CN101574775A - 不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法 - Google Patents

Abstract

不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，步骤如下：(1)下料，根据弯头的尺寸选择不锈钢复合钢板下料制成弯头的坯料；(2)压制，将弯头的坯料经弯头的成型模具在室温下或经加热多次压制，达到弯头成型形状和尺寸；加热压制的条件是：将坯料置于加热炉中进行加热，加热至930±20℃范围内进行压制；(3)焊接，根据不同材料选择不同的焊接工艺进行焊接；对焊的焊接层设有三层，即在基层和复层间加一过渡层；即对于不锈复合钢的焊接分三部分进行：基层的焊接、复层的焊接及过渡层的焊接；(4)热处理：将热压弯头进行910±10℃的正火热处理；或将冷压弯头进行610±10℃的退火热处理。

Description

不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法

一、技术领域

本发明涉及不锈钢复合钢板成型制对焊弯头的制造方法。

二、背景技术

为解决石油、化工等设备的耐腐蚀问题，不锈钢是常被选用的材料。但由于不锈钢昂贵，对一些大型厚壁管道来说，往往改用复合钢板来制作。

不锈钢复合钢板是由较薄的复层及较厚的基层通过轧制或爆炸等方法复合而成。其中复层满足了耐腐蚀性的要求，而基层是利用相对复层成本低得多的碳素钢或低合金钢来满足强度方面的要求。由于其良好的经济性而被广泛用于石油、化工等行业的压力管道制造。

管件是石油天然气、化工行业、电力行业、化工、制药、锅炉、供热、造船、机械制造主要的零部件。管件可用在管道拐弯、异径连接、改道、放气减压等的地方。根据不同的工况使用条件管件的材料可采用碳钢、合金钢、不锈钢、镍合金等。

随着石油化工行业的发展，工程建设趋于大型化、复杂化，配管工程中使用的管件根据工况条件的不同，也是多种多样。其中用于管道方向的改变、管道的分支或不同尺寸管子连接的管件，其使用环境远比直管要苛刻。管件使用的材料可以是管材、板材、锻件、铸件、棒材以及型材等，加工制作可用焊制、冲压、铸造或锻制等方法。通常，管件的材质、厚度取决于使用的管件材料，形状、尺寸，以及所输送的流体介质、压力等因素。

CN200480000790对焊装置及对焊方法将2块板材(31、32)对焊的一对电极部件(1、2)中的至少一方电极部件(1)的外面形成后退形状部(1A)，该后退形状部(1A)，从该一方电极部件(1)的厚度方向中间部，一边朝着2块板材(31、32)中的一方板材(31)延伸一边渐渐离开该一方板材(31)地后退。2块板材(31、32)对焊时，该板材(31、32)的对接部(71)的位置，从电极部件(1、2)的厚度方向中间部朝着后退形状部(1A)侧偏置，其偏置量(L1)与板材(31、32)的厚度差对应，将厚度不同的另外2块板材对焊时，变更偏置量。

CN00133513.8焊缝对称型钢板制对焊弯头及其制造工艺，该弯头两条合成焊缝对称于弯头中心轴线两侧，壳体由非对称大小两块弧形瓦状体构成。其制造方法是将钢板用平行套裁紧密排料法经切割下料先卷制成半圆形瓦块状，然后高温加热，再进行旋压辗轧成大小两块弧形瓦状体，调质热处理后用等离子气体保护焊机焊接成全径弯头。

已经有许多复合板结构出现，如CN200720034357的锆钢复合板。当然不锈钢复合钢板是性价比高的材料。本发明所述的不锈钢复合钢板也包括其它合金钢复合板。

压力管道用的不锈钢复合钢板弯头分为冷和热成型。

不锈钢复合钢板制对焊弯头是采用不锈钢复合钢板，经不同模具压制成型后焊制而成的一种新型材料管件。它具有两种材料特性优势，既具有不锈钢的耐腐蚀、耐磨性、抗磁性；又具有碳钢良好的可焊性、成型性、拉延性和导热性；合金材料高强、耐高温等诸多性能。它可广泛运用于石油、化工等行业的耐腐、耐酸、高强等苛刻工况恶劣环境。

三、发明内容

本发明目的是：提出一种不锈钢复合钢板制备对焊弯头的方法，尤其是采用不锈钢复合钢板，经不同模具压制成型并焊制而成的一种新型材料的管件。

本发明的技术方案是：不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其步骤如下：

(1)、下料，根据弯头的尺寸选择合适的钢板下料制成坯料；

(2)、压制，将弯头的坯料经弯头的成型模具在室温下或经加热多次压制，达到弯头成型形状和尺寸；加热压制的条件是：将坯料置于加热炉中进行加热，加热至930±20℃范围内进行压制；

(3)、焊接，根据不同材料选择不同的焊接工艺进行焊接；对焊的焊接层设有三层，即在基层和复层间加一过渡层；即对于不锈复合钢的焊接分三部分进行：基层的焊接、复层的焊接及过渡层的焊接；弯头对焊的基层的焊接和复层的焊接属于同种材料焊接，过渡层的焊接则采用异种材料焊接；

(4)、热处理：将热压弯头进行910±10℃的正火热处理；或将冷压弯头进行610±10℃的退火热处理。焊接时步骤如下：在焊接时，对焊的两基层板和复层板焊缝采用截面为X型的坡口，X型的坡口的紧窄位置设在对焊的两基层板上，复层板焊缝处于X型截面坡口的敞开位置。

对焊的复层板在X型截面坡口的敞开位置形成一个6～12mm宽的槽，即每侧的复层板均在敞开坡口位置形成一个台阶。

在坡口敞开位置，每侧的复层板均形成一个台阶，即复合板层及与复合板层结合的基层金属结合界面向下开出1.5～2.0mm深、3～5mm宽的槽。

X型截面的坡口敞开的角度是60度左右。需要考虑组成(不同种类的)不锈钢复合材料的两种组元，各自的熔点和再结晶温度、强度和塑性、耐蚀性和耐磨性、比热和热胀系数等物理及化学性能，特别是它们在高温下相互作用的特性。从而正确地设计热处理的工艺参数和预计热处理对它们的结合区组织、结合强度和各自基体组织及性能的影响等等。采用合理的热处理工艺参数，从而防止产生不良金相组织及金属间化合物的生成和长大，保证产品的结合剪切强度。通过合理的热处理工艺，避开不锈钢的敏化温度范围，从而保证不锈钢复层的抗晶间腐蚀能力。

本发明的有益效果是：①X型截面新型坡口利于基层侧清根，不受清根方法的限制，符合焊接操作方便的原则；②X型截面新型坡口将复合板层及与复合板层结合的基层金属结合界面向下开出1.5～2.0mm深、3～5mm宽的槽，形成一个台阶，可将基层焊缝金属焊至与台阶平齐，有利于保证基层焊缝高度；③由于X型截面坡口中台阶的存在，便于进行过渡层的焊接，有利于保证过渡层的焊缝金属高度；④焊接过渡层时，不易损伤复层，有利于保证复层的焊接质量；⑤新型坡口便于焊接电流控制，有利于控制熔合比以防止基层对焊缝金属的稀释；⑥复层边缘远离焊缝中心，在焊接热循环过程中，最高峰值温度大大降低，避免了因基层焊接时反复受热膨胀引起复层张口，避免出现夹渣；⑦过渡层能完全覆盖基层，并且能达到技术条件中要求的α、b值，保证过渡层的焊接质量。

本发明是根据普通管件的制作原理和特点，考虑组成复合材料的两种组元，各自的熔点和再结晶温度、强度和塑性、耐蚀性和耐磨性、比热和热胀系数等物理及化学性能，特别是它们在高温下相互作用的特性而得到制作工艺。采用热成型的优点：(1)、可防止复层与基层间的剥离；(2)、抗剪切强度高；(3)、成型后的几何尺寸容易控制；(4)、可加工较厚的尺寸管件。采用冷压(室温条件)成形的优点：(1)、可防止应加热不当而引起的晶间腐蚀；(2)、抗剪切强度高；(3)、成形形状美观；(4)、可节约成本。

采用改良型焊接坡口形式及先进的焊接工艺，保证了焊接接头的各项性能要求，提高了复层的抗晶间腐蚀能力。与现有技术相比，应用控温成型和热处理相结合的工艺技术，达到管件的抗晶间腐蚀能力，避免采用纯不锈钢管件，可节约镍铬合金70～80％，降低生产成本30％～50％，价格低廉。

附图说明

图1基本X形坡口

图2改进的X形坡口形式

具体实施方式

(1)、下料，根据弯头的尺寸选择合适的钢板下料制成坯料；

(2)、压制，将坯料经成型模具在室温下或经加热多次压制，以达到弯头成型尺寸；加热的条件是：将坯料置于加热炉中进行加热，加热至930±20℃范围内进行压制；也可以采用冷压制成型工艺方法；

(3)、焊接，根据不同材料选择不同的焊接工艺进行焊接；

(4)、热处理，将热压弯头进行910±10℃的正火热处理；或将冷压弯头进行610±10℃的退火热处理。

(5)、机加工，将毛坯弯头经机加工制成成品弯头。

(6)、检测，通过对其外观、几何尺寸、性能检验及各项无损检测，成为符合标准的成品。

压制成形：根据弯头的尺寸选择合适的钢板下料制成坯料；将坯料置于燃煤反射炉中进行加热，加热至930±10℃范围内压制；加热时坯料要加热均匀，防止过高的加热温度，防止基层和复层的剥离、晶粒长大、产生不良金相组织，压制成型后空冷。

根据坯料选择合适的模具压制，压制过程中采用缓慢加压分三至五次压制，防止复层和基层的剥离；内R与外R处擦延压油，防止板材的拉伤。如四次成型，第四次成型时采用完全同弯头形状的的模具进行压制；前三次压制时模具曲率半径逐渐减少至完全同弯头形状的曲率(冷压压制成型同样如此)。

焊接的具体条件：不锈复合钢是由不锈钢和低碳钢或低合金钢两种材料复合而成。这两种组元之间的热物理性能、化学成分和组织上存在较大差异，性能也有很大的差别。焊接时不但要保证接头具有满足要求的力学性能，而且还要保证接头仍具有复层钢板的综合性能，防止焊缝金属的耐腐蚀性、抗裂性和导电性的降低。焊接材料、工艺等应分别按照基层、复层来选择，并应注意焊接顺序。

不锈复合钢板的焊接过程存在以下几个问题。

①由于Cr、Ni元素在焊接过程中部分被烧损，使焊缝中的Cr、Ni含量降低，影响复层的耐蚀性。

②由于基层焊缝对复层焊缝的稀释作用，将降低复层焊缝中的铬镍含量，增加复层焊缝的含碳量，易导致复层焊缝中产生马氏体组织，从而降低焊接接头的塑性和韧性，并影响复层焊缝的耐腐蚀性。马氏体组织易在焊接或设备的运行中导致裂纹，使接头过早失效。

③基层焊接时易于熔化不锈钢复层，使得合金元素掺入而导致碳钢基层焊缝金属严重硬化和脆化，其过渡层硬化带的厚度可达2.5mm，该硬化带对冷裂纹极为敏感，易于产生裂纹。

④焊接复层时，基层中的碳易于进入复层中，使复层的抗腐蚀性能和基层强度降低。

⑤由于不锈复层较基层具有低的热导率(仅为基层的1/2)和较大的线膨胀系数(为基层的1.3倍)，因而焊接过渡层时会产生较大的焊接变形及应力，导致焊接裂纹的产生。

因此，一般在基层和复层间加一过渡层。即对于不锈复合钢的焊接分三部分进行：基层的焊接、复层的焊接及过渡层的焊接。基层的焊接和复层的焊接属于同种材料焊接，过渡层的焊接则是异种材料焊接。不锈复合钢焊接质量的关键是基层与复层交界过渡层的焊接，也是复合板焊接难度较大的区域。

焊接时采取的措施：

①过渡层和复合层焊接时均选择铬镍含量高的双相铬镍不锈钢焊条，这样即使过渡层受到基层稀释，也可避免在熔敷金属中产生马氏体组织。

②采用焊缝稀释率较小的焊接方法。为减少基层对过渡层的稀释，基层和过渡层的焊接应尽量采用较小的焊接电流、较大的焊接速度，以减少焊缝的稀释率。

③由于双相组织具有优良的抗腐蚀性能和抗裂纹性能，可根据基层成分、焊缝稀释率，由舍夫勒组织图确定过渡层焊接材料。

④严格控制层间温度。对于奥氏体不锈钢其热膨胀系数比碳钢大，导热系数约为碳钢的一半，热量不容易散失，如层间温度过高，会造成热影响区过热，促使晶粒长大，扩大了敏化温度区间，降低了焊缝的耐蚀性能。所以过渡层和复层焊接时层间温度控制在60℃以下。目的就是防止焊接时母材过热，晶粒粗大，从而影响焊缝及热影响区的耐蚀性能。另外，为了保证复合板的各项性能，对于过渡层覆盖范围以及过渡层的厚度均有一定要求：过渡层焊缝金属的表面应高出基层和过渡层界面0.5～1.5mm，基层焊缝的表面距离复合层的距离要控制在1.5～2.0mm；过渡层的厚度应控制在2～3mm内；过渡层焊缝金属必须完全盖满基层金属，如图1所示。

采用图2所示的改进的坡口。该坡口形式具有以下优点：

①新型坡口利于基层1侧清根，不受清根方法的限制，符合焊接操作方便的原则；

②新型坡口将基层金属结合界面向下开出1.5～2.0mm深、3～5mm宽的槽，形成一个台阶，可将基层焊缝金属焊至与台阶平齐，有利于保证基层焊缝高度；

③由于坡口4中台阶5的存在，便于进行过渡层的焊接，有利于保证过渡层2的焊缝金属高度；

④焊接过渡层时，不易损伤复层3，有利于保证复层的焊接质量；

⑤新型坡口便于焊接电流控制，有利于控制熔合比以防止基层对焊缝金属的稀释；

⑥复层边缘远离焊缝中心，在焊接热循环过程中，最高峰值温度大大降低，避免了因基层焊接时反复受热膨胀引起复层张口，避免出现夹渣；

⑦过渡层能完全覆盖基层，并且能达到技术条件中要求的α、b值，保证过渡层的焊接质量。

热处理：在加工制作过程中，由于加热温度的不均匀性和经受不同方向的挤压，容易造成材料耐腐蚀性能的下降。抗晶间腐蚀能力是不锈钢复合钢板管件的一个重要指标，合理的热处理工艺是保证不锈钢复合钢板管件的耐腐蚀的重要前提。

合理的热处理工艺制度，既能保证管件热成型后基层材料的组织和力学性能，又要保证复层晶间腐蚀试验合格。

热处理工艺：正火加热温度为910±10℃，保温1小时，升温和保温时火焰不得直接吹到复合板上，以免烧伤，出炉后采用强制风冷。

热处理后基层材料组织为铁素体加少量的细小珠光体，铁素体晶粒度为10级；复层材料组织为奥氏体加少量δ铁素体。

按本工艺进行正火热处理后的管件，按GB/T4334.5-2000标准进行硫酸-硫酸铜腐蚀试验无因晶间腐蚀而产生的裂纹。

本发明技术方案的实施例，还体现在下述效果：剪切强度是衡量不锈钢复合钢板对焊弯头的重要指标，剪切强度的高低直接影响到不锈钢复合钢板制对焊弯头的使用性能和使用寿命。在加工制作过程中，由于经过加热和经受不同方向的挤压，如控制不当则很容易造成复层和基层材料间的剥离，采用本发明技术制造的不锈钢复合钢板制弯头剪切强度τ_b＝335MPa，高于GB/T8165-1997及JB4733-1996规定τ_b≥200MPa(B3级)和τ_b≥210MPa(B1级和B2级)的不锈钢复合钢板剪切强度要求。

抗晶间腐蚀能力是不锈钢复合钢板制对焊弯头的又一个重要指标，合理的热处理工艺是保证不锈钢复合钢板弯头的耐腐蚀的重要前提，按本发明工艺进行热处理后的弯头，按GB/T4334.5-2000标准进行硫酸-硫酸铜腐蚀试验无因晶间腐蚀而产生的裂纹。

冲击功按GB/T8165-1997及JB4733-1996规定应符合基层钢板的规定，按GB713-2008标准Q245R在0℃的V型冲击功为≥31J(试样尺寸为10*10*55mm)，按本技术工艺制造的不锈钢复合钢板弯头的冲击功实测值为202J、170J、150J(10*10*55mm)，远大于标准要求。

抗拉强度按GB/T8165-1997及JB4733-1996规定应符合 ${\mathrm{\σ}}_b=\frac{\mathrm{\σb}1t1+\mathrm{\σb}2t2}{t1+t2}$ 且不大于基材标准上限值加35Mpa的规定，按本技术工艺制造的不锈钢复合钢板弯头的抗拉强度为475Mpa，达到超过标准要求规定。通过各项性能测试，证实不锈钢复合钢板制弯头制造、焊接、热处理工艺合理，各项性能指标均优于标准要求，它可广泛运用于石油、化工等行业的耐腐、耐酸、高强等苛刻工况恶劣环境。

本发明需要考虑组成(不同种类的)不锈钢复合材料的两种组元，各自的熔点和再结晶温度、强度和塑性、耐蚀性和耐磨性、比热和热胀系数等物理及化学性能，特别是它们在高温下相互作用的特性。过渡层的焊接则是异种材料的焊接，如不锈钢复合板(Q245R+316L)壁厚(14+3)的材料：对于基层，选择焊接材料主要考虑机械性能的匹配，基层采用焊条电弧焊进行焊接，焊条选用J427。为了克服碳钢低合金钢对复层焊缝金属的稀释作用，需采用过渡层来缓冲。若采用纯奥氏体焊材施焊时，焊缝中会产生大量的脆性马氏体，造成裂纹。故在不锈钢复板的过渡层的焊接选材时采用Ni含量大于12的焊条施焊过渡层，焊缝得到的组织基本上是纯奥氏体组织。由于Ni的含量较高，能起到稳定奥氏体组织的作用。更好的方案是过渡层材料的方案是：选用低碳焊材E309MoL-16以保证复层的含碳量和合金成份要求，复层焊材选用E316L-16。

从而正确地设计热处理的工艺参数和预计热处理对它们的结合区组织、结合强度和各自基体组织及性能的影响等等。采用合理的热处理工艺参数，从而防止产生不良金相组织及金属间化合物的生成和长大，保证产品的结合剪切强度。通过合理的热处理工艺，避开不锈钢的敏化温度范围，从而保证不锈钢复层的抗晶间腐蚀能力。

根据材料性能特点及设备条件，对于基层厚度大于10mm的不锈钢复合钢板弯头热压成型。由于奥氏体不锈钢在538～850℃缓慢冷却时，晶界有高铬的碳化物Cr23C6析出，造成碳化物邻近部分贫铬，引起晶间腐蚀的倾向。因此，压制过程中工件跨越这一温度范围时必须加以控制，否则一旦产生晶间腐蚀倾向，将会在腐蚀介质的使用场合加速管道内壁的腐蚀，从而使管道的使用寿命大为缩短。鉴于此，弯头的热压必须在850℃以上完成。因此不锈钢在538～850℃温区需要快速通过，即快速加温或快速冷却(如采用风冷的方式)。

Claims (10)

1、不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是步骤如下：(1)、下料，根据弯头的尺寸选择不锈钢复合钢板下料制成弯头的坯料；(2)、压制，将弯头的坯料经弯头的成型模具在室温下或经加热多次压制，达到弯头成型形状和尺寸；加热压制的条件是：将坯料置于加热炉中进行加热，加热至930±20℃范围内进行压制；(3)、焊接，根据不同材料选择不同的焊接工艺进行焊接；对焊的焊接层设有三层，即在基层和复层间加一过渡层；即对于不锈复合钢的焊接分三部分进行：基层的焊接、复层的焊接及过渡层的焊接；弯头对焊的基层的焊接和复层的焊接属于同种材料焊接，过渡层的焊接则采用异种材料焊接；(4)、热处理：将热压弯头进行910±10℃的正火热处理；或将冷压弯头进行610±10℃的退火热处理。

2、根据权利要求1所述的不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是焊接时步骤如下：在焊接时，对焊的两基层板和复层板焊缝采用截面为X型的坡口，X型的坡口的紧窄位置设在对焊的两基层板上，复层板焊缝处于X型截面坡口的敞开位置。

3、根据权利要求2所述的不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是对焊的复层板在X型截面坡口的敞开位置形成一个6～12mm宽的槽，即每侧的复层板均在敞开坡口位置形成一个台阶。

4、根据权利要求3所述的不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是在坡口敞开位置，每侧的复层板均形成一个台阶，即复合板层及与复合板层结合的基层金属结合界面向下开出1.5～2.0mm深、3～5mm宽的槽。

5、根据权利要求3所述的不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是X型截面的坡口敞开的角度是60度左右。

6、根据权利要求3所述的不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是过渡层和复合层焊接时均选择铬镍含量高的双相铬镍不锈钢焊条。

7、根据权利要求3所述的不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是采用焊缝稀释率较小的焊接方法，即基层和过渡层的焊接采用较小的焊接电流、较大的焊接速度，以减少焊缝的稀释率。

8、根据权利要求3所述的不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是过渡层的焊接选材时采用Ni含量大于12的焊条施焊过渡。

9、根据权利要求3所述的不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是过渡层焊缝金属的表面应高出基层和过渡层界面0.5～1.5mm，基层焊缝的表面距离复合层的距离要控制在1.5～2.0mm；过渡层的厚度应控制在2～3mm内；过渡层焊缝金属必须完全盖满基层金属。

10、根据权利要求1所述的不锈钢复合钢板成型制备对焊弯头的方法，其特征是弯头的热压在850℃以上完成，不锈钢在538～850℃温区需要快速通过。

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