CN107350601B - 一种海上作业设备中异种金属材料的焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种海上作业平台的异种金属的焊接工艺，本焊接工艺主要涉及轴承罩中碳钢以及时效强化后的镍基材料GH4169的焊接。本焊接工艺包括焊前准备、焊前处理、焊接加工、焊后处理、性能检验五个步骤；本发明能够使得特定的位置具备特殊的性能要求。该合金具有优良的耐腐蚀和耐磨性能，并且耐盐雾气氛下的应力腐蚀。因此将该材料焊接在筒体上下接触的表面，可以有效保证长时间的接触摩擦，大幅提高旋转接头的使用寿命，降低因维修，更换造成的成本浪费。
Description
技术领域
本发明涉及一种海上原油设备中异种材料的焊接工艺，具体地说是一种海上原油设备中旋转接头部分上涉及的异种材料为高强钢与镍基合金GH4169的焊接工艺，属于焊接技术领域。
背景技术
当今对于海上原油产业，由于使用工况异常复杂，为了能抵抗海水，盐雾以及部分原油腐蚀，迫使国内外均在积极研发新材料，镍基合金GH4169作为新材料，具有良好的综合性能，具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，并且具有良好的加工性能。但该类材料整体铸造价格较高，因此，为了满足特定机械部位的使用，与价格较为低廉的异种金属碳钢的焊接成为主导，但这两种金属化学成分，物理性能上都有很大的差异，因此，焊接有较大难度。
发明内容
本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：一种用于海上作业平台的异种金属之间的焊接工艺，其特征在于：通过采用相应的焊前准备以及使用相应的焊接参数及方法以完成异种金属之间的焊接。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，包括以下步骤：
Ⅰ、焊前准备：选取碳钢材料D36以及时效强化后的镍基合金GH4169作为母材材料，选用镍基合金焊条作为焊接材料；
Ⅱ、焊前处理：对所有坡口位置以及坡口附近20-30mm范围进行表面清洁，保证表面洁净无杂质，并进行预热处理；
Ⅲ、焊接施焊：采用对称施焊的方式进行焊接所述焊接位置，选用镍基合金材料的焊条；
Ⅳ、焊后处理：焊接施焊完成之后，对工件进行粗加工；
Ⅴ、质量检验：对粗加工处理完毕的工件进行性能及质量检验，符合检验标准，否则重新进行焊接处理。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，所述步骤Ⅰ中的普通高强钢材料D36含有以下质量百分比的化学成分：C：≤0.18％，Mn：0.70-1.60％，Ni：0.40％，Cr：0.20％，Mo：0.08％，余量为Fe；时效强化后的高强耐蚀的镍基合金GH4169材料含有以下质量百分比的化学成分：C：≤0.08％，Mn：≤0.35％，Fe：剩余，P：≤0.015%，S：≤0.015%，Si：≤0.35%，Cu：≤0.3%，Ni：50.0-55.0％，Al：0.2-0.8％，Ti：0.65-1.15％，Cr：17.0-21.0％，Nb：4.75-5.5，Mo ：2.8-3.3％，Co：≤1.0%。所述手工电焊条的直径为ф3.2mm，所述手工电焊条含有以下质量百分比的化学成分：其成分主要为C：≤0.06%，Mn：≤6.20%，Fe：≤9.23%，P：≤0.002%，S：≤0.003%，Si：≤0.54%，Ni：≤69.20%，Ti：≤0.07%，Cr：≤13.50。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，所述步骤Ⅰ焊条需焊前作烘干处理，烘干温度为350-400℃，烘干时间为30-60分钟。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，所述步骤Ⅱ表面清洁工序为：选用无纺布进行表面油污以及其他杂质的预处理，对所需焊接部位的表面进行擦拭，去除大颗粒的杂质，油污；预处理完成之后使用喷雾进行表面的清洁，清洁区域包括由坡口部位向外延伸的≥20-30mm处。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，所述喷雾为可塞新1755EF环保快速清洗剂，直喷、速干。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，所述步骤Ⅱ通过陶瓷加热片进行待焊部位的表面进行加热，所述加热温度为≤100℃，以去除待焊部位表面的冷凝水。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，所述步骤Ⅲ通过直流焊机采用SMAW的焊接方法，对工件的待焊部位进行焊接施焊，所述对称施焊由于零件属于圆形框型结构，待焊零件为上表面焊接时效强化后的镍基材料GH4169作为耐磨材料的轴承罩，因此，将整体焊缝分成四份，分别对称施焊，以减小残余应力。
进一步的，前述的多层多道，采用分段多层焊，即在完成整段焊缝前，先用连续多层焊道焊缝全部或部分完成每段纵向焊道。使用分段多层焊，重要的是随后的每焊层都稍短于前一焊层，使得每段的尾部轻微倾斜，这样一来，就能在填焊连接相邻焊段时保证其充分熔合。且要求每道焊缝宽度不宜超过16mm，每层焊缝厚度不得超过3mm。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，采用的焊接施焊的参数为：焊接电流：115A～120A，电流极性：DCEP，焊接电压：24V～25V，焊接速度：12～13厘米/分钟，焊接位置：平焊，焊枪摆动宽度：≤16mm，层间温度：≤200℃。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，所述步骤Ⅴ检验方法为：采用着色探伤对整个焊接区域的质量进行检测；并且采用煤油试漏的方法进行整体焊缝的密闭测试。
进一步的，前述的海上原油设备中异种材料的焊接工艺，所述步骤Ⅴ检验标准为：成品工件的焊缝位置与母材紧密结合，无焊缝裂纹，气孔，凹坑，夹杂。由于该焊接工艺主要用于接触摩擦的特殊位置焊接，因此，该焊接不得影响到接触面原有硬度。
本发明，其突出效果为：本发明针对海上原油作业设备长期处于海水环境下，极易遭受海水，盐雾以及部分原油腐蚀，并且兼顾产品需长时间摩擦的特点，因此选用镍基合金GH4169作为基体材料与普通高强钢进行焊接。使得整个摩擦表面具有良好的综合性能，具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能。本发明为镍基材料GH4169与普通高强钢寻得最佳的焊接工艺，以满足这两种异种金属的焊接。本发明主要用于海上原油作业设备，与现有的整体锻件的方式相比，经济上会降低生产成本，只在需要用到镍基合金性能时使用，其余部位使用价格低廉的碳钢材料。并且镍基合金GH4169在国内焊接应用较少，也能填补一些空缺。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1焊缝坡口示意图。
图2使用面硬度测试点示意图。
图3本发明焊接后的轴承罩结构示意图。
具体实施方式
实施例1
首先，进行焊前准备：选取较为普通的碳钢材料D36以及时效强化后的镍基合金GH4169作为母材材料，选用镍基合金焊条作为焊接材料。时效强化是通过高温固溶淬火处理，形成过饱和固溶体，通过时效，过饱和固溶体分解，合金元素以一定方式析出，弥散在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和错位的运动，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。其中，普通高强钢材料D36的化学成分为C：0.16％，Mn：1.23％，Ni：0.35％，Cr：0.15％，Mo：0.06％，余量为Fe；时效强化后的高强耐蚀的镍基合金GH4169材料的化学成分为C：0.06％，Mn：0.33％，Fe：剩余，P：0.012%，S：0.013，Si：0.30%，Cu：0.21%，Ni：53.5％，Al：0.4％，Ti：0.85％，Cr：19.8％，Nb：5.05，Mo ：3.01％，Co：0.85%。手工电焊条的的化学成分为C：0.04%，Mn：5.20%，Fe：9.01%，P：0.001%，S：0.002%，Si：0.52%，Ni：68.80%，Ti：0.052%，Cr：12.0%。
并按照设计图纸加工要求选取焊接位置：该海上原油作业设备中的轴承罩图3为高强钢D36，上表面由于需长时间接触摩擦因此焊接时效强化后的镍基材料GH4169作为耐磨材料。根据图纸要求将D36材料坡口加工至示意图尺寸，如附图1所示。
其次，对待焊工件进行焊前处理：对所述焊接位置进行表面清洁，保证表面洁净无杂质，并进行预热处理；
由于在高温环境中，镍在含有硫、磷、铅、锡、锌的环境下很容易脆化，脆化易导致焊缝与受热区域产生严重裂纹。且脆化元素总是以一种或另一种形式存在于焊接车间。如车间的灰尘、油脂、油污、油漆、渗透检验残留物、切削液、马克笔颜料与墨水、加工过程化学品、机床设备润滑油、温度计、铅、铜锤以及压缩机或其它设备的油雾等。因此，选用无纺布进行表面油污以及其他杂质的预处理，对所需焊接部位的表面进行擦拭，去除大颗粒的杂质，油污；预处理完成之后使用喷雾进行表面的清洁；本实施例中选用的清洗剂为可塞新1755EF环保快速清洗剂。清洁区域包括由坡口位置向外延伸的≥20-30mm处。
同时，由于潮湿会造成堆焊合金产生气孔，并且水汽也极易造成冷裂纹，因此采用陶瓷加热片将坡口表面加热到150℃，以去除潮湿或冷凝水。
第三步，对前期预处理的待焊部位进行焊接施焊：本实施例中采用手工电焊条的焊接方法，将所有焊缝分成4段对称施焊，由于为手工电焊条焊接，因此要求操作者在焊条摆动时，摆动幅度不宜过宽，避免咬边夹杂的产生，并且需严格控制层间温度，在道于道之间用砂轮机打磨。
其中，焊接参数为：焊接电流：115A～120A，电流极性：DCEP，焊接电压：24V～25V，焊接速度：12～13厘米/分钟，焊接位置：平焊，焊枪摆动宽度：≤16mm，层间温度：≤200℃。
最终，对处理完毕的工件进行质量检验：焊后将前述的焊接区域粗加工后稍留余量，对整个焊缝区域表面进行着色检测，并且采用煤油试漏的方法进行整体焊缝的密闭测试。要求成品工件的焊缝位置与母材紧密结合，无焊缝裂纹，气孔，凹坑，夹杂。由于该焊接工艺主要用于接触摩擦的特殊位置焊接，因此，该焊接不得影响到接触面原有硬度，根据图2所示进行使用面硬度测试。
通过本实施例中所使用的工艺焊接完成的轴承罩图3，经检验后成品焊接接头部位焊缝裂纹，气孔，凹坑，夹杂，并且使用面硬度为HRC40左右符合使用要求。
Claims (7)
1.一种海上作业设备中异种金属材料的焊接工艺，其特征在于：包括以下步骤：
Ⅰ、焊前准备：选取碳钢材料D36以及时效强化后的高强耐蚀镍基合金GH4169作为母材材料，选用镍基合金材料作为焊接材料；所述碳钢材料D36含有以下质量百分比的化学成分： C：≤0 .18％，Mn：0 .70-1 .60％，Ni：0 .40％，Cr：0 .20％，Mo：0 .08％，余量为Fe；时效强化后的高强耐蚀镍基合金GH4169材料含有以下质量百分比的化学成分：C ：≤0.08％，Mn ：≤0 .35％，Fe ：剩余，P：≤0 .015% ，S：≤0 .015% ，Si ：≤0 .35% ，Cu ：≤ 0.3%，Ni：50 .0-55 .0％，Al：0 .2-0 .8％，Ti：0 .65-1 .15％，Cr：17 .0-21 .0％，Nb：4.75-5 .5％，Mo：2 .8-3 .3％，Co：≤1 .0%；
Ⅱ、焊前处理：对所有坡口位置以及坡口附近20-30mm范围进行表面清洁，保证表面洁净无杂质，并进行预热处理；
Ⅲ、焊接施焊：采用对称施焊的方式对焊接位置进行焊接，选用镍基合金材料的手工电焊条；所述手工电焊条的直径为Φ3 .2mm，所述手工电焊条含有以下质量百分比的化学成分： C：≤0 .06%，Mn：≤6 .20%，Fe：≤9 .23%，P：≤0 .002%，S：≤0 .003%，Si：≤0 .54%，Ni：≤69 .20%， Ti：≤0 .07%，Cr：≤13 .50％；通过直流焊机采用SMAW的焊接方法，对工件的待焊部位进行焊接施焊；待焊零件为上表面焊接时效强化后的镍基材料GH4169作为耐磨材料的轴承罩，将整体焊缝分成四份，分别对称施焊，并采用多层多道的方式，以减小残余应力；所述的多层多道，采用分段多层焊：在完成整段焊缝前，先用连续多层焊道焊缝全部或部分完成每段纵向焊道，且随后的每焊层都短于前一焊层，使得每段的尾部轻微倾斜，在填焊连接相邻焊段时保证其充分熔合；每道焊缝宽度小于等于16mm，每层焊缝厚度小于等于3mm；所述焊接施焊的参数为：焊接电流：115A～120A，电流极性：DCEP，焊接电压：24V～25V，焊接速度：12～13厘米/分钟，焊接位置：平焊，焊枪摆动宽度：≤16mm，层间温度：≤200℃；
Ⅳ、焊后处理：焊接施焊完成之后，对工件进行粗加工；
Ⅴ、质量检验：对粗加工处理完毕的工件进行性能及质量检验，检验其是否符合检验标准，否则重新进行焊接处理。
2.根据权利要求1所述的海上作业设备中异种金属材料的焊接工艺，其特征在于：所述步骤Ⅰ中，选用焊条需焊前作烘干处理，烘干温度为350-400℃，烘干时间为30-60分钟。
3.根据权利要求1所述的海上作业设备中异种金属材料的焊接工艺，其特征在于：所述步骤Ⅱ中，表面清洁工序为：选用无纺布进行表面油污以及其他杂质的预处理，对所需焊接部位的表面进行擦拭，去除大颗粒的杂质，油污；预处理完成之后使用喷雾进行表面的清洁，清洁区域包括由堆焊部位向外延伸的≥20mm处。
4.根据权利要求3所述的海上作业设备中异种金属材料的焊接工艺，其特征在于：所述喷雾为可塞新1755EF环保快速清洗剂。
5.根据权利要求1所述的海上作业设备中异种金属材料的焊接工艺，其特征在于：所述步骤Ⅱ中，通过陶瓷加热片对待焊部位的表面进行加热，加热温度≤100℃，以去除待焊部位表面的冷凝水。
6.根据权利要求1所述的海上作业设备中异种金属材料的焊接工艺，其特征在于：所述步骤Ⅴ中，检验方法为：采用着色探伤对整个焊接区域的质量进行检测；并且采用煤油试漏的方法进行整体焊缝的密闭测试。
7.根据权利要求6所述的海上作业设备中异种金属材料的焊接工艺，其特征在于：所述步骤Ⅴ中，检验标准为：成品工件的焊缝位置与母材紧密结合，无焊缝裂纹，气孔，凹坑，夹杂；由于该焊接工艺主要用于接触摩擦的特殊位置焊接，因此，该焊接不得影响到接触面原有硬度，需达到HRC40，以满足使用要求。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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