CN105798438B - 一种双表面包覆316l不锈钢层状复合板材的对焊连接方法 - Google Patents

一种双表面包覆316l不锈钢层状复合板材的对焊连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法，本发明的对焊连接方法包括坡口设计和中间碳钢、过渡层及上下316L不锈钢层的焊接；通过对坡口型式、坡口深度、坡口宽度、坡口角度、各层焊接材料、过渡层熔敷区厚度的设计，使过渡层材料对耐蚀金属Cr、Ni、Mo起到了过渡补偿作用，保证了上、下316L不锈钢材料层的优良抗腐蚀性能，也保证了焊缝区良好的焊接质量和综合力学性能；采用双枪复合焊，在一次焊接的过程中同时完成了中间碳钢层和上层316L不锈钢材料层过渡层的焊接，提高了焊接效率。

Description

一种双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法
技术领域：
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法。
背景技术：
因为腐蚀而造成的损失日趋严重，尤其在一些强腐蚀性油气田的开发中，更显严重，由于腐蚀问题给国家和社会造成的直接经济损失经估算，约为5000亿元每年，占到国民生产总值的5％，其中因管道腐蚀造成的事故和损失还在逐年增加。层状复合材料可以使强度、熔点、热膨胀系数差异极为悬殊的不同金属实现完美的冶金结合，集不同材料的优点于一身，充分发挥不同材料特性，极大地节约稀贵金属材料，降低设备的制造成本，使稀贵金属在许多领域的应用成为可能。层状复合管市场需求较大，仅我国石油、石化行业就是一个巨大市场，我国油气管道建设中，一部分钢管即用来输运强腐蚀性介质，又在酸性土壤环境中使用，这对于内、外层均具有抗腐蚀性能的层状复合焊管，前景无限好。
管道或设备服役的环境，复杂到难以想象，例如：管道既要输运强腐蚀性介质，又要穿越大地域范围的酸性土壤环境。这对于一般的管道材料来说，根本无法使用，必须得有针对性的或建设性的提出一种内外兼有抗腐蚀功能的管道。而该种管道的焊接，将是管线建设的重头戏，难度可想而知。既要保证内、外层材料优良的抗腐蚀性能，又要确保中间基层材料的高强、高韧性特点。焊接方法、工艺、包括坡口设计和加工都将是大大有别于其他管道焊接的。需要考虑焊接过程的诸多方面，且要协调处理可能出现的各种问题。包括，焊接参数匹配，焊材匹配，焊丝、焊剂匹配，坡口设计和焊接方法及工艺匹配等等。
2014年1月29日公布的公布号为CN 103537816 A的中国发明专利，专利名称为金属层状复合板的焊接方法，该发明专利指出厚度在2.0～22.0mm的金属层状复合板开I型坡口；厚度在22.0～42.0mm，不包括22.0mm的金属层状复合板单面或双面开V型坡口，这种坡口设计与本发明不同；该发明专利的焊接顺序为先焊I型坡口、中间钝边，再焊接V型坡口，这种方法焊接效率低，且没有对焊接层的厚度进行控制。若采用这种方法对本发明的上、下包覆316L不锈钢层状复合板材进行对焊，界面处由于浓度梯度、温度梯度等因素会发生互溶且抗腐蚀元素Cr、Ni会向碳钢侧发生扩散迁移，即受到碳钢的稀释作用，容易使焊缝抗腐蚀性能减弱，影响到管道的服役寿命。
发明内容：
为了克服上述缺点，本发明的目的是提供一种双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法，本发明的对焊连接方法不仅焊接效率高，而且避免了Cr、Ni、Mo耐蚀金属元素由于高温冶金作用出现稀释的问题，确保了上、下双表面316L不锈钢层的优良耐腐蚀特性和中间碳钢层的高强、高韧性特性，使焊缝具有良好的焊接质量和综合力学性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法，包含下述步骤：
步骤1：将两层316L不锈钢材料和一层碳钢通过热轧工艺连接在一起，再经过控扎、控冷技术轧制成层状复合板材，层状复合板材的上、下为316L不锈钢材料层，中间层为碳钢层；上、下316L不锈钢材料层厚度为1～4mm，碳钢层的厚度为8～20mm；上层316L不锈钢材料层和下层316L不锈钢材料层的厚度相同或不同；相邻两层之间为冶金结合；
步骤2：层状复合板材采用“V+I+V”特型复合坡口设计，上层316L不锈钢材料层和下层316L不锈钢材料层的同侧均为“V”型坡口，坡口深度为1～6mm，且深度大于所在316L不锈钢材料层的厚度，坡口夹角为60～80°，坡口外沿宽度为10～20mm；中间碳钢层为“I”型坡口，坡口深度为中间碳钢层全壁厚度；316L不锈钢材料层的“V”型坡口与中间碳钢层的“I“型坡口交汇于中间碳钢侧；
步骤3：完成坡口加工后，组对的层状复合板材从上层316L不锈钢材料层的坡口一侧每隔500mm长进行定位点焊，点焊后组对的层状复合板材坡口间有0.5～1.0mm宽的间隙；
步骤4：完成定位点焊后，采用双枪复合焊对中间碳钢层和上层316L不锈钢材料层“V”型坡口内的过渡层同时进行焊接，形成中间碳钢层熔敷金属区和过渡层熔敷金属区，焊接过程中上、下316L不锈钢材料层的坡口内及附近区域10～20mm宽范围进行惰性气体保护；
步骤5：中间碳钢层和上层“V”型坡口内过渡层完成全部焊接后空冷至室温，对下层316L不锈钢材料层的“V”型坡口进行清根处理，使“V”型坡口最低点处于中间碳钢层的厚度尺寸范围内；
步骤6：“V”型坡口清根处理后，采用TIG焊对下层316L不锈钢材料层进行过渡层焊接，形成的过渡层熔敷金属区的厚度与层状复合板材热轧接合面平齐或超出0～1.0mm，且完全覆盖碳钢；过渡层焊接后，采用TIG焊方法分别对上、下316L不锈钢材料层进行填充、盖面焊接，形成316L不锈钢材料层熔敷金属区，焊接过程整个焊缝区及附近区域均采用惰性气体保护。
上述上、下两层316L不锈钢材料层厚度可以相同或不同。
上述中间碳钢层可以由Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90或X100等碳素结构钢、压力容器钢和管线钢材料构成。
上述步骤4中的双枪复合焊是指将等离子弧焊和钨极氩弧焊复合在一起。
本发明的有益效果：
1、本发明采用双枪复合焊，在一次焊接的过程中同时完成了中间碳钢层和上层316L不锈钢材料层过渡层的焊接，这种焊接方法焊接效率高。
2、本发明从耐蚀金属元素过渡补偿的角度提出了上、下过渡层的焊接，并采用了高Cr、Ni、Mo含量的专用焊丝作为过渡层焊材，同时在坡口型式、坡口深度、坡口宽度、坡口角度、各层焊接材料、过渡层熔敷质量控制、过渡层熔敷厚度等方面做了精细设计和研究布置，使过渡层材料真正起到了对耐蚀金属Cr、Ni、Mo的过渡补偿作用，使焊缝中上、下两界面处的耐蚀金属元素保持在正常水平，保证了上、下316L不锈钢材料层的优良抗腐蚀性能，也保证了焊缝区良好的焊接质量和综合力学性能。
附图说明：
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。
图1为本发明的层状复合板对焊焊缝的过渡熔焊结构示意图。
附图标记说明：1为上层316L不锈钢材料层；2为中间碳钢层；3为下层316L不锈钢材料层；4为上、下316L不锈钢材料层熔敷金属区；5为过渡层熔敷金属区；6为中间碳钢层熔敷金属区。
具体实施方式：
参见图1，以控扎控冷技术制备的316L/X70/316L双表面包覆316L不锈钢层状复合板为实验用试板，本例中316L/X70/316L层状复合板材总厚度为(2.0+12+2.0)mm＝16mm，双表面包覆316L不锈钢材料层厚度均为2.0mm，中间X70钢厚度为12mm，
采用“V+I+V”即型特型复合坡口设计，双表面包覆316L不锈钢材料层坡口角度为60～80°，深度为2.0～3.5mm，宽度为10～12mm；中间X70管线钢层“I”型坡口深度为9～12mm。待完成坡口加工后，组对好的一副316L/X70/316L双表面包覆316L不锈钢层状复合板试板从上面坡口一侧每隔500mm长为一个定位点进行定位点焊，保证点焊后的试板在坡口中间有0～0.5mm宽间隙；然后，采用P+T(等离子弧焊(Plasma Arc Welding缩写PAW)+钨极氩弧焊(Tungsten Inert Gas arc Welding缩写TIG)高效焊接工艺，从上表面“V”型坡口进行过渡层和中间碳钢层的焊接；然后进行下表面316L不锈钢材料层过渡层的TIG焊，选用的ER309焊丝，最后进行上、下双表面316L不锈钢材料层的TIG填充、盖面焊，焊材使用的ER316焊丝。主要焊接工艺参数如下表1和表2所示，本实验316L/X70/316L双表面包覆316L不锈钢层状复合板材对焊焊缝性能检测结果如表3所示
表1P+T焊接试验参数
表2过渡层和316L不锈钢材料层焊接试验参数
表3 316L/X70/316L双表面包覆316L不锈钢层状复合板材对焊焊缝性能检测结果
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干简单推演、替换或变换等都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法，其特征在于：所述对焊连接方法的步骤为：
步骤1：将两层316L不锈钢材料和一层碳钢通过热轧工艺连接在一起，再经过控扎、控冷技术轧制成层状复合板材，层状复合板材的上、下为316L不锈钢材料层(1、3)，中间层为碳钢层(2)；上、下316L不锈钢材料层(1、3)厚度为1～4mm，碳钢层(2)的厚度为8～20mm；相邻两层之间为冶金结合；
步骤2：层状复合板材采用“V+I+V”特型复合坡口设计，上层316L不锈钢材料层(1)和下层316L不锈钢材料层(3)的同侧均为“V”型坡口，坡口深度为2.0～3.5mm，且深度大于所在316L不锈钢材料层(1、3)的厚度，坡口夹角为60～80°，坡口外沿宽度为10～20mm；中间碳钢层(2)为“I”型坡口，坡口深度为9～12mm；316L不锈钢材料层(1、3)的“V”型坡口与中间碳钢层(2)的“I”型坡口交汇于中间碳钢侧；
步骤3：完成坡口加工后，组对的层状复合板材从上层316L不锈钢材料层(1)的坡口一侧每隔500mm长进行定位点焊，点焊后组对的层状复合板材坡口间有0.5～1.0mm宽的间隙；
步骤4：完成定位点焊后，采用双枪复合焊对中间碳钢层(2)和上层316L不锈钢材料层(1)“V”型坡口内的过渡层同时进行焊接，形成中间碳钢层熔敷金属区(6)和过渡层熔敷金属区(5)，焊接过程中上、下316L不锈钢材料层(1、3)的坡口内及附近区域10～20mm宽范围进行惰性气体保护；
步骤5：中间碳钢层(2)和上层“V”型坡口内过渡层完成全部焊接后空冷至室温，对下层316L不锈钢材料层(3)的“V”型坡口进行清根处理，使“V”型坡口最低点处于中间碳钢层(2)的厚度尺寸范围内；
步骤6：“V”型坡口清根处理后，采用TIG焊对下层316L不锈钢材料层(3)进行过渡层焊接，形成的过渡层熔敷金属区(5)的厚度与层状复合板材热轧接合面平齐，且完全覆盖碳钢；过渡层焊接后，采用TIG焊方法分别对上、下316L不锈钢材料层(1、3)进行填充、盖面焊接，形成316L不锈钢材料层熔敷金属区(4)，焊接过程整个焊缝区及附近区域均采用惰性气体保护。
2.如权利要求1所述的双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法，其特征在于：所述上、下316L不锈钢材料层厚度相同或不同。
3.如权利要求1所述的双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法，其特征在于：所述中间碳钢层由Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90或X100构成。
4.如权利要求1所述的双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法，其特征在于：所述步骤4中的双枪复合焊是指将等离子弧焊和钨极氩弧焊复合在一起。
5.如权利要求1所述的双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法，其特征在于：所述步骤6中的上、下316L不锈钢材料层(1、3)进行填充、盖面焊接采用φ1.2mm的ER316焊丝。
6.如权利要求4所述的双表面包覆316L不锈钢层状复合板材的对焊连接方法，其特征在于：所述等离子弧焊的焊接参数为：焊接电流250～350A，焊接电压33～36V，焊接速度2.0～3.0mm/s；所述钨极氩弧焊的焊接参数为：80～110A，焊接电压9.8～11V，焊接速度2.0～3.0mm/s；所述等离子弧焊和钨极氩弧焊的电源极性均为直流正接。
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