.

Tek başına lazer gücünün kullanılmasıyla karşılaştırıldığında, hibrit lazer ark kaynağı aşağıdaki avantajları sunar:
 

Bununla birlikte, artan süreç karmaşıklığı tanımlanacak ek kaynak parametreleri ve süreç parametrelerinin yeniden tanımlanması gerekliliği, bunlar iki ayrı süreçten basitçe belirlenemez.

Muhtemelen, kara boru hattı kaynağı için en uygun yaklaşım, bir Nd:YAG lazeri GMAW ile birleştirmektir çünkü bu düzenleme, fiberle iletilen lazer gücüyle birleştirilmiş dolgu malzemesi ekleme fırsatı sunar. Uygun kaynak parametrelerini geliştirmek için ilk deneysel sonuçlar şimdi sunulmaktadır.

Deneysel Program

Malzemeler

Bu iş için API 5L X-60 gerekliliklerine uygun, 762 mm dış çap, 15,9 mm et kalınlığı boyutlarında çelik boru kullanılmıştır.

Teçhizat

Nd:YAG lazer kaynak kafasını ve bir GMA kaynak torcunu entegre eden bir kaynak sistemi tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Fikstür, iki ısı kaynağının göreli konumlarının ve yönelimlerinin doğru ve tekrarlanabilir kontrolünü sağladı ve bir Kawasaki Js-30 robotuna monte edildi.

Lazer enerjisi, her biri 1.064 um dalga boyunda kızılötesi ışık üreten iki Nd:YAG lazer tarafından sağlandı. İki lazer, GSI Lumonics tarafından yapılmış çok dalgalı bir AutoTM ve bir Trumpf HL 3006 D idi. İki lazer kaynağından gelen çıktılar, birleşik lazer gücünün 1 mm çaplı tek bir fiber optik aracılığıyla çıkmasını sağlayan bir Işın Birleştirme Birimi'ne beslendi. 220 mm'lik bir mercekten iş parçasına uzaklık mesafesinde 1,4 mm çapında bir nokta boyutu üretecek şekilde konfigüre edilmiş yeniden hizalama ve odaklama merceklerinden oluşan kaynak kafasına. İş parçasındaki toplam lazer gücü 5.2kW idi.

GMA kaynak sistemi, 400A'ya kadar kaynak akımı sağlayabilen bir Lincoln Electric Powerwave 455 idi. Sinerjik darbeli kaynak programı kullanıldı.

Kaynak Prosedürü Geliştirme

İlk Denemeler

Başlangıç koşullarını oluşturmak için, boru eksenine paralel düz bir yüzey boyunca ilerleyen kaynak ile düz pozisyonda plaka üzerinde boncuk kaynakları üretildi. Aşağıdaki parametreler kullanıldı:
 

Kaynaklar, yalnızca lazer kaynağı, yalnızca GMAW ve hibrit lazer-GMA kaynağı kullanılarak üretildi.

Süreç değişkenleri

Deneyimine ve literatür incelemesine dayanarak, en önemli dört değişkenin GMA akımı, ark-lazer ayırma mesafesi, kurşun süreci ve hareket hızı olduğu kabul edildi. Daha sonra, bu değişkenlerin aşağıdaki aralıklar üzerindeki etkisini ve etkileşimlerini değerlendirmek için tam faktöriyel bir deney tasarlandı; 150-210A akım, 0-4 mm ayırma ve 0.6-0.9m/dak seyir hızı. Bu, 18 kaynak koşulundan oluşan deneysel bir matrisle sonuçlandı; kalan parametreler ilk denemelerdeki gibiydi, yani 60° torç açısı, 5,2 kW lazer gücü, -3 mm lazer odak konumu, 1 mm çaplı tel, 20 mm elektrot uzantısı ve Ar-18% CO₂-%2 O₂ koruyucu gaz. Kaynaklar, penetrasyon derinliği ve kaynak kusur seviyesi (yani gözeneklilik ve katılaşma çatlağı) açısından değerlendirildi.

Sonuçlar ve Tartışma

Genel Gözlemler

İlk denemeler, iki işlemin, yukarıdaki bölümlerinde açıklanan kurulum ve koşullar kullanılarak kararlı kaynak koşulları sağlamak için başarılı bir şekilde birleştirildiğini gösterdi. Sıçrama derecesi, tek başına GMAW kullanıldığında elde edilene benzerdi, ancak ortaya çıkan kaynak dikişleri, tek başına GMA işlemine göre daha geniş ve daha az dışbükeydi. GMA işlemindekine benzer şekilde büyük, parlak bir plazma gözlendi.

Tek başına GMAW için penetrasyon derinliği 1,6 mm idi; Yalnızca lazer için 3,9 mm (0 mm odak) ve 4,9 mm (-3 mm odak); Hibrit işlem için 5,3 mm (0 mm odak) ve 5,7 mm (-3 mm odak). Küçük gözeneklilik mevcuttu ancak öngörülen alan (BS EN 4515:2000'e göre toplanmıştır) %1'den azdı.

Kaynak Penetrasyonu

Genel olarak, penetrasyon derinliğindeki bir artış,
 

Sonuçlar beklentiyle uyumluydu ve basitçe daha fazla penetrasyona yol açan daha fazla enerji yoğunluğu olarak açıklanabilir. 0,6 m/dak'lık bir hareket hızında elde edilen maksimum penetrasyon 7,5 mm'dir; 0,9 m/dk'da elde edilen maksimum penetrasyon 6,5 mm idi.

GMA işlemi öndeyken 0,6 m/dak'lık bir hareket hızında elde edilen sonuçlar yukarıdaki eğilimleri takip etmedi ve maksimum penetrasyon, minimum GMA akımı ve sıfır ark-lazer ayrımı ile ilişkilendirildi. Bu koşullar, hibrit işlemin etkinliğini azalttı ve büyük bir eriyik havuzu ortaya çıktığı için, lazer anahtar deliğiyle erimiş havuz girişiminin sorumlu olması muhtemeldir. Bu nedenle, hibrit kaynağın faydalarını en üst düzeye çıkarmak için eriyik havuzu boyutunu kısıtlamak gerekli olabilir. Ticari nedenlerle, 0,9 m/dk'lık bir hareket hızında kaynak yapmak, 0,6 m/dk'dan çok daha caziptir ve daha yüksek kaynak hızlarında daha fazla çalışma yapılacaktır.

Mevcut çalışmada, hangi sürecin öncülük ettiğinin etkisi diğer değişkenlere göre daha az anlamlıdır. Lazer yönlendirildiğinde, GMA torcu 'itme' yapar ve yukarıdaki GMA işlemiyle kaynak yaparken, 'itme' normalde penetrasyonun azalmasına neden olur. Kaynak süreci bölgesindeki ayrıntılı etkileşimleri anlamak için daha fazla çalışmanın gerekli olduğu açıktır.

Ortak Kalite

Tüm kaynakların radyografisi çekildi ve hiçbir çatlak veya düzlemsel kusur tespit edilmedi. Bununla birlikte, bir dereceye kadar gözeneklilik vardı.

Genel olarak, gözeneklilik seviyeleri düşüktü ve BS EN 4515:2000 gerekliliklerini karşılıyordu. Bulunan maksimum gözeneklilik seviyesi, 0,6 m/dak'lık daha yavaş kaynak hızında meydana gelen, öngörülen alan açısından yaklaşık %0,8 idi. hız, 0,9 m/dk, gözeneklilik seviyeleri öngörülen alanın %0,4'ünün altındaydı.

Kaynak Metali Mikroyapısı

Mikro yapı ağırlıklı olarak iğnemsi ferrittir. Kaynağın üst ve alt bölümleri arasında mikroyapıda önemli bir fark gözlenmedi.

Eklem Sertliği

Maksimum kaynak metali sertliği 280HV5 ve maksimum HAZ değeri 310HV5'tir. Önerilen uygulama asitli olmayan bir ortam olduğu için bu değerler kabul edilebilir.

Devam Eden Gelişmeler

Mevcut çalışma, devam eden bir programın ilk aşamalarını oluşturdu. Aşağıdakileri içerecek sağlam bir kaynak prosedürünü tanımlamaya yönelik çalışmalar devam etmektedir:
 

Son Sözler

Boru hatlarının karaya döşenmesi için aday kaynak işlemlerinin ve ilk deneysel denemelerin gözden geçirilmesine dayanarak, aşağıdaki sonuçları çıkarmak uygun görünmektedir:

Hibrit Nd:YAG lazer/gaz metal ark kaynağı, yeni kara boru hatları döşenirken maliyet tasarrufu için fırsatlar sunar.

Tek başına lazer kaynağına kıyasla penetrasyonda yaklaşık %20'lik bir artışa yol açan hibrit proses için kararlı kaynak koşulları oluşturulmuştur.

Mevcut çalışmada, lider proses seçimi sonuçları önemli ölçüde etkilemedi ve 0,6 m/dk hareket hızında, sıfır ark-lazer aralığı, 5,2kW lazer gücü ve 210 A akımda maksimum penetrasyon (7,5 mm) elde edildi.

Çatlak gözlenmedi ve gözeneklilik seviyeleri öngörülen alanın %0,8'inin altındaydı.

Maksimum sertlik (310 HV5) ısıdan etkilenen bölgede bulundu ve asitli olmayan koşullar için üst sınırın altında.