CN103706928B - 耐腐蚀冶金复合双金属钢管的直缝埋弧焊焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐腐蚀冶金复合双金属钢管的直缝埋弧焊焊接方法，包括以下步骤：钢管预焊，管内碳钢层焊接，管外碳钢层的焊接，管内耐腐蚀过渡层的焊接，管内耐腐蚀层的焊接。本发明提供的耐腐蚀冶金复合双金属直缝焊接钢管采用高效自动埋弧焊工艺，并通过采用不同的焊接材料和焊接工艺即合理的焊接顺序进行各层金属焊接，从而保证钢管碳钢层的各项性能和耐腐蚀层的耐腐蚀性能。采用自动埋弧焊工艺，焊接速度快，焊接效率高，焊接质量好，对焊工技术水平要求不高，而且电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，劳动条件较好，减轻了手工操作的劳动强度。
Description
技术领域
本发明属于金属机械加工领域，具体涉及一种复合双金属管材的焊接方法。
背景技术
直缝焊管，由于钢管的焊接处成一条直线故而得名，是用热轧或冷轧钢板或钢带卷焊制成的钢管在焊接设备上进行直缝焊接得到的管子。耐腐蚀直缝埋弧焊钢管适合于高压高腐蚀性油气输送和石油化工设备。
目前耐腐蚀冶金复合双金属直缝焊接钢管的焊接工艺方法还没有一个较好的方法，但通常采用两种形式：一种是在钢管外侧开单面“V”型坡口，并在钢管外侧进行单面焊双面成型。焊接工艺是：采用钨极氩弧焊先焊钢管内侧的耐腐蚀覆层(单面焊双面成型)，然后采用手工电弧焊或气体保护焊或埋弧焊或以组合方式进行焊接碳钢层(填充和盖面焊)(《焊接工程师手册》，陈祝年编著，机械工业出版社，2002.1；GB/T13148-2008《不锈钢复合钢板焊接技术要求》)。在这些焊接方法中，钨极氩弧焊，焊条电弧焊和气体保护焊均为手工操作，埋弧焊也是单丝焊，所以这种焊接方法生产效率低，劳动条件差，对焊工技术水平要求也较高。质量也较难保证。特别是耐腐蚀层受后焊接的焊道多次热循环的影响，对耐腐蚀层的组织影响很大，而且难于保证耐腐蚀层的耐腐蚀性能。另一种焊接工艺形式是对于较大的管径(人可以进入管内进行焊接操作)的钢管，是在钢管外侧开单面“Y”型坡口(留有一定厚度的钝边)，并采用手工电弧焊或气体保护焊或埋弧焊后以组合的方式进行钢管外侧碳钢层的焊接，直至焊满外坡口(SH/T3527-1999《石油化工不锈钢复合钢焊接规程》)。碳钢层焊接完成后焊接人员进入管内采用打磨机或气刨等打磨耐腐蚀层坡口，然后采用钨极氩弧焊或焊条电弧焊焊接耐腐蚀层金属。这种焊接方法也同样是焊接效率低，劳动条件差，而且对焊工技术水平要求也较高。因此焊接质量较难得到保证。这种焊接方法，虽然是后焊耐腐蚀层，但受手工操作水平的影响，基层的碳钢金属不可避免的或多或少会熔入耐腐蚀金属中，从而也会对耐腐蚀层的耐腐蚀性能产生一定的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种耐腐蚀冶金复合双金属钢管的直缝埋弧焊焊接方法。
为实现本发明目的的技术方案为：
一种耐腐蚀冶金复合双金属钢管的直缝埋弧焊焊接方法，包括以下步骤：
(1)钢管预焊(定位焊)：复合双金属钢管的耐腐蚀层在钢管内表面，碳钢层在钢管外表面，采用钢管预焊机对钢管进行合缝和预焊，预焊在钢管外坡口内对碳钢层进行钢管全长焊接，焊接采用自动CO2+Ar混合气体保护焊，焊丝型号与等级与基层碳钢金属相匹配，以保证基层钢管的性能。所述焊丝型号选自ER50-6、ER50-G、ER55-G中的一种。
预焊缝为过渡焊缝，主要是对钢管定形定位和对钢管内焊起封底防止内焊烧穿的作用，在钢管外焊时将被熔化成为埋弧焊缝。所以预焊缝不需要较多的熔敷金属。为了有较高的焊接效率，焊接工艺采用粗丝大电流进行焊接，焊丝直径Φ3.2mm，电流550～700A。
(2)、管内碳钢层焊接：采用单丝自动埋弧焊，从钢管内侧对碳钢层进行焊接，焊丝和焊剂的匹配应与碳钢层的金属相适应。以保证基层钢管的性能。所述焊丝选自H10Mn2、H08D、H08DG、H08C，H08CG中的一种；焊剂选自SJ101、SJ101G、SJ102G中的一种。
钢管内碳钢层的焊缝，是基层焊缝的一部分，主要保证强度和与耐腐蚀焊缝相接连。在保证强度上需采用与碳钢强度相一致的焊接材料，在与耐腐蚀层连接上需控制焊缝厚度不宜过大或过小，厚度过大对耐腐蚀层的焊接有影响，厚度过小会降低焊缝强度。为实现上述要求，焊接工艺需采用细丝埋弧焊，焊丝直径Φ2.0～Φ3.2mm，焊接电流300～550A。
(3)管外碳钢层的焊接：采用单丝或双丝自动埋弧焊对钢管外侧的碳钢基层金属进行焊接。而且根据碳钢层的厚度可采用单道焊或多层多道焊，焊接热输入为10～20KJ/cm，焊丝直径Φ3.2～Φ4.5mm，电流400～800A。
管外碳钢层焊缝，主要是保证钢管强度，因此焊丝和焊剂的匹配应与碳钢层的强度相一致。以保证基层钢管的性能。但碳钢层的焊接的热输入不能太大，太大会对钢管内耐腐蚀的组织和耐腐蚀性产生不利的影响，所以在钢管碳钢层焊接时应采用小电流、快速焊或多层多道焊等较小热输入量的方法进行焊接。焊接热输入应不大于20KJ/cm，焊丝直径Φ3.2～Φ4.5mm，电流400～800A。
(4)、管内耐腐蚀过渡层的焊接：采用单丝自动埋弧焊，从钢管内侧对耐腐蚀层进行焊接过渡层，过渡层的主要作用是防止碳钢基层金属熔入到耐腐蚀层中而影响抗腐蚀性。由于过渡层中熔有一定的碳钢层的金属，耐腐蚀成分的含量被稀释，所以在采用的焊材中其耐腐蚀成分含量应略高于钢管的耐腐蚀覆层的含量，且焊缝的厚度也应不宜太厚，一般不大于3mm，焊丝直径Φ3.2mm或Φ4.0mm，焊接电流300～550A。
(5)、管内耐腐蚀层的焊接：采用并列双丝自动埋弧焊对钢管内侧的耐腐蚀层进行焊接，为了保证焊缝金属与耐腐蚀层具有同样的耐腐蚀性，焊材的化学成分与耐腐蚀层基本一致或耐腐蚀元素略高于耐腐蚀层，选自H0Cr21Ni10、H00Cr21Ni10、H00Cr19Ni12Mo2H00Cr20Ni14Mo3、H0Cr20Ni14Mo3、SUPRASTRIP825SUPRASTRIP625，焊剂为HJ260、SJ601、AST600中的一种。耐腐蚀层的焊缝厚度不低于耐腐蚀层的厚度，焊丝直径应采用Φ3.2mm或Φ4.0mm，焊接电流300～600A。电弧电压29～35V，焊接速度0.3～0.8m/min。
所述碳钢基层的材料选自Q235B、Q245R、Q345B、Q345R、X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70中的一种；所述耐腐蚀层的金属材料选自304、304L、310S、316L、316LN、317L、321、合金825、合金625中的一种。
其中，所述步骤(1)的焊缝宽度为4～7mm。
其中，所述步骤(1)中采用CO2+Ar混合气体比例为(20～40)％CO2+(80～60)％Ar的混合气体，混合气体流量为2.5m3/h～4.5m3/h。
其中，所述步骤(2)其厚度应不低于耐腐蚀层与碳钢层的结合面以下2mm、且不高出结合面。
其中，所述步骤(3)中，当碳钢层厚度大于12.7mm时采用多层多道焊；当碳钢层厚度不大于12.7mm时采用单道焊。通常碳钢层厚度最小7mm；最大30mm。
所述步骤(3)中，焊接电流300～650A，电弧电压30～36V，焊接速度0.4～0.8m/min。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的耐腐蚀冶金复合双金属直缝焊接钢管采用高效自动埋弧焊工艺，并通过采用不同的焊接材料和焊接工艺即合理的焊接顺序进行各层金属焊接，从而保证钢管碳钢层的各项性能和耐腐蚀层的耐腐蚀性能。采用自动埋弧焊工艺，焊接速度快，焊接效率高，焊接质量好，对焊工技术水平要求不高，而且电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，劳动条件较好，减轻了手工操作的劳动强度。
附图说明
图1：为本发明耐腐蚀冶金复合双金属直缝埋弧焊钢管焊接工艺流程图。
图2为本发明耐腐蚀冶金复合双金属直缝埋弧焊钢管合缝预焊(定位焊)CO2+Ar混合气体保护焊焊接示意图；右侧小图为左图内圆圈的放大图。
图3为本发明耐腐蚀冶金复合双金属直缝埋弧焊钢管管内碳钢层单丝埋弧焊焊接示意图；右侧小图为左图内圆圈的放大图。
图4为本发明耐腐蚀冶金复合双金属直缝埋弧焊钢管管外碳钢层单丝多层多道埋弧焊焊接示意图；右侧小图为左图内圆圈的放大图。
图5为本发明耐腐蚀冶金复合双金属直缝埋弧焊钢管管内耐腐蚀层过渡层单丝埋弧焊接焊示意图；右侧小图为左图内圆圈的放大图。
图6为本发明耐腐蚀冶金复合双金属直缝埋弧焊钢管管内耐腐蚀层并列双丝埋弧焊焊接示意图。右侧小图为左图内圆圈的放大图。
图中，1为碳钢层，2为耐腐蚀层，3为焊丝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
直径508mm的耐腐蚀复合双金属钢管，碳钢层厚度为19mm，型号为Q235B；耐腐蚀层厚度304L(3mm)，型号304L。
如图1所示，为本发明耐腐蚀冶金复合双金属直缝埋弧焊钢管焊接工艺流程图。钢板经折弯成型形成管坯后运至钢管合缝预焊机(中国黄石生产，型号PB3200/30)进行合缝和钢管全长预焊(定位焊)，预焊(定位焊)完成后将钢管运至钢管内焊机(中国哈尔滨焊接研究所产)，从钢管内进行碳钢层的焊接，钢管内碳钢层焊完后将钢管运至钢管外焊机进行钢管外侧碳钢层的焊接，钢管外碳钢层焊完后，再将钢管运至钢管内焊接机进行钢管耐腐蚀层的过渡层和耐腐蚀层的焊接，焊接完毕后进行后续的检验和整形。
(1)钢管预焊(定位焊)：如图2所示，预焊(定位焊)采用钢管合缝预焊机进行预焊，焊接在钢管外坡口内的碳钢层上进行焊接，焊接采用自动CO2+Ar混合气体保护焊，焊丝型号与等级(ER50-6)与基层碳钢金属相匹配，焊丝直径为Φ3.2mm，焊接电流600A，焊接电压25V、焊接速度2.0m/min，混合气体比例20％CO2+80％Ar，保护气体流量3.0m3/h，焊缝宽度7mm。
(2)、管内碳钢层焊接：如图3所示，钢管内碳钢层的焊接采用钢管内焊机进行单丝自动埋弧焊，焊丝和焊剂的匹配应与碳钢层的金属相适应，焊丝直径Φ3.2mm，焊接电流550A，焊接电压36V，焊接速度0.6m/min，焊缝厚度应不低于耐腐蚀层与碳钢层的结合面以下2mm、且不高出结合面。
(3)管外碳钢层的焊接：如图4所示，钢管外碳钢层的焊接采用钢管外焊机进行单丝或双丝自动埋弧焊，采用多层多道焊。焊丝和焊剂的匹配应与碳钢层的金属相适应，焊丝直径Φ4.0mm，焊接电流700A，焊接电压30～38V，焊接速度0.6m/min，焊接应采用小电流、快速焊小热输入量的方法焊接，焊接热输入控制在20KJ/cm。
(4)、管内耐腐蚀过渡层的焊接：如图5所示，钢管内耐腐蚀层的过渡层的焊接采用钢管内焊机进行单丝自动埋弧焊，焊丝和焊剂的匹配应采用比耐腐蚀层中的耐腐蚀元素略高的焊材，且焊缝的厚度也应不宜太厚。焊丝直径Φ3.2mm或Φ4.0mm，焊接电流300～550A，焊接电压29～35V，焊接速度0.3～0.8m/min，焊缝厚度控制在不大于2.0mm。
(5)、管内耐腐蚀层的焊接：如图6所示，钢管内耐腐蚀层的焊接采用钢管内焊机进行并列双丝自动埋弧焊，焊接材料应选择其化学成分与耐腐蚀层基本一致或耐腐蚀元素略高于耐腐蚀层的焊材(焊丝为H00Cr21Ni10，焊剂为HJ260)。耐腐蚀层的焊缝厚度不低于耐腐蚀层的厚度，且也应不宜太厚。焊丝直径应采用Φ3.2mm或Φ4.0mm，焊接电流400A～500A，焊接电压32～35V，焊接速度0.7m/min。
表1Φ508*22mm直缝埋弧焊管力学性能
实施例2
直径762mm的耐腐蚀复合双金属钢管，碳钢层厚度为9mm，型号为X60；耐腐蚀层厚度316L(2mm)，型号316L。
(1)钢管预焊(定位焊)：预焊(定位焊)采用钢管合缝预焊机进行预焊，焊接在钢管外坡口内的碳钢层上进行焊接，焊接采用自动CO2+Ar混合气体保护焊，焊丝型号与等级ER50-G与基层碳钢金属相匹配，焊丝直径为Φ3.2mm，焊接电流550A，焊接电压25V、焊接速度1.5m/min，混合气体比例20％CO2+80％Ar，保护气体流量2.5m3/hh，焊缝宽度5mm。
(2)、管内碳钢层焊接：如图3所示，钢管内碳钢层的焊接采用钢管内焊机进行单丝自动埋弧焊，焊丝和焊剂的匹配应与碳钢层的金属相适应，焊丝直径Φ2.0mm，焊接电流450A，焊接电压30V，焊接速度0.4m/min，焊缝厚度应不低于耐腐蚀层与碳钢层的结合面以下2mm、且不高出结合面。
(3)管外碳钢层的焊接：钢管外碳钢层的焊接采用钢管外焊机进行单丝或双丝自动埋弧焊，而且根据碳钢层的厚度采用单道焊。焊丝和焊剂的匹配应与碳钢层的金属相适应，焊丝直径3.2mm，焊接电流500A，焊接电压36V，焊接速度0.5m/min，焊接热输入不大于20KJ/cm。
(4)、管内耐腐蚀过渡层的焊接：钢管内耐腐蚀层的过渡层的焊接采用钢管内焊机进行单丝自动埋弧焊，焊丝和焊剂的匹配应采用比耐腐蚀层中的耐腐蚀元素略高的焊材，且焊缝的厚度也应不宜太厚。焊丝直径Φ3.2mm，焊接电流550A，焊接电压35V，焊接速度0.3m/min，焊缝厚度2.0mm。
(5)、管内耐腐蚀层的焊接：钢管内耐腐蚀层的焊接采用钢管内焊机进行并列双丝自动埋弧焊，焊接材料应选择其化学成分与耐腐蚀层基本一致或耐腐蚀元素略高于耐腐蚀层的焊材(焊丝为H00Cr19Ni12Mo2，焊剂为SJ601。耐腐蚀层的焊缝厚度不低于耐腐蚀层的厚度，且也应不宜太厚。焊丝直径应采用Φ3.2mm或Φ4.0mm，焊接电流300～600A，焊接电压29～35V，焊接速度0.5～0.8m/min。
表1Φ762*11mm直缝埋弧焊管力学性能
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种耐腐蚀冶金复合双金属钢管的直缝埋弧焊焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钢管预焊：预焊在所述复合双金属钢管外坡口内对碳钢层进行钢管全长焊接，焊接采用自动CO2+Ar混合气体保护焊，焊丝型号选自ER50-6、ER50-G、ER55-G中一种；
焊接采用粗丝大电流进行焊接，焊丝直径Φ3.2mm，电流550～700A；
(2)、管内碳钢层焊接：采用单丝自动埋弧焊，从钢管内侧对碳钢层进行焊接，焊丝选自H10Mn2、H08D、H08DG、H08C，H08CG中的一种；焊剂选自SJ101、SJ101G、SJ102G中的一种；
焊接采用细丝埋弧焊，焊丝直径Φ2.0～Φ3.2mm，焊接电流300～550A；
(3)管外碳钢层的焊接：采用单丝或双丝自动埋弧焊对钢管外侧的碳钢基层金属进行焊接，根据碳钢层的厚度可采用单道焊或多层多道焊；
焊接热输入为10～20KJ/cm，焊丝直径Φ3.2～Φ4.5mm，电流400～800A；
(4)、管内耐腐蚀过渡层的焊接：采用单丝自动埋弧焊，从钢管内侧对耐腐蚀层过渡层进行焊接，且焊缝的厚度不大于3mm，焊丝直径Φ3.2mm或Φ4.0mm，焊接电流300～550A；
(5)、管内耐腐蚀层的焊接：采用并列双丝自动埋弧焊对钢管内侧的耐腐蚀层进行焊接，焊材选自H0Cr21Ni10、H00Cr21Ni10、H00Cr19Ni12Mo2H00Cr20Ni14Mo3、H0Cr20Ni14Mo3、SUPRASTRIP825SUPRASTRIP625中的一种，耐腐蚀层的焊缝厚度不低于耐腐蚀层的厚度，焊丝直径应采用Φ3.2mm或Φ4.0mm，焊接电流300～600A,，电弧电压29～35V，焊接速度0.3～0.8m/min。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述碳钢基层金属的材料选自Q235B、Q245R、Q345B、Q345R、X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70中的一种；所述耐腐蚀层的金属材料选自304、304L、310S、316L、316LN、317L、321、合金825、合金625中的一种。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤(1)的焊缝宽度为4～7mm。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤(1)CO2+Ar混合气体比例为(20～40)％CO2+(80～60)％Ar，混合气体流量为2.5m3/h～4.5m3/h。
5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)焊缝厚度应不低于耐腐蚀层与碳钢层的结合面以下2mm、且不高出结合面。
6.根据权利要求1～5任一所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤(3)中，当碳钢层厚度为12.7～30mm时采用多层多道焊。
7.根据权利要求1～5任一所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤(3)中，当碳钢层厚度为7～12.7mm时采用单道焊。
8.根据权利要求1～5任一所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤(3)中，焊接电流500～650A，电弧电压30～36V，焊接速度0.4～0.8m/min。
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