Articol JONI Doi Bun

8/15/2019 Articol JONI Doi Bun

1/14

1.IntroducereProcesele de sudare prin topire cu arc electric, de-a lungulanilor, și-au dovedit incontestabila utilitate și aplicabilitateîn realizarea de îmbinări sudate de calitate a țevilor și con-

ductelor magistrale, utilizate în domeniul petrolier sau întransportul gazelor naturale. Sunt utilizate diferite varianteale acestor procese de sudare, alegerea lor depinzând delungimile conductei care urmează să ie produsă, grosimeacomponentelor și materialul din care acestea sunt fabricate.Procedeele folosite variază de la sudarea manuală cu elec-trozi înveliți până la procese de sudare orbitale automatizatefolosind procesele MSG.Rezolvarea problemei esenț iale: Cu ce procedeu şi ce ma-teriale de adaos lucrăm, astfel încât să obţinem îmbinări cu oproductivitate maximă, cu o calitate foarte bună şi la un preţcât mai convenabil? a constituit motorul dezvoltării unor noi

procedee de sudare de mare productivitate, materiale deadaos noi, performante, în paralel cu surse de sudare spe-cializate, bazate pe realizările de vârf din domeniul electro-nicii de putere şi al comenzilor adaptive.

1. IntroductionThe submerged arc welding processes have proven along theyears their undisputable utility and applicability in achie-ving highly qualitative welded joints for pipelines used in

the petroleum industry (transportation and distributionof oil and gas). Different variants of these arc welding pro-cesses are used depending on several factors, such as thelength of the pipelines to be achieved, the thickness of thecomponents and the raw materials to be used. The industrialsectors use a wide range of procedures, from shielded metalarc welding (SMAW) using coated electrodes to automaticorbital welding, employing the MSG processes.The answer to the main issue: Which process and illermaterials should we use to achieve high-quality and cost-friendly welded joints characterized by maximum producti-vity? has been the trigger for the development of new highly

productive welding processes and innovative iller materialsin parallel with the specialized welding sources, based onthe state-of-art achievements in the ield of power electro-nics and adaptive controls.

Posibilităţi de utilizare a procedeului LaserHibrid la sudareaţevilor destinate realizării conductelor pentru alimentarea cugaze naturale

Overview of Laser-Arc Hybrid Welding Processes Used inPipelines Fabrication

Nicolae JONI, Reprezentanţa Cloos Romania (Robcon TM SRL)Luigi-Renato MISTODIE, Universitatea „Dunărea de Jos” din Galaţi

RezumatÎn procesul complex de fabrica ț ie al conductelor magistrale de gaze naturale se utilizeaz ă , în ultima perioad ă , oteluri cu rezisten ţă mecanică ridicat ă şi rezilien ț a la temperaturi scă zute foarte bună. Din punct de vedere tehnico-economic, pentru realizarea îmbinărilor

sudate, trebuie consumate cantit ăţ i cât mai reduse de energie şi materiale de adaos, ceea ce recomand ă noul procedeu LaserHibrid dreptuna dintre cele mai adecvate solu ț ii în acest sens.Concentrarea de energie mult superioar ă altor procedee, lexibilitatea regl ării procesului (se pot controla separat energia destinat ă topirii metalului de baz ă cât şi cantitatea de material de adaos) dar mai ales posibilitatea de a lucra cu rosturi de circa 20°, fa ţă de55–60° la procedeele clasice, recomand ă acest procedeu drept o solu ț ie deosebit ă din punct de vedere tehnico-economic.În lucrare sunt prezentate determinări experimentale pentru diferite probe sudate prin procedeul LaserHibrid, con igura ț ia sistemuluiutilizat și calcule tehnico-economice comparative cu alte procedee clasice de sudare.

AbstractIn the complex manufacturing processes of pipelines, steels with higher strength and toughness at low temperatures are required.In terms of costs, in order to achieve the welded joints, low amount of energy and iller material should be consumed. From this point ofview, Laser-Arc Hybrid welding is an attractive solution in the pipelines fabrication.The higher concentration of the heat energy than other processes, the lexibility to adjust the process (can be controlled individually the

melting energy and the amount of iller material introduced in the process) and mainly the opportunity to work with grooves angles of 20 degrees, instead off 55-60 degrees in the classical procedures, highly recommends this processes as an optimal solution from technicaland economical point of view.Weld samples achieved by Laser–Arc Hybrid process are presented and discussed in the second part of the paper. Also, Laser–Arc Hybridsystem con iguration and technical-economic comparison with other conventional welding processes is highlighted in the inal part ofthe study.

Cuvinte cheie: LaserHibrid, sudare hibrid ă Laser-MAG, productivitate, conducte magistrale.

Keywords: Laser-Arc Hybrid welding, Laser-MAG Hybridwelding, productivity, pipelines.

4 SUDURA, XXII - 4/2012


2/14

2.Procedeele actuale de sudareautomatizată a conductelor În ultima jumătate de secol, s-au dezvoltat atât noi procedeede sudare multiarc sub strat de lux, utilizate la fabricareaefectivă a țevilor sudate de mari dimensiuni, existând astăzivariante de sudare chiar și cu șase sârme, cât și sistememecanizate de sudare orbitală cap la cap a tronsoanelor de

țeavă, în vederea fabricării conductelor. Evoluția în timp asistemelor de sudare orbitală are ca principale repere [1,2]:Pentru sudarea rădăcinii:

1970 – sistem de sudare pentru interior cu trei, patru saucinci capete de sudare cu funcționare simultană1980 – sistem pentru sudarea rădăcinii din exterior, cu inelinterior și patină de cupru;1990 – sistem pentru sudarea rădăcinii fără suport, folosindsudare MAG DIP transfer.În cazul sudarii țevilor cu diametru mic, utilizarea sisteme-lor de sudare interne este imposibilă, utilizându-se în acestasituație metode de sudare dintr-o singură parte, din exterior

către interior. Dezvoltarea surselor de sudare moderne, lacare se controlează digital transferului picăturilor de metal,a permis sudarea exterioară, dintr-o singura parte, fără a maii necesară susținerea rădăcinii, cu patina de cupru la interior.Pentru sudarea straturilor de umplere:

1960 - introducerea unui cap de sudare pentru rost îngust;1990 - utilizarea a două capete de sudare cu câte o singurasârmă;2000 - utilizarea procedeului TANDEM;2004 - utilizarea procedeului DUAL TANDEM (sistem CAPS -Cranield automated pipe welding system)2007 - trecerea la controlul automat al poziției capului desudare cu achiziția computerizată a parametrilor regimuluide sudare.În prezent, conductele terestre sau maritime folosesc în pro-cesul de fabricație, la îmbinarea tronsoanelor, sudarea prin

procedeul mecanizat MAG, cu una sau mai multe treceri înfuncție de grosimea peretelui conductei[4]. Într-o încer-care de a controla costul ridicat al construcției conductei șide a spori siguranța în exploatare prin punerea în aplicare

a unor tehnologii inovatoare, producătorii au urmărit o se-rie de tehnologii de sudare de ultimă generație, utilizândoțeluri de înaltă rezistență, sudarea automată multiarc-arc/multi-sârmă, sisteme de inspecție cu ultrasunete, sisteme

2.Modern automatic welding processesused in pipeline weldingDuring the last half of the century, there have been deve-loped new submerged arc welding processes employingmultiple arcs, especially used in the effective fabrication oflarge welded pipes - existing nowadays up to 6 electrodewire variants of the process - as well as a wide range of mo-

dern automatic systems for pipe sections orbital butt weld-ing. The development of the orbital welding systems overthe last decades is based on the following benchmarks [1, 2]:For root welding:

1970 – inside root welding system with three, four or ivewelding heads, simultaneously operated;1980 – outside root welding system, provided with innerring and copper shoe;1990 – system for root welding without support, using MAGDIP transfer welding.The use of the internal welding systems proves impossiblewhen welding small diameter pipes and in this case there

will be used side lap welds, from outside to inside. The de-velopment of the modern welding systems with accuratecontrol of the digital transfer of metal drops allowed theexternal one-sided welding, without requiring the root facesupport provided by the inner copper shoe.For welding the illing layers:

1960 - insertion of a weld head for narrow grooves;1990 - use of two weld heads, each with a single wire;2000 - operation of the TANDEM process;2004 - employment of the DUAL TANDEM process (CAPSsystem- Cranield automated pipe welding system)2007 - automatic control of the position of the weld head bymeans of the computerized acquisition of characteristic pa-rameters for the welding conditions.Presently, the manufacturing the offshore and onshore pipe-lines, especially when coupling different pipeline sections,

requires the powered MAG welding pro-cess with one or more passages, depen-ding on the thickness of the pipe wall [4].Striving to control the high costs incurredin fabrication of pipelines and to increasethe maintainability and dependabilityof pipelines by implementing innovativetechnologies, the manufacturers have fo-cused on several state-of-art welding tech-

nologies, using steels with higher strength,multi-arc / multi-wire automatic welding,ultrasound inspection systems, modernpainting systems and product integrityvalidation processes. Therefore the costincurred in manufacturing a single pipe-line stands for almost a half of the overallcosts of the entire project where the costs

afferent to the welding processes hold the irst position [1,3]. In order to considerably reduce such costs, there havebeen developed new highly productive (sub-) processes,such as: CM, CMT, CMT-pulse, STT, TIME, FastROOT SHORT-

ARC++, ColdWeld or LINFAST used for back welding andSUPERPULS, RAPID ARC, RAPID MELT, TWIN, TANDEM forwelding the ill layers [4]. Figure 1 shows how to place theweld heads for orbital welding through the TANDEM dual

Figura 1. Dispozi ţ ia capetelor de sudare şi macrostructura unei îmbinări sudate procedeul dual TANDEM utilizând sistemul CAPS [1,2] Figure 1. Placement of the weld heads and the macrostructure of a joint weldedthrough the TANDEM dual process using the CAPS system [1,2]

5SUDURA, XXII - 4/2012


3/14

avansate de vopsire și procese de validare a integrității pro-dusului. Costul de construcție pentru o conductă reprezintăaproximativ jumătate din costul total ale unui proiect deacest tip, iar costurile reprezentate de procesele de sudaredetin ponderea majoră a acestora [1,3]. Pentru a le reduce,au fost dezvoltate noile (sub) procedee, de mare produc-tivitate cum ar i: CM, CMT, CMT-puls, STT, TIME, FastROOTSHORT-ARC++, LINFAST, utilizate la sudarea rădăcinii și SU-PERPULS, RAPID ARC, RAPID MELT, TWIN, TANDEM pentrusudarea straturilor de umplere [4]. În igura 1 se prezintămodalitatea de dispunere capetelor la sudarea orbitală prin

procedeul dual TANDEM utilizând sistemul CAPS cât și ma-crostructura îmbinării sudate pentru țeavă din X100 cu gro-simea de 14,9 mm [1, 2].

3.Sudarea prin procedeul Laser HibridDupă aparitia LASER-WIG, în anul 1970, au apărut noi va-riante bazate pe alte combinații, ca de exemplu LASER-MIG, LASER-MAG, PLASMA-LASER, LASER-MIG+pulberi).

Există numeroase cercetări care vizează extinderea utilizării

acestora în multe domenii industriale: auto, navală şipetrochimică (mai ales la fabricarea conductelor pentrutransportul petrolului și a gazelor naturale). Extindereaaplicabilității sudării hibride se datorează avantajelor pe care

process using the CAPS system and the macrostructure of thewelded joint for X100 pipes with thickness of 14,9mm [1,2].

3.Laser Hybrid Welding ProcessDuring the seventies, after the creation of LASER-WIG, newvariations based on other combinations, such as LASER-MIG,LASER-MAG, LASER-WIG, PLASMA-LASER, LASER-MIG+powders) have been developed. Numerous researches aim-ing to expand the use of these variations to other industrialields, such as the automotive industry, the naval industryand the petrochemical industry (fabrication of oil and gastransportation pipelines) have been also conducted andpublished. The wide range of application of hybrid weldingis particularly owed to large number of its advantages: it pro-vides higher productivity, proper formation of the joint root,less iller materials, reduced laws, possibility to join thickermaterials using a single pass welding, slower cooling ratesresulting thus a relatively reduced toughness. During thewelding process, the linear energy fed to the components is

signiicantly diminished and this factleads to the reduction of distortions.The use of iller materials, comparedto the laser welding process, allows

the implementation of the joiningproperties due to the microalloying inthe molten metal pool. The amount oftoxic emissions and smoke releasedduring the welding process are signii-cantly reduced [1, 3, 5, 6].3.1. Principle of hybrid welding pro-

cess (LHM)

Figure 2 displays the principle ofthe laser-arc hybrid welding process(LHM) while igures 3a, 3b highlight

a single aspect of the welding process, namely the joint ma-

crostructure. In this case, the laser head is perpendicular tothe plates’ area allowing thus a higher penetration. There-fore, the arc weld head should be inclined to the vertical axis[1,15]. The angles of inclination of the two heads as well as

Figura 4. Macrostructura îmbinării sudate prin procedeele LHM, laser şi cu arcelectric [1] Figure 4. Macrostructure of the joint welded by LHM, laser and electric arcwelding processes [1]


Figura 3. Proces sudare LHM [13]

Figure 3. LHM welding process [13]

Figura 2. Schema procesului de sudare hibrid ă [15] Figure 2. The principle of the laser-arc hybrid

welding process [15]


4/14


Tabel 1. Comparaţ ia proceselor de sudare cu arc, cu laser şi hibrid [10]Table 1. Comparison between the arc welding, laser welding and hybrid welding processes [10]


5/14

their relative positionrepresent the main pro-cess parameters, beingthus selected dependingon the thickness and typeof the material and thegroove’s architecture.

Both weld zones gene-rated by every individualwelding process can bedistinguished. In theupper part, there canbe seen the weld areaachieved by the electricarc, characterized by alarger width and morereduced penetrationcompared to the lowerpart of the weld, i.e. theroot layer area, gene-rated by the laser wel-ding process and whichis characterized by a na-rrower width and a high-er penetration [13]. Thetypical parameters of thewelding process used forachieving the welded jointpresented by igure 3 areas follows:- root gaping… 0,3-0,9mm;

- root distance of over4mm;

- welding speed: 0,8 m/min.3.2. Comparisons between the LHM laser hybrid welding

process toward the laser welding and electric arc welding

processes

Comparing the geometry of the welding seams, by assessingthe macrostructures, using different welding processes, wemay note signiicant differences of the welding seam proiles(Figure 4) [1].Table 1 highlights the comparison between the features ofthe electric arc welding, laser welding and laser hybrid welding

processes [10]. These results are extremely important whenperforming welded joints of heavy materials and thick plates.The beneits of the laser hybrid welding process mainlyderive from the physical interaction between the two heatsources inserted to the components to be welded. The cha-racteristics of the system are described below [7], [10]:- Nd-Yag laser – power: 4 kW and focal spot: 0,6 mm;- MAG welding source: 400 A;- Different shielding gases: pure Ar, ARCAL 21 (92% Ar, 8%CO2);- Monitoring system provided with high-speed shooting digi-tal camera.The diagram presented by igure 5 describes the aspects to

be considered when using the LaserHybrid process. [10]. Thetable 2 below highlights the effects of the signiicant pro-cess parameters on the geometry of the joint [9]. The LHM

acesta le oferă: produc-tivitate mare, forma-rea corectă a rădăciniiîmbinării, consum redusde materiale de adaos, de-fecte reduse, posibilităţide sudare dintr-o singură

trecere a materialelor cugrosime mare, viteze derăcire mici rezultând oduritate relativ redusă.În timpul sudării, energialiniară introdusă în pieseeste mai redusă, avândca rezultat micșorareadeformațiilor. Utiliza-rea materialelor deadaos, față de procedeulde sudare laser clasicpermite îmbunătățireaproprietăților îmbinăriiprin efectuarea unor mi-croalieri în baia de metaltopit. De asemenea, can-titatea de emisii toxice,fum etc eliberate în tim-pul procesului de sudareeste mai redusă [1,3,5,6].3.1.Principiul procedeu-

lui de sudare hibrid ă

(LHM)

În igura 2 este prezentat

principiul procesului desudare hibridă laser-arc(LHM), iar în igurile 3a, 3b un aspect din timpul sudării,respectiv macrostructura unei îmbinări. În acest caz, capullaser este perpendicular pe suprafaţa tablelor, fapt care per-mite obţinerea unei pătrunderi ridicate. S-a constatat însă cărezultate mai bune oferă varianta la care capul de sudare cuarc este înclinat faţă de verticală [1,15].Unghiurile de înclinare ale celor două capete, cât şi poziţiarelativă a acestora reprezintă parametri importanţi ai proce-sului şi se aleg în corespondenţă cu grosimea şi tipul mate-rialului, precum şi cu arhitectura rostului.

Se pot observa cele două zone formate în sudură de iecareproces de sudare separat. În partea superioară se observăzona din sudură realizată de arcul electric caracterizată de olățime mare și o pătrundere redusă în comparație cu parteainferioară a sudurii, zona stratului de rădăcina, realizată prinprocesul de sudare cu laser, zonă caracterizată de o lățimemică și pătrundere mare [13]. Parametrii procesului de su-dare utilizați pentru realizarea îmbinării sudate prezentateîn igura 3 sunt:- interstițiul la rădăcină (luft)… 0,3-0,9 mm;- distanţa la rădăcină de circa 4 mm;- viteza de sudare: 0,8 m/min.3.2. Compara ţ ii ale sud ării hibride LHM cu procesele laser

şi arc electric Comparând geometria cordoanelor formate, prin analizamacrostructurilor, utilizând diferite procese de sudare, se

Figura 5. Parametrii procesului de sudare hibrid ă laser-arc, după [10] Figure 5.

Diagram of the process parameters when using the laser-arc hybrid welding [10]



6/14


welding process is highly sensitive to any changes of the weld-ing speed as well as to the relative position of the weld headsand the distance between the weld heads etc. (Figure 6).[1,2,5,9].

The pipes orbital welding has been covered by several stud-ies focused on inding the optimum arrangement of the laser-arc weld heads and the angle of inclination to the verticalaxis. When executing the circular welding seam, the relative

observă diferenţe semniicative ale proilului acestora ( igura4) [1].În tabelul 1 este prezentată comparația între caracteristi-cile sudării cu arc electric, laser și laser hibrid [10]. Acesterezultate sunt foarte importante atunci când se realizează

îmbinări sudate din materiale cu dimensiuni mari și table groase.Beneiciile procesului de sudare laser hibrid rezultă, în prin-cipal, din interacțiunea izică a celor două surse de căldurăintroduse în piesele de sudat. Caracteristicile sistemuluisunt următoarele [7], [10]:- Laser Nd-Yag cu puterea de 4 kW și spot focal de 0,6 mm;

- Sursă de sudare MAG 400 A;- Diferite gaze de protecție: Ar pur, ARCAL 21 (92% Ar, 8% CO2);

- Sistem de monitorizare cu camera digitală cu viteză marede ilmare.

Tabelul 2. Efectele parametrilor de proces asupra geometriei sudurii la sudarea LaserHibridTable 2. Effects of the process parameters on the geometry of joint when using the Laser Hybrid welding process

Figura 6. Modi fi carea distantei de separare a celor două pro-cese (surse de c ăldur ă )Figura 6. Change of the separation distance between thesetwo welding processes (heating sources)

1.Flanşă de ixare pe robot;2.Cuplarea optică a ghidului deundă;3.Fasciculului laser;4.Perdea de aer (jet încrucişat)pentru protecţia lentilelor;5.Axa cu servomotor integrat;6.Dispozitiv de avans sârmă;7.Cap de sudare cu arc electric;

8.Cablu alimentare la sursă desudare cu arc electric;9.Cuplă controler robot desudare.Sistemul din igura al ăturat ă a fost dezvoltat la inele ultimuluideceniu de către unul dintreliderii europeni ai sud ării ro-botizate împreună cu SLV Halle.

Figura 7. Componentele capului pentru sudarea hibrid ă robotizat ă LHM [13] Figure 7. Components of the weld head in LHM robotizedhybrid welding process [13]


7/14

position between the weld heads may be changed (ex: de-pending on the change of the laser head inclination, andthe welding position de) in order to have a proper controlon proper welding formation and to avoid the low of themolten metal bath. Table 3 deines the usual arrangementvariants of the weld heads [5].Figure 7 shows the components of the LHM robotized hy-brid weld head in the variant that allows a separate laserhead from the electric arc weld head [13].Figure 8 shows the LHM embedded compact weld headsmanufactured by different manufacturers especially for therobotized welding. As you can see, that there are several struc-tural variants for the weld heads designed to support stan-dard hybrid welding and also several variants for the opera-

tion under intensive conditions [12].

4. Pipeline LHM weldingThe LaserHybrid welding with one or two arcs and a la-ser head (Laser-Arc or Laser Tandem), sharing a commonmolten metal bath, is one of the most productive processesused for welding of pipelines [1]. This new process allowsthe illing of the groove by one or more passages, eliminatingseveral phases of the welding process and reducing thus thefabrication costs.

The hybrid welding processes are also more and more attrac-tive for the industrial ield due to the beneits derived from thecombination of the two processes. So, the high welding speedsand the deep penetration of the laser welding combine with

Figura 9. Controlul curgerii gazelor la sudarea orbital ă aţ evilor prin procedeul LHM [3] Figura 9. Control of the gas fl ows when performing the or-bital welding of pipelines using the LHM welding process [3]


În schema din igura 5 sunt prezentate aspectele de care tre-buie ținut cont atunci când se utilizează procedeul LaserHi-brid. [10]. În tabelul 2 sunt prezentate efectele parametrilorde proces semniicativi asupra geometriei îmbinării [9]. Pro-cesul de sudare LHM este extrem de sensibil la modiicarea

atât a vitezei de sudare, cât și a poziţiei relative ale capetelor

de sudare, a distanţei dintre capete etc. ( igura 6). [1,2,5,9].La sudarea orbitală a ţevilor există studii care tratează mo-dalitatea optimă de dispunere a capetelor de sudare laser-arc şi a unghiului de inclinare faţă de verticală. Pe parcursulrealizării cordonului circular poziţia relativă între capetepoate i modiicată (ex: prin modiicarea înclinării capuluilaser, în funcţie de poziţia de sudare) astfel încât să se con-troleze formarea corectă a sudurii şi evitarea curgerii băii demetal topit. În tabelul 3 sunt prezentate variantele uzualede dispunere a capetelor de sudare [5].În igura 7 sunt ilustrate componentele capului de sudareMSG hibrid robotizat LHM în varianta constructivă separatăa capului laser faţă de capul de sudare cu arc electric [13].În igura 8 sunt prezentate capete integrate compacte de sudareLHM realizate de diferiţi producători, destinate cu precăderesudării robotizate. Se remarcă faptul că existe variante constructive

Tabel 3. Modalit ăţ i de dispunere relativ ă a fasciculului laser fata de arcul electric MAG [5] Table 3. Relative positions of the laser beam compared to the electric arc MAG [5]

Figura 8. Variante arhitecturale de capete de sudare hibrid ă robotizat ă LHM Figura 8. Architectural variants of LHM robotized hybrid weldheads


8/14


the beneits provided by the electric arc welding, i.e. highertolerances, control of the iller material that has been addedand better mechanical proprieties. The existing combina-tions of the CO2 laser welding, plasma welding, WIG or MAGhave been already used for achieving qualitative structuresunder higher welding speed conditions. Moreover, the post-welding processing, which is basically a manual operation,has been considerably reduced.4.1. Particularities of the equipments used for orbital

welding of pipelines

The equipments used for the orbital welding of pipelinesare characterized by several particularities, on the one handcaused by the orbital movement of the weld heads, the chan-ges in the relative position of the laser head depending onthe position of the system around the pipe and, on the other

hand, prescribed by the need for more accurate processingof the groove edges in pipelines. Another issue is linked tothe need for a customized system designed to protect the op-tic system of the laser head. This is required because, due tothe relative movement between the system and the welded

pipe, the protective jet used in stationary variants may bedistorted, damaging thus the laser optics (Figure 9) [3]. Atthe same time, the transportation system of the laser headsand MIG should be provided with customized additional

axes designed to allow the proper and real-time position-ing of the weld heads. Due to the possibility of lowing of themolten metal bath at high welding speeds, the coniguration

pentru capete destinate sudării hibride standard, dar şi variante

pentru exploatare în condiţii intense [12].

4. Sudarea LHM a conductelor Sudarea laser-hibrid, cu unul sau două arce şi un cap laser(Laser-Arc sau Laser Tandem), acţionând în baie comună,este una din cele mai productive procedee utilizate la su-darea conductelor [1].Acest nou proces dă posibilitatea umplerii rostului în una saudouă treceri eliminând mai multe etape din procesul de su-dare şi reducându-se astfel costurile de fabricaţie.Procesele de sudare hibride sunt, de asemenea, din ceîn ce mai atractive pentru extinderea în domeniul indus-

trial datorită beneiciilor obţinute din combinarea ce-lor două procese. Este de dorit ca vitezele mare de su-dare și pătrunderea mare a sudurii laser să ie combinatăcu beneiciile aduse de sudarea cu arc electric, res-pectiv toleranţe mari, controlul materialului de adaos intro-dus şi proprietăţi mecanice bune.Combinațiile existente ale sudării cu laser CO2, su-darea cu plasmă, WIG sau MAG au fost deja utilizate înpractică, în vederea obţinerii unor suduri de calitate încondiţiile unor viteze de sudare ridicate. În plus, prelu-crarea ulterioară sudării, în mod normal o operațiunemanuală, este mult mai redusă.

4.1.Particularit ăţ i ale instala ţ iei în cazul sud ăriiorbitale a conductelor

Instalaţiile utilizate în cazul sudării orbitale a con-ductelor prezintă anumite particularități pe de-oparte, datorită mișcării orbitale a capetelor de sudare,a modiicării poziției relative a capului laser în funcțiede poziția sistemului în jurul țevii, iar pe de alta, im-puse de necesitatea existentei unor prelucrări maiîngrijite a marginilor rostului țevilor. O altă problemăeste legată de necesitatea existentei unui sistem dedicat,care să asigure protecția sistemului optic al capului laser.Acest lucru este necesar deoarece existând mișcare relativăîntre sistem și țeava sudată se perturbă jetul de protecție utili-

zat la variantele staționare, deteriorându-se optica laserului( igura 9) [3]. Totodată, sistemul de transport al capetelor la-ser și MIG, trebuie prevăzut cu axe suplimentare comandate,

Figura 10. Realizarea mecanic ă a gradelor de libertate pentruschimbarea amenajarea de laser şi arc în serie [5]Figure 10. Mechanical redesign of degrees of freedom for serialarranging of the laser head and the arc welding head [5]

Figura 11. Cap de sudare cu echipamente de sudare hibridtrecere r ăd ăcină şi tor ţă cu arc pentru trecere de umpleresudare [5] Figure 11. Hybrid welding head for the seam root pass andarc welding head for the seam fi lling pass [5]

Figura 12. Sudarea orbital ă aconductelor utilizând procedeulLHM [5].Figure 12. Circular welding of pipes using LHM process [5].

Figura 13. Material X80 cugrosimea de 15mm v s = 3m/[11] Figure 13. Material X80 with15mm vs= 3m/ thickness [11]


9/14


of the hybrid system may be changed, for example, by usinga new separate MIG head or a laser head depending on thematerial, the thickness, the pipe diameter and the weldingspeed [3].Further on, we attempted to provide a brief description ofthe equipment designed to execute the orbital welding of

pipelines using the LHM welding process. The system sup-porting the weld heads assembly has been additionallystrengthened, being provided with a certain number of con-trol axes for the proper adjustment of height. The equipmentallows different positions of the laser beam to the MAG arc,as it has been shown by table 3, in order to complete theserial transfer. The welding head has been provided with ad-ditional freedom degrees (Figure 10) [5].For welding the pipelines, there have been used two laser

sources of different powers, depending on the thickness ofthe plates (for the 6mm plates there has been used a 4,5kWpower laser beam (Figure 11), while for the 10mm platesthe laser power attained 10kW ) [5]. The welding has been

care să permită poziționarea corectă în timp real a capetelor.Datorită posibilității curgerii băii de metal topit, la vitezemari de lucru, conigurația sistemului hibrid poate să suferemodiicări în sensul utilizării separate a încă unui cap MIGsau unul laser în funcție de material, grosime, diametrul țeviiși viteza de sudare [3].

În continuare este prezentată succint o instalație destinatăsudării orbitale a conductelor prin procedeul LHM. Sistemulde susținere a ansamblului capetelor de sudare este rigidi-zat suplimentar și este prevăzut cu un număr de axe de con-trol pentru reglarea corectă a înălțimii. Instalația permitediferite poziționări ale fasciculului laser față de arcului MAGașa cum sunt prezentate în tabelul 3, în vederea realizăriitransferul serial. Capul de sudare a fost echipat cu grade de liber-tate suplimentare ( igura 10). [5]

În vederea sudării țevilor s-au folosit două surse laser dediferite puteri utilizate în funcție de grosimea tablelor (la

table cu grosime de 6 mm, de 4,5kW ( igura 11), iar la celede 10 mm s-a utilizat un laser mobil cu puterea de 10kW[5]. Sudarea a fost efectuată pe tronsoane de până la 6 m. Înacest caz, au rezultat toleranțe mai mari față de o conductă

Tabelul 4. Parametrii regimului de sudare a oţ elului X70, grosimea =14mm [7].Table 4. Parameters of welding the X70 steel pipelines with thickness of 14mm [7].

Figura 14. Macrostructura îmbinării sudate cu rost în V şiunghi α =450, cu înăl ţ imea r ăd ăcinii rostului de 6mm [7].Figure 14. Macrostructure of V-beveling with binder with thefollowing angle of inclination of α =450 and height of the rootgroove of 6mm [7].

Figura 15. Macrostructura îmbinării sudate cu rost în Vşi unghi α =450, cu înăl ţ imea r ăd ăcinii rostului de 8mm –sârmă plină [7].Figure 15. Macrostructure of V-beveling with binder withthe following angle of inclination of α =450 and height of theroot groove of 8mm – cored wire [7].


10/14

made on pipe sections up to 6m length. In this case, we ob-served higher tolerances than those entered for a pipeline withgauged ends, especially in respect to the quality and misalign-ment of edges. Figure 5 shows the welding equipment [5].Another application related to the LHM welding of X80hotel pipes of 15mm thickness, against a welding speedvs= 3m/min, using a 15kW laser, performed by the “Laser

Technology Center” from Sankt-Petersburg is highlighted byFigure 13 [11]4.2 Current results when welding the steel LaserHibrid

for pipelines X70

In the complex manufacturing processes of pipelines, steelswith higher strength and toughness at low temperatures arerequired. Hereinafter we present the recent outcomes whenapplying the LaserHybrid welding for X70 steel pipeline of 14mm thickness, using the parameters described by Table 4 andachieving the welds described by igure 14, 15, 16, [7].

5.Experimental determinations for LHM

welding of plates with different thicknesesFigure 17a presents a unilateral butt welded joint of GLD36 steel, used in naval constructions, applying the Laser-

Hybrid welding process on 3mm thickness plates. The laserpower was 3kW and the welding speed obtained, vs = 2 m/min. Figure 17b presents a butt welded joint of the same

type of steel on 5mm thickness plates. In this case, the laserpower was of 3,2 kW and the welding speed obtained wasvs = 1,7 m/min. Figures 17c and 17d present a butt weldedjoint of HSLA65 naval steel alloy with higher strength, using

cu capete calibrate, în special în ceea ce privește calitatea șinealinierea marginilor. În igura 12 este prezentată instalațiade sudare [5].O altă aplicație la sudarea LHM a țevilor din hotel X80 cu gro-

simea de 15mm cu o viteza de sudare vs= 3 m/min utilizând unlaser cu o putere de 15KW realizată la

”Centrul tehnologiilor la-

ser” din Sankt-Petesburg este prezentată în igura 13. [11]

4.2 Rezultate actuale la sudarea LaserHibrid a o ţ elului

pentru conducte X70

În procesul complex de fabricație al conductelor magistrale

de gaze naturale se utilizează, în ultima perioadă, oţeluri curezistenţă mecanică foarte mare şi reziliența foarte bună latemperaturi scăzute. În continuare sunt prezentate rezultate

Figura 16. Macrostructura îmbinării sudate cu rost în V şiunghi α =450,cu înăl ţ imea r ăd ăcinii rostului de 8mm – sârmă tubular ă [7].Figure 16. Macrostructure of V-beveling with binder with thefollowing angle of inclination of α =450 and height of the rootgroove of 8mm – cored wire [7].

Figura 17. Îmbinări sudate LHM a tablelor din oţ el naval cu diferite grosimiFigure 17. LHM welded joints of naval steel plates having different thicknesses



11/14

actuale la sudarea LaserHibrid a oţelului pentru conducteX70 cu grosimea de 14 mm, utilizând parametrii descrişi întabelul 4 se obțin sudurile prezentate în ig.14, 15, 16, [7].

5.Determinări experimentale la sudarea

LHM a tablelor cu diferite grosimiÎn igura 17a este prezentată o îmbinare sudată unilateral,cap la cap din oţel GL D36 utilizat în construcţii navale, prinprocedeul Laser Hibrid (LH), pe table cu grosimea de 3 mm.Puterea laserului este de 3kW iar viteza de sudare aplicatăde vs = 2 m/min. În igura 17 b este prezentată o îmbinaresudată cap la cap din acelaşi tip de oţel pe table cu grosimeade 5 mm. Puterea laserului în acest caz a fost de 3,2 kW iarviteza de sudare aplicată de vs = 1,7 m/min. În igura 17c și17d este prezentată o îmbinare sudată cap la cap din oţelnaval slab aliat de înaltă rezistenţă HSLA65 prin procedeulLH cu o putere a laserului de 10kW şi o viteză de sudare de3,5 mm în cazul c sudare unilaterală şi d bilaterală. În igura

17e se prezintă îmbinarea LH unilaterală cap la cap cu gro-simea componentelor de 9 mm, din oţel naval GL A, cu o putere alaserului de 10kW, viteză de sudare de vs = 2 m/min, focalizare+3mm şi o energie liniară de 7 kJ/cm în timp ce în igura 17f

se prezintă o îmbinare cap la cap LH din oţel naval D36 cugrosimea componentelor de 8mm, puterea laserului de3,2kW, viteza de sudare de vs = 2 m/min, focalizare +3mm,unghi de 7° şi o energie liniară de 6,5 kJ/cm.În igura 18a și 18b sunt prezentate macrostructurile pro-belor sudate realizate prin procedeul MAG și LHM, îmbinărileiind realizate pe table poziţionate cap la cap cu grosimea de8 mm, prelucrate cu rost în V cu distanţa la rădăcină de 2 mmşi unghiul de 50° şi o lungime a sudurii de 1m. Sudarea s-a

the LH welding process with a laser power of 10kW and awelding speed of 3,5m/min – for c) – unilateral weld and ford) – bilateral weld. Figure 17e shows the LH unilateral buttwelding of 9 mm components, using GLA naval steel, laserpower of 10kW, welding speed of vs = 2 m/min, focal pointof +3mm and linear energy of 7kJ/cm. Figure 17f identiied

a LH D36 naval steel but welding with the thickness of ele-ments of 8mm, laser power of 3,2kW, welding speed of 2m/min, focal point of +3mm, angle of inclination of 7° and linearenergy of 6,5kJ/cm.Figures 18a and 18b illustrate the macrostructures of thewelded probes achieved using the MAG and LHM processes,the joints being butt welded on 8mm thickness plates, pro-vided with V groves having the distance to the root of 2mm,the angle of inclination of 500 and the length of weld 1000mm. The welding was done in three passes, using as an elec-trode wire of 1,2mm diameter as iller material; the weldingtime which characterizes these operations is 498s / linearmeter of weld.Figure 19 shows the macrostructure of welded probe bymeans of the LH single pass welding process, processed inY-groove with distance to the root of 2mm and an angle of60°. In this case, the welding time is 75s per welding linear

meter. A special feature of this LHMwelding process consists in the factthat the inclination of weld head axisis reduced, typically to 12°, com-pared to 45° - 60° as it is commonlypracticed. This fact allows a deeperpenetration in the illing layers, con-siderably reducing the chamfering

costs.Figure 21 describes the macrostruc-ture of the welded probed achievedby using the LHM welding process;the joint is butt welded on copperplates using the welding wire typeG3Si1 with a diameter of 1,2 mm as

iller material and a mix of 92%Ar and 8%CO2 as shield gas. The process parameters that have been introduced are asfollows:- Laser power: 10kW;- Wire feed speed: 9 m/min;

- Welding speed: 2 m/min.Figure 21 a and b it present the macrostructures of weldedprobes executed by means of MAG and LHM welding pro-cesses; the joints are butt welded on ALMgSi0,7 aluminum

Figura 18. Macrostructurile probelor sudate prin procedeele MAG şi LHMFigure 18. Macrostructures of welding probes using both MAG and LH welding processes

Figura 19. Macrostructura probelorsudate prin procedeul LHM Figure 19. Macrostructure of welded probe by means of the LH single pass welding process

Figura 20. Macrostructura unei probeisudate din cupru prin procedeul LHM Figure 20. Macrostructure of thewelded testpiece made of copper byLHM process



12/14

realizat prin trei treceri, folosind ca material deadaos sârmă cu diametrul de 1,2 mm, cu timpulde sudare de 498s pe metru liniar de sudură.În igura 19 este prezentată macrostructuraunei probei sudate realizate prin procedeulLHM cu o singură trecere, prelucrate cu rost înY cu distanţa la rădăcină de 2 mm şi unghiul de

60°. Timpul de sudare în acest caz este 75s pemetru liniar de sudură. O particularitate a pro-cedeului constă în faptul că la sudarea LHM în-clinarea axei capului de sudare poate sa ie maimică, tipic de 12°, în comparație cu 45°-60° câtse practică în mod obișnuit, fapt care permitecreșterea pătrunderii la îmbinările de colţ și re-duce apreciabil costurile de șanfrenare.În igura 21 este prezentată macrostructura probei sudate re-alizate prin procedeul LHM, îmbinarea iind realizată pe tabledin cupru poziţionate cap la cap, utilizând materialul de adaossârmă placată cu cupru tip G3Si1 cu diametrul de 1,2 mm șigazul de protecție cu 92%Ar și 8%CO2.Parametrii de proces introduși sunt:- Puterea laserului: 10kW;- Viteza de avans: 9 m/min;- Viteza de sudare: 2 m/min.În igura 21 a și b sunt prezentate macrostruc-turile probelor sudate realizate prin procedeulMAG și LHM, îmbinările iind realizate pe tabledin aliaj de aluminiu ALMgSi0,7 poziţionate capla cap cu grosimea de 5 mm, cu rost în I. În cazulîmbinării sudate realizate prin procedeul MAG(Figura 21a) s-a utilizat sârmă electrod cu dia-metrul de 1,6 mm cu o viteză de sudare de 0,7 m/

min. În cazul îmbinării sudate realizate prin pro-cedeul LHM (Figura 21b) s-a utilizat sârmă elec-trod cu diametrul de 1,6 mm cu o viteză de sudarede 1,8 m/min.În igura 22a și 22b sunt prezentate macrostructurile pro-belor sudate realizate prin procedeul MAG și LHM, îmbinărilesudate de colț în T iind realizate pe table din oțel slab aliatpentru structuri S355J2G3:EN10025, poziţionate cap la capcu grosimea de 8mm. În cazul îmbinării sudate realizate prinprocedeul MAG (Figura 22a) s-a utilizat sârmă electrod cudiametrul de 1,6mm cu o viteză de sudare de 0,24 m/min iarîn cazul îmbinării sudate

realizate prin procedeulLHM (Figura 22b) s-autilizat sârmă electrod cudiametrul de 1,2mm, iarviteza de sudare a fost de1,0 m/min.În igura 23 se prezintărezultatul sudării şi oprobă (pregătită pentruanaliza macrostructurii)din îmbinare, a unei con-ducte sudate prin proce-deul LHM având diametrul exterior de 18“.

Pentru sudarea orbitală din două părți trebuie aleșicorespunzător parametrii regimului de sudare, în mod spe-cial, valorile curentului de sudare, care mărime se modiică în

alloy plates with thickness of 5mm, and I groove. In the caseof the welded joints achieved using the MAG welding pro-cess (Figure 21a) there has been used a 1,6mm diameterelectrode wire, with permits a welding speed of 0,7 m/min.As for the welded joints achieved by using the LHM weldingprocess (Figure 21b) there has been used a 1,6mm diameter

electrode wire with a welding speed of 1,8 m/min.Figures 22a and 22b show the macrostructures of weldedprobes achieved using the MAG and LHM welding processes.In this case, the T illet joints are achieved on butt-positionedsteel alloy plates of 8mm thickness used for S355J2G3:EN10025 structures. For the welded joints achieved usingthe MAG welding process (Figure 22a), a 1,6mm electrodewire has been used permitting a welding speed of 0,24m/

min and for the welded

joints achieved using theLHM welding process(Figure 22b), a 1,2 dia-meter electrode wire hasbeen used at a weldingspeed of 1,0m/min.Figure 23 highlights thewelding aspects and awelding probe (preparedfor the analysis of themacrostructure) of a 18”external diameter pipeline

welded using the LHM welding procedure.

For two-sided orbital welding, both the parameters afferentto the welding conditions and the values of the welding cur-rent shall be properly selected, due to the values of the letter

Figura 21. Macrostructurile probelor sudate din ALMgSi0,7 prin procedeeleMAG şi LHM Figure 21. Macrostructures of welded probes of ALMgSi0,7 using the MAGand LHM welding processes

Figura 22. Macrostructurile probelor sudate din S355J2G3 prin procedeeleMAG

şi LHM

Figure 22. Macrostructures of welded probes of S355J2G3 using the MAGand LHM welding processes

Figura 23. Aspectul unei conducte sudate prin procedeul LHMFigure 23. Appearance of a welded pipeline using the LHM welding process



13/14

funcție de poziția capetelor de sudare față de axa verticală ațevii sudate. În igurile 24 și 25 sunt prezentate diagramele devariaţie optimă a valorii curentului Is la sudarea interioară șiexterioară a corpurilor de rotaţie, pe baza cărora se pot pro-grama parametrii regimurilor de sudare, la sudarea orbitală

a conductelor.

6.ConcluziiUtilizarea procedeului de sudare LHM la fabricarea con-ductelor pentru transportul petrolului și a gazelor naturalereprezintă o soluție viabilă care satisface toate cerințele decalitate și productivitate, chiar și pentru oțeluri de înaltărezistență. Acest lucru se datorează avantajelor care acestale oferă: productivitate mare, formarea corectă a rădăciniiîmbinării, consum redus de materiale de adaos, defectereduse, posibilităţi de sudare dintr-o singură trecere amaterialelor cu grosime mare, viteze de răcire mici, re-

zultând o duritate relativ redusă. În timpul sudării, energialiniară introdusă în piese este mai redusă având ca rezultatmicșorarea deformațiilor. Comparativ cu procedeul de sudarelaser, utilizarea unor materiale de adaos permite umplereacorectă a rostului și îmbunătățirea proprietăților îmbinăriiprin rezultarea unor microalieri în baia de metal topit.

BIBLIOGRAFIE

depend on the position of the weld heads compared to thevertical axis of the welded pipe. Figures 24 and 25 show thediagrams of optimum Is current value variation for inside andoutside welding of rotary bodies, based on which the weldingparameters can be programmed to the orbital pipe welding.

6.ConclusionsThe use of the LaserHybrid (LHM) welding process whenmanufacturing pipelines for the transportation of oil andnatural gas represents a viable solution which satisies allquality and productivity requirements, even for steels withhigher strength. This fact is due to the advantages renderedby the LHM welding process, such as: higher productivity,correct formation of the back weld, less iller materials, re-duced laws, possibilities to join thicker materials using asingle pass welding, slower cooling rates resulting thus arelatively reduced toughness. During the welding process,

the linear energy fed to the components is signiicantly di-minished and this fact leads to the reduction of distortions.The use of iller materials, compared to the laser weldingprocess, allows the improvement of the weld properties dueto the microalloying in the molten metal bath.

Figura 24. Diagrama devariaţ ie optimă a valoriicurentului I s la sudareainterioar ă a corpurilor derotaţ ie

Figure 24. Variation dia-gram of optimum ls currentvalue for inside welding ofthe rotation bodies

Figura 25. Diagrama devariaţ ie optimă a valoriicurentului I s la sudarea

exterioar ă orbital ă a corpurilor de rotaţ ieFigure 25. Variation dia-gram of optimum variationof ls current value for out-side orbital welding of rota-tion bodies

[1] Olsen F. O., Hybrid laser–arc welding, Woodhead Publishing Limited, CRC Press LLC, London, 2009[2] Yapp D., Liratzis T., Development of High Productivity Girth Welding, In: Proceedings of the 2nd South East Euro-pean IIW intl. Congress, pp.25-41 Soia, Bulgaria, 21-24 October, 2010[3] Reutzel E.W., Sullivan M.J.,. Mikesic D. A. , Joining Pipe with the Hybrid Laser-GMAW Process: Weld Test Results andCost Analysis, Welding Journal, june. 2006

[4] Joni N., Mistodie L.R., Procedee MSG derivate din sudarea clasică MIG/MAG In: Lucrările Conferinţei Naţionale SU-DURA 2012, pp. Cluj, România, 26-27 Aprilie, 2012[5] Keitel, St. Neubert , J. et al. Laser GMA Hybrid Girth Welding Technologies for Transmission Pipelines In : Proc. Of the2nd South Eastern European Congress of the IIW, Soia, 21-24 October.2010, pp. 64-69



14/14

[6] Gumenyuk, S. Gook, M. Lammers, M. Rethmeier, “High Power Fibre Laser Welding for Pipeline Applications,” Pro-ceedings of LAMP2009, 5th International Congress on Laser Advanced Materials Processing,June 29-July 02nd Kobe,Japan..[7] Grünenwalda S., Seefelda T., Vollertsena F., Kocak M., Solutions for joining pipe steels using laser-GMA-hybridwelding processes, Physics Procedia 5 (2010) 77–87, 2010[8] Reis P. R., Norrish J., Cuiuri D., Initial assessment of a new approach for laser: tandem GMA welding, Avaliação inicialde uma nova versão para soldagem laser: MIG/MAG duplo-arame, Estudos Tecnológicos - Vol. 7, n° 2:71-85 (mai/dez 2011), 2011http://www.estudostecnologicos.unisinos.br/index.php?e=20&s=9&a=173

[9] Brian M. Victor, Hybrid Laser Arc Welding, ASM Handbook, Volume 6A, Welding Fundamentals and Processes, 2011[10] Kah P., Usability of laser–arc hybrid welding processes in industrial applications, Thesis, Lappeenranta University ofTechnology, Finland ISBN 978-952-265-100-6 (PDF), 2011https://dspace.lib.cranield.ac.uk/bitstream/1826/72/Wojcieh_Suder_Thesis_2011.pdf [11] Lopota A,V., Turichin G.A., Harlamov, V.V., Перспективы применения лазерных технологий в трубопроводномстроительстве, Трубопроводный Транспорт [теория и практика], № 1 (13) апрель, 2009http://elibrary.ru/item.asp?id=15232672[12] Petring D., Fraunhofer/ILT weld heads, www.ilt.fraunhofer.de/eng/101067.html[13] *** MSG-Laser-Hybrid welding process, http://www.cloos.com.cn/download/jgh.pdf [14] *** Prozess Cloos http://www.cloos.de/cloos/de/produkte/prozess/index.php[15] *** Strahltechnische Fertigungsverfahren, Block IV: Anwendungen der Lasertechnik, Strahltechnische Fertigungsver-fahren, Grundlagen der Lasertechnik, Institut für Füge- und Schweißtechnik, Braunschweig, 2011http://www.ifs.tu-braunschweig.de/module.php?id=23&action=download&ileid=753


Articol JONI Doi Bun

Documents

Transcript of Articol JONI Doi Bun