CN102962563A - 一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合钢管的焊接工艺,尤其涉及一种压力容器薄璧复合钢管的焊接工艺,属于压力容器金属焊接工艺。一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,所述复合钢管是由低合金结构钢的基层和奥氏体不锈钢的复层所组成,其特征在于:所述焊接时焊接电流为675-700A,焊接电压为31-34V,焊丝直接为4mm,焊接速度为1.8-1.9m/min,焊接后采用缓冷。本发明的目的是为解决上述技术问题,提供一种压力容器薄璧复合钢管的焊接工艺,本发明焊接工艺制备的压力容器薄璧复合钢管工不仅具有优异的综合力学性能,还且制备相同容量的钢管还具有使用材料少,成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合钢管的焊接工艺,尤其涉及一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,属于压力容器金属焊接工艺。
背景技术
金属复合管作为耐腐蚀、高强度、高刚性的新型材料,用途广泛,在流体输送用领域,双金属复合管具有耐腐蚀、耐高温、低温脆性好,膨胀系数小等优点,目前国内对于中、厚双金属复合板的焊接已做过大量研究,如专利申请号为1354061(2002-06-19)的中国专利,描述了对碳钢、不锈钢管连接的焊接方法,该方法虽然采取了一些焊接措施以达到一定的焊接效果,但是对于具体焊接后钢管的力学性能没有进行测量,因此不能用于一些使用要求较高的场所,另外,如专利申请号为201120183537.8(2011-06-01)的中国专利描述了一种钢基三层复合钢管,但是该专利只涉及一些钢管结构并未对焊接工艺和钢管使用性能和焊缝性能做详细描述,对于压力容器用金属复合管通常需要具备一定的力学性能,而焊接质量更是影响整个金属复合管质量的关键,因此,在焊接工艺上要求更高,尤其是薄层和超薄层复合管,目前还没有成熟的焊接工艺可以借鉴,而具有优异性能薄璧复合管相对于厚复合管不仅可以节约大量钢管制作成本,还可以使钢管在相同体积下可以存储更多的原料。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题,提供一种压力容器薄璧复合钢管的焊接工艺,本发明焊接工艺制备的压力容器薄璧复合钢管工不仅具有优异的综合力学性能,还且制备相同容量的钢管还具有使用材料少,成本低的优点。本发明为实现上述目的,采用以下技术方案:一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,所述复合钢管是由低合金结构钢的基层和奥氏体不锈钢的复层所组成,所述复合钢管管长为3000-12500mm,管直径为400-500mm,基层的厚度为4-6mm,复层的厚度为0.3-1mm;所述基层之间采用焊丝H08MnA和焊剂SJ101进行埋弧焊接;所述复层之间采用焊丝CHW-308L和焊剂CHF117进行埋弧焊接;所述焊接时焊接电流为750-850A,焊接电压为31-34V,焊丝直接为4mm,焊接速度为1.8-1.9m/min,焊接后采用缓冷;所述焊接后基层接头熔合区主要成分为粒状贝氏体和珠光体;所述复层接头熔合区主要成分为奥氏体和铁素体。
本发明中焊接后基层接头熔合区主要成分为粒状贝氏体和珠光体,其中,主要成分为粒状贝氏体和珠光体是指焊接后基层接头熔合区粒状贝氏体和珠光体成分含量总和占基层接头熔合区总成分含量的80%以上;本发明中焊接后复层接头熔合区主要成分为奥氏体和铁素体,其中,主要成分为奥氏体和铁素体是指焊接后复层接头熔合区奥氏体和铁素体成分含量总和占复层接头熔合区总成分含量的80%以上。
本发明焊接用钢管是由低合金结构钢的基层和奥氏体不锈钢的复层所组成,而且该复合钢管管长为3000-12500mm,管直径为400-500mm,基层的厚度为4-6mm,复层的厚度为0.3-1mm,属于薄璧复合材料的焊接,因此与普通焊接相比,还存在以下焊接难点:1、材料为低合金结构钢与奥氏体不锈钢组成,因此在焊接过程中由于碳素钢比不锈钢的含碳量多,碳素钢对焊缝的稀释作用较强,使融合区的脆性层中的铬、镍量减小,其组织很容易成为高硬度的马氏体,增加脆性;2、该复合钢管属于典型的薄璧管,焊接过程中易出现变形、焊接氧化、热裂纹等缺陷。
本发明为解决上述问题,基层之间采用焊丝H08MnA和焊剂SJ101进行埋弧焊接;所述复层之间采用焊丝CHW-308L和焊剂CHF117进行埋弧焊接,且焊接时焊接电流为750-850A,焊接电压为31-34V,焊丝直接为4mm,焊接速度为1.8-1.9m/min,焊接后采用缓冷。
对焊接材料选择:本发明基层之间焊丝为H08MnA,其化学成分为:C ≤0.1%、Mn 0.30-0.55%、Si≤ 0.03%、S≤ 0.03%、P≤ 0.03%。Mn在熔敷金属中可以其脱氧和抗裂作用,基层之间使用高锰含量的焊丝,可以增强其焊接时脱氧性和抗裂性,可以增强焊缝的强度;另外,基层之间焊剂SJ101,是氟碱型烧结焊剂,具有优良的焊接工艺性能,电弧燃烧稳定,焊缝成型美观,脱渣容易,焊缝具有较高的低温冲击韧性,采用碱性焊剂时,基层的稀释率也较小,当配合焊丝H08MnA时可以用于锅炉、压力容器、桥梁、贮运油(汽)罐、船舶等钢结构焊接。
本发明复层之间焊丝采用CHW-308L、焊剂采用CHF101,CHF101是氟碱型烧结焊剂,呈球形颗粒,具有优良的焊接工艺性能,电弧燃烧稳定,焊缝成型美观,脱渣容易,焊缝具有较高的低温冲击韧性,采用碱性焊剂时,基层的稀释率也较小,当配合焊丝CHW-308L时可以用于锅炉、压力容器、桥梁、贮运油(气)罐、船舶等钢结构。
对焊接方式选择:本发明焊接方式采用埋弧自动焊,埋弧焊是电弧在焊剂保护层下进行燃烧焊接的一种焊接方法,由于埋弧焊熔深大、生产率高、机械操作的程度高,因而适于焊接中厚板结构的长焊缝,本发明中复合钢管管长为3000-12500mm,属于长焊缝,适用于埋弧焊接;另外,埋弧焊对基层的稀释率最小,而自动焊接还可以使焊接质量良好稳定,减少劳动力成本;除此之外,埋弧焊时电弧被焊剂覆盖与空气隔离,焊接时没有弧光辐射,减轻对操作者身体的伤害。
对焊接工艺选择:本发明焊接时焊接电流为750-850A,焊接电压为31-34V,焊丝直接为4mm,焊接速度为1.8-1.9m/min,焊接后采用缓冷。焊接时为了降低熔合比,减少焊缝金属被稀释,本发明采用焊剂后缓冷、小电流,高电压、快速焊接、小直径焊丝进行焊接,该方式可以减少碳素钢对焊缝的稀释作用,使本发明焊接后基层接头熔合区主要成分为粒状贝氏体和珠光体,复层接头熔合区主要成分为奥氏体和铁素体,见附图1和图2所示,该熔合区未出现马氏体,大大增强了焊接处钢材的综合力学性能;另外,本发明是薄璧复合管,基层的厚度为4-6mm,复层的厚度为0.3-1mm,在焊接过程中如果电流、电压过大,造成大的热量输入时极易出现钢管热变形产生热裂纹,因此不能采用过高的电流和电压,本发明人经过长期研究确定本发明焊接时焊接电流为750-850A,焊接电压为31-34V,焊丝直接为4mm,焊接速度为1.8-1.9m/min,该焊接电参数的选择既可以增强焊接处钢材的综合力学性能还能减少焊缝金属被稀释,两外,焊接后采用缓冷可以充分消除焊接应力,防止焊接裂纹的产生。
本发明焊接工艺是将焊接材料、焊接工艺以及焊接方法综合配合才能得到本发明焊接后复合钢管的综合力学效果,另外,本发明的薄璧管可以大大降低同容量下的用管材料,大大节约了成本。
作为优选,所述焊接工艺中基层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.13-0.18%、Mn 0.69-0.79%、Si 0.22-0.26%、Ni 0.36-0.97%、Cr 0.73-2.00%、P ≤0.016%、S ≤0.007%、Mo≤0.007%、Cu 0.033-0.044%、V≤0.007%、Nb≤0.002、Ti≤0.003%、Al 0.018-0.029%。
作为优选,所述焊接工艺中复层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.06-0.08%、Mn 1.29-1.38%、Si 0.48-0.50%、Ni 5.70-6.22%、Cr 11.95-13.54%、P≤0.023%、S≤0.007%、Mo≤0.03%、Cu 0.12-0.13%、V≤0.064%、Nb≤0.045%、Ti≤0.01%、Al 0.18-0.012%。
作为优选,所述焊接时钝边尺寸为1.6-2.4mm,管端坡口角度为30-35°,管端切斜量小于1.6mm。本发明焊接时钝边尺寸为1.6-2.4mm,管端坡口角度为30-35°,减少了钝边尺寸和管端坡口角度,即减少了焊接线能量,降低了焊接热输入对焊接热影响区组织和性能的影响,提高焊缝热影响区的性能。
作为优选,所述基层之间焊缝余高小于1.4mm,复层之间焊缝余高小于1.8mm。本发明焊缝余高较低,可以提高焊接后焊缝的综合性能。
作为优选,所述焊接时焊接坡口为Y型。
作为优选,所述焊接时焊接导电嘴下端面距管体内表面高度20~25mm。
作为优选,所述焊丝与焊接方向水平面夹角70~80°。
作为优选,所述复合钢管的外层为低合金结构钢层,内层为不锈钢层。该结构示意图如图3所示;本发明复合钢管结构还可以为有另外一种结合方式,其中,内层为低合金结构钢层、外层为不锈钢层,具体结构示意图如图4所示。
本发明的有益效果是:
1、本发明解决低合金结构钢与奥氏体不锈钢中存在的碳素钢对焊缝的稀释作用问题,降低融合区的脆性层中的铬、镍量减小量,使熔合区组织未高硬度的马氏体,增加焊接后复合管的综合力学性能。
2、本发明解决了薄璧复合管焊接过程中易出现变形、焊接氧化、热裂纹等缺陷,提高了焊接后复合管的综合力学性能。
3、本发明的薄璧管可以大大降低同容量下的用管材料,大大节约了成本。
附图说明
图1 一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺焊接后基层接头熔合区主要成分;
图2 一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺焊接后复层接头熔合区主要成分;
图3 一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺中复合钢管的一种结合方式;
图4 一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺中复合钢管的另一种结合方式。
图中,1-不锈钢复层、2-碳钢基层、4-不锈钢复层焊缝、5-碳钢基层焊缝。
具体实施方式
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1
一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,该复合钢管是低合金结构钢Q235B作为基层,奥氏体不锈钢为SUS304作为复合制作而成,该复合钢管管长为3000mm,管直径为400mm,基层的厚度为4mm,复层的厚度为0.3mm;焊接时,基层之间采用焊丝H08MnA和焊剂SJ101进行埋弧焊接,复层之间采用焊丝CHW-308L和焊剂CHF117进行埋弧焊接,所述焊接时焊接电流为675A,焊接电压为31V,焊丝直径为4mm,焊接速度为1.8m/min,焊接后采用缓冷,焊接后基层接头熔合区主要成分为粒状贝氏体和珠光体,复层接头熔合区主要成分为奥氏体和铁素体(具体见图1和图2所示),所述焊接工艺中基层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.13-0.18%、Mn 0.69-0.79%、Si 0.22-0.26%、Ni 0.36-0.97%、Cr 0.73-2.00%、P ≤0.016%、S ≤0.007%、Mo≤0.007%、Cu 0.033-0.044%、V≤0.007%、Nb≤0.002、Ti≤0.003%、Al 0.018-0.029%;所述焊接工艺中复层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.06-0.08%、Mn 1.29-1.38%、Si 0.48-0.50%、Ni 5.70-6.22%、Cr 11.95-13.54%、P≤0.023%、S≤0.007%、Mo≤0.03%、Cu 0.12-0.13%、V≤0.064%、Nb≤0.045%、Ti≤0.01%、Al 0.18-0.012%,焊接时,钝边尺寸为1.6mm,管端坡口角度为30°,管端切斜量为1.5mm,减少了钝边尺寸和管端坡口角度,即减少了焊接线能量,降低了焊接热输入对焊接热影响区组织和性能的影响,提高焊缝热影响区的性能,本发明基层之间焊缝余高为1.3mm,复层之间焊缝余高为1.7mm,并在焊接时采用Y型坡口,Y型坡口主要用于埋弧自动焊,因为埋弧自动焊焊透力度大,配合Y型坡口可以提高焊接后复合管的力学性能;接时焊接导电嘴下端面距管体内表面高度20mm,焊丝与焊接方向水平面夹角70°,可以减少焊接时出现的如焊接热裂纹、缺口、焊接冷裂纹,提高焊接质量,使内外表面光滑美观。
实施例2
一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,该复合钢管是低合金结构钢Q235B作为基层,奥氏体不锈钢为SUS304作为复合制作而成,该复合钢管管长为9000mm,管直径为450mm,基层的厚度为5mm,复层的厚度为0.6mm;焊接时,基层之间采用焊丝H08MnA和焊剂SJ101进行埋弧焊接,复层之间采用焊丝CHW-308L和焊剂CHF117进行埋弧焊接,所述焊接时焊接电流为685A,焊接电压为32V,焊丝直径为4mm,焊接速度为1.85m/min,焊接后采用缓冷,焊接后基层接头熔合区主要成分为粒状贝氏体和珠光体,复层接头熔合区主要成分为奥氏体和铁素体(具体见图1所示),所述焊接工艺中基层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.13-0.18%、Mn 0.69-0.79%、Si 0.22-0.26%、Ni 0.36-0.97%、Cr 0.73-2.00%、P ≤0.016%、S ≤0.007%、Mo≤0.007%、Cu 0.033-0.044%、V≤0.007%、Nb≤0.002、Ti≤0.003%、Al 0.018-0.029%;所述焊接工艺中复层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.06-0.08%、Mn 1.29-1.38%、Si 0.48-0.50%、Ni 5.70-6.22%、Cr 11.95-13.54%、P≤0.023%、S≤0.007%、Mo≤0.03%、Cu 0.12-0.13%、V≤0.064%、Nb≤0.045%、Ti≤0.01%、Al 0.18-0.012%,焊接时,钝边尺寸为2.0mm,管端坡口角度为33°,管端切斜量1.2mm,减少了钝边尺寸和管端坡口角度,即减少了焊接线能量,降低了焊接热输入对焊接热影响区组织和性能的影响,提高焊缝热影响区的性能,本发明基层之间焊缝余高1.0mm,复层之间焊缝余高1.4mm,并在焊接时采用Y型坡口,Y型坡口主要用于埋弧自动焊,因为埋弧自动焊焊透力度大,配合Y型坡口可以提高焊接后复合管的力学性能;接时焊接导电嘴下端面距管体内表面高度22mm,焊丝与焊接方向水平面夹角75°,可以减少焊接时出现的如焊接热裂纹、缺口、焊接冷裂纹,提高焊接质量,使内外表面光滑美观。
实施例3
一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,该复合钢管是低合金结构钢Q235B作为基层,奥氏体不锈钢为SUS304作为复合制作而成,该复合钢管管长为12500mm,管直径为500mm,基层的厚度为6mm,复层的厚度为1mm;焊接时,基层之间采用焊丝H08MnA和焊剂SJ101进行埋弧焊接,复层之间采用焊丝CHW-308L和焊剂CHF117进行埋弧焊接,所述焊接时焊接电流为700A,焊接电压为34V,焊丝直径为4mm,焊接速度为1.9m/min,焊接后采用缓冷,焊接后基层接头熔合区主要成分为粒状贝氏体和珠光体,复层接头熔合区主要成分为奥氏体和铁素体(具体见图1所示),所述焊接工艺中基层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.13-0.18%、Mn 0.69-0.79%、Si 0.22-0.26%、Ni 0.36-0.97%、Cr 0.73-2.00%、P ≤0.016%、S ≤0.007%、Mo≤0.007%、Cu 0.033-0.044%、V≤0.007%、Nb≤0.002、Ti≤0.003%、Al 0.018-0.029%;所述焊接工艺中复层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.06-0.08%、Mn 1.29-1.38%、Si 0.48-0.50%、Ni 5.70-6.22%、Cr 11.95-13.54%、P≤0.023%、S≤0.007%、Mo≤0.03%、Cu 0.12-0.13%、V≤0.064%、Nb≤0.045%、Ti≤0.01%、Al 0.18-0.012%,焊接时,钝边尺寸为2.4mm,管端坡口角度为35°,管端切斜量0.9mm,减少了钝边尺寸和管端坡口角度,即减少了焊接线能量,降低了焊接热输入对焊接热影响区组织和性能的影响,提高焊缝热影响区的性能,本发明基层之间焊缝余高0.6mm,复层之间焊缝余高1.2mm,并在焊接时采用Y型坡口,Y型坡口主要用于埋弧自动焊,因为埋弧自动焊焊透力度大,配合Y型坡口可以提高焊接后复合管的力学性能。;接时焊接导电嘴下端面距管体内表面高度25mm,焊丝与焊接方向水平面夹角80°,可以减少焊接时出现的如焊接热裂纹、缺口、焊接冷裂纹,提高焊接质量,使内外表面光滑美观。
对比例
根据专利申请号为201120183537.8(2011-06-01)的中国专利来进行对比例的设计,不同的是低合金结构钢选用Q235B,不锈钢选用SUS304,具体工艺步骤如下:
1. 一种钢基三层复合钢管,其特征在于包括:材质为低合金结构钢Q345B 的基层、在基层内表面的、材质为奥氏体不锈00Cr19Ni10 的内耐酸防锈层以及在基层外表面的、材质为奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti 的外耐酸防锈层;所述的基层和内、外耐酸防锈层的接头 处通过焊接连接;所述的焊接为基层之间的第一接合处使用埋弧焊用低合金钢焊丝H08D和管线烧结焊剂SJ101G 焊接、内耐酸防锈层之间的第二接合处使用埋弧焊用不锈钢焊丝CHW-308L 和埋弧焊用熔炼焊剂CHF260 焊接以及外耐酸防锈层之间的第三接合处使用埋弧 焊用不锈钢焊丝ER308 和埋弧焊用熔炼焊剂CHF260 焊接。 2. 根据权利要求1 所述的钢基三层复合钢管,其特征在于:所述的基层的厚度在8 ~25mm 之间,内耐酸防锈层的厚度在1.2 ~ 1.8mm 之间,外耐酸防锈层的厚度在1.2 ~ 1.8mm之间。
将本发明实施例之制作的复合管与对比例制作的三层复合钢管进行性能测试,测试方法如下:
(1)无损检测:采用HS610e型超声波探伤仪、CF-Ⅲ型超声波探伤仪、HR-2000型X射线工业电视对管体和焊缝处进行检验,检验结果见表1所示,检验标准为GB/T6423.3-1999、GB/T3323-2005;
(2)液压检测:采用700T SP04-10水压机对本实施例和对比例管端密封后进行检测,加压介质为水,试验温度为室温,实验结果见表2所示,检验标准为GB/T241-2007、Q/JZS 16-2012;
(3)拉伸性能检测:采用UH-F500KNI材料试验机对管体和焊接接头进行拉伸测试,检验结果见表3所示,检验标准为GB/T2228.1-2010;
(4)弯曲检测:采用WE-600A材料试验机对管体和焊接接头进行弯曲测试,检验结果见表4所示,检验标准为GB/T232-2010、GB/T2653-2008;
(5)结合度检测:采用WE-600A材料试验机对管体和焊接接头进行弯曲测试,检验结果见表5所示,检验标准为GB/T6396-2008、GB/T232-2010;
(6)夏比冲击检测:采用JBN-300B冲击试验机对管体和焊接接头进行弯曲测试,缺口型式为V型,检验结果见表5所示,检验标准为GB/T229-2007;
检测结果分析:由表1至表6检测结果可知,由本发明实施例焊接工艺制作的复合管综合性能均优于对比实施例制作的复合管。
表1 无损检验结果
表2 液压试验结果
表3 拉伸性能测试结果
表4 弯曲试验结果
表5 结合度试样结果
表6夏比冲击检测试验结果
Claims (9)
1.一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,所述复合钢管是由低合金结构钢的基层和奥氏体不锈钢的复层所组成,其特征在于:所述复合钢管管长为3000-12500mm,管直径为400-500mm,基层的厚度为4-6mm,复层的厚度为0.3-1mm;所述基层之间采用焊丝H08MnA和焊剂SJ101进行埋弧焊接;所述复层之间采用焊丝CHW-308L和焊剂CHF117进行埋弧焊接;所述焊接时焊接电流为675-700A,焊接电压为31-34V,焊丝直接为4mm,焊接速度为1.8-1.9m/min,焊接后采用缓冷;所述焊接后基层接头熔合区主要成分为粒状贝氏体和珠光体;所述焊接后复层接头熔合区主要成分为奥氏体和铁素体。
2.如权利要求1所述一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,其特征在于:所述焊接工艺中基层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.13-0.18%、Mn 0.69-0.79%、Si 0.22-0.26%、Ni 0.36-0.97%、Cr 0.73-2.00%、P ≤0.016%、S ≤0.007%、Mo≤0.007%、Cu 0.033-0.044%、V≤0.007%、Nb≤0.002%、Ti≤0.003%、Al 0.018-0.029%。
3.如权利要求2所述一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,其特征在于:所述焊接工艺中复层之间焊缝的化学成分的重量含量为:C 0.06-0.08%、Mn 1.29-1.38%、Si 0.48-0.50%、Ni 5.70-6.22%、Cr 11.95-13.54%、P≤0.023%、S≤0.007%、Mo≤0.03%、Cu 0.12-0.13%、V≤0.064%、Nb≤0.045%、Ti≤0.01%、Al 0.18-0.012%。
4.如权利要求3所述一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,其特征在于:所述焊接时钝边尺寸为1.6-2.4mm,管端坡口角度为30-35°,管端切斜量小于1.6mm。
5.如权利要求4所述一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,其特征在于:所述基层之间焊缝余高小于1.4mm,复层之间焊缝余高小于1.8mm。
6.如权利要求5所述一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,其特征在于:所述焊接时焊接坡口为Y型。
7.如权利要求6所述一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,其特征在于:所述焊接时焊接导电嘴下端面距管体内表面高度20~25mm。
8.如权利要求7所述一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,其特征在于:所述焊丝与焊接方向水平面夹角70~80°。
9.如权利要求8所述一种压力容器用薄璧复合钢管的焊接工艺,其特征在于:所述复合钢管的外层为低合金结构钢层,内层为不锈钢层。
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