CN108941861A - 27SiMn无缝钢管对焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无缝钢管焊接技术领域，具体地，涉及一种27SiMn无缝钢管对焊工艺，包括以下步骤：(1)定位焊前将焊接坡口及其周围用焊炬均匀加热，Tp＝230～250℃，层间温度保持在250～300℃；(2)焊后立即用焊炬进行后热处理，后热温度250～300℃，保温2小时；焊接结束后4小时内，进行去应力退火，温度660～690℃，保温2小时，如此，焊接接头中淬硬的马氏体组织含量低，接近正火硬度，且产品合格率达98％以上，解决了现有技术中27SiMn无缝钢管对焊后的裂纹问题。

Description

27SiMn无缝钢管对焊工艺

技术领域：

本发明涉及无缝钢管焊接技术领域，具体地，涉及一种27SiMn无缝钢管对焊工艺。

背景技术：

27SiMn无缝钢管适用于电厂、锅炉厂、化工、车、轮船的配件等，具体主要分为以下几类：1、流体用无缝钢管；2、锅炉用无缝钢管；3、锅炉用高压无缝钢管；4、化肥设备用高压无缝钢管；5、地质钻探用无缝钢管；6、石油钻探用无缝钢管；7、石油裂化用无缝钢管；8、石油钻铤专用无缝钢管；9、汽车半轴用无缝钢管；10、船舶用无缝钢管；11、冷拔冷扎精密无缝钢管； 12、液压支柱用无缝钢管。上述应用中的27SiMn无缝钢管，多为设备上的执行机构，主要起到承载压力或传递扭矩的作用，具有多种结构形式，并由多个部件构成，这些部件均需要通过焊接组装成为一个整体，其中部件之间的环焊缝是承受压力或扭矩最关键的焊缝之一，如图1所示的零件，焊件一1 通过环焊缝3将动力传递给焊件二2，所以环焊缝3必须能承受较高的负荷，这就要求焊缝金属和热影响区必须有较高的强度、足够高的冲击韧性，并且保证焊接接头无裂纹、夹渣等缺陷。因此，焊接过程是上述此类零件生产制造过程的核心内容。在以往的生产加工过程中，27SiMn无缝钢管焊接缺乏较优化的工艺方案，焊接接头存在较为普遍的质量问题，特别是焊接裂纹、焊缝强度等，造成废品率、返修率一直居高不下。因此，如何解决27SiMn无缝钢管对焊后的裂纹问题，获得强度高、塑性、韧性好的优质焊接接头，是当前必须解决的关键技术问题。

发明内容：

本发明克服现有技术的缺陷，提供一种27SiMn无缝钢管对焊工艺，解决现有技术中27SiMn无缝钢管对焊后的裂纹问题。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案实现：一种27SiMn无缝钢管对焊工艺，包括以下步骤：

(1)定位焊前将焊接坡口及其周围用焊炬均匀加热，Tp＝230～250℃，层间温度保持在250～300℃；

(2)焊后立即用焊炬进行后热处理，后热温度250～300℃，保温2小时；焊接结束后4小时内，进行去应力退火，温度660～690℃，保温2小时。

优选的，所述步骤(1)中采用二氧化碳气体保护焊焊接方式进行焊接。

优选的，所述步骤(1)中采用金桥MG-50-Ti焊丝进行焊接。

优选的，所述步骤(1)中的焊接坡口为V型坡口。

优选的，所述V形坡口采用机械加工完成，焊前坡口处及其周围必须清理干净油污、铁锈、水分等杂质，焊接时，内外各分三层施焊，每焊完一层，在焊下一层之前，都要用砂轮机打磨焊道，清除焊道的飞溅和熔渣。

优选的，27SiMn无缝钢管的规格为且焊机参数为：电流 I＝260～290A，电压U＝29～33V。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：本申请中，定位焊前将焊接坡口及其周围用焊炬均匀加热，Tp＝230～250℃；层间温度保持在250～300℃；焊后立即用焊炬进行后热处理，后热温度250～300℃，保温2小时；焊接结束后4 小时内，进行去应力退火，温度660～690℃，保温2小时，焊接接头中淬硬的马氏体组织含量低，接近正火硬度，且产品合格率达98％以上，解决了现有技术中27SiMn无缝钢管对焊后的裂纹问题。

附图说明：

图1为本发明27SiMn焊件环焊缝示意图；

图中：1～焊件一；2～焊接二；3～环焊缝；

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。

一种27SiMn无缝钢管对焊工艺，

(1)定位焊前将焊接坡口及其周围用焊炬均匀加热，Tp＝230～250℃，层间温度保持在250～300℃；

(2)焊后立即用焊炬进行后热处理，后热温度250～300℃，保温2小时；焊接结束后4小时内，进行去应力退火，温度660～690℃，保温2小时。

本申请中，27SiMn无缝钢管作为产品零件制造的焊接母材，由于其焊接性能差，所以一直影响着相关零件的焊接质量。为获得强度高，塑性、韧性好的优质焊接接头，采用理论结合试验的方法，对比通过不同工艺方案所得焊接件的优劣。通过理论分析可得，27SiMn的碳当量值大于0.4％，钢材淬硬性和焊接接头的冷裂纹敏感性强，要确保良好的焊接质量，必须采取焊前预热、控制层间温度、后热及焊后去应力退火等严格的焊接工艺措施。并经试验结果的验证，最终确定最佳焊接工艺，其焊缝满足了具体零件焊接的关键技术要求。

具体地：

1、焊接母材

27SiMn无缝钢管化学成分及力学性能如表1所示：

表1 27SiMn无缝钢管化学成分及力学性能

根据焊接碳当量计算公式，计算出27SiMn无缝钢管的碳当量： Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Cr/5＝0.51％，Ceq值越大(通常大于0.4％)，被焊钢材的淬硬性越大，热影响区越容易产生裂纹。27SiMn无缝钢管的碳当量 Ceq＝0.51％，属焊接性较差的钢种，为保证焊接质量，必须增加焊前预热和焊后热处理等工艺。

2、焊接方法

(1)全自动二氧化碳气体保护焊，能实现智能连续送丝完成零件的焊接工序，实现了机械化和自动化，提高了焊接效率，并且它是一种低氢的焊接方法，适用于像27SiMn这种对冷裂纹敏感的钢材的焊接。

(2)TIG(手工钨极氩弧焊)，其所得的焊缝质量最优，但通常只是用来焊接薄壁钢管的，由于钨极承载电流的能力有限，过大的焊接电流将导致钨极的烧损及蒸发，所以不宜于厚壁钢管的焊接，而且这种方法为人工手动，非自动化，生产效率低。

(3)手工电弧焊，其设备简单、工艺灵活、应用广泛，但其焊条的熔敷速度低，焊条长度固定，在焊接过程中需不断地更换焊条，增加了焊接的辅助时间，清理焊渣飞溅费时费力，生产效率低。

根据上述方法的比较，针对27SiMn无缝钢管的焊接，唯有选择第一种方法，即二氧化碳气体保护焊，才能有效满足生产工艺的需要。

3、焊丝

用二氧化碳气体保护焊焊接时，因为焊接环境具有很强的氧化性，所以焊丝中必须加入一定量的脱氧元素。此外，还应当尽量选用低氢型焊丝，它们不但有一定的脱硫能力，而且熔敷金属塑性和韧性良好，加之扩散氢量又少，其无论对热裂纹或氢致冷裂纹来说，抗裂性都较高。金桥焊丝MG-50-Ti 除其具有Si、Mn等适量脱氧合金元素外，还添加了Ti。由于Ti的添加可使焊丝的球状熔滴细化，能起到稳定电弧的作用，相应飞溅和烟雾的产生量也可大幅度降低，而且Ti还有能使焊道晶粒细化的作用，能增强焊缝的强度及冲击值。焊丝选用金桥MG-50-Ti焊丝，其化学成分如表2所示。

表2直径为MG-50-Ti焊丝的化学成份

4、坡口形式

从便于机械加工，保证坡口尺寸精度的角度考虑，优先选用V型坡口，并采用双面焊接的方法，先内后外，采用这种坡口进行焊接，主要有三个优点：1.与其他坡口形式相比，减少了焊接金属体积，降低了焊缝热量的积累，在一定程度上控制了焊件的变形量；2.由于是环焊缝结构，所以其平焊位置的施焊条件好，且焊接电流可适量增大，则焊接速度可以得到一定程度的提高； 3.在坡口的两侧，电弧停留时间可适当加长，以防止咬边，且易于操作，促进了焊缝质量的提高。坡口形状采用机械加工完成。焊前坡口处及其周围必须清理干净油污、铁锈、水分等杂质。内外各分三层施焊，每焊完一层，在焊下一层之前，都要用砂轮机打磨焊道，清除焊道的飞溅和熔渣。

5、焊接参数测试

焊接时要控制线能量，使其不能过高，否则将使焊接接头的热影响区过宽，粗晶区扩大，造成焊接接头韧性下降。为了简化试验突出重点，此步骤的焊接均采用焊前不预热、层间温度不控制、焊后不进行去应力退火的焊接方法，我们用不同的电流与电压分别进行试样焊接，然后进行试样力学性能测试，最后分析得出最佳焊机参数。

(1)焊件选择

选择规格为的27SiMn无缝钢管。焊接坡口通过机械加工得出，保证加工表面光滑、平整、无异物。为保证各组试验结果的可比性，应保证焊接材料、焊接位置、设备及电源极性、施焊温度等均相同。

(2)试验设计

我们用不同的电流与电压分别进行焊件的焊接，具体方案如下表所示：

表3

(3)试样力学性能测试

为了对上述三种焊接参数方案的结果进行评定，将三种焊接参数方案得到的试样按照《压力容器焊接工艺评定试验方法》中的力学性能试验标准 (JB4708-2000)进行拉伸、弯曲、冲击等测试。此处我们每种方案分别焊接 20件试样，试验结果如下表4所示：

表4

经零件强度计算，焊缝熔敷金属抗拉强度必须要大于550MPa以上，三种参数方案的抗拉强度值均可满足要求；弯曲试验的合格标准是弯头将试样一直压到与弯模底部接触，即试样的弯曲角度为180°时，在焊缝和热影响区内任何方向都不允许出现长度大于2mm的裂纹，结果方案2试件合格率最高；三种参数方案的焊缝及热影响区的冲击功值，方案1、2符合焊接母材标准的规定值(≥39)。

综合比较得参数方案2为最优，因此最佳焊机参数为：电流I＝260～290A，电压U＝29～33V。

6、预热温度

由于27SiMn钢的焊接性能较差，需焊前预热才能防止裂纹。

Tp＝1400Pc-392

Pc＝Pcm+[H]/6+h/600

Pcm＝C+Mn/20+Si/30+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10

Tp—预热温度(℃)；Pc—焊接裂纹敏感指数；Pcm—焊接冷裂纹敏感指数； h—板厚(mm)；[H]—敷熔金属扩散氢含量。

通过上述公式可得，材料的预热温度与其化学成分、敷熔金属扩散氢含量及板厚有关。

MG-50-Ti焊丝的[H]＝0.04ml/g，则可得Pcm＝0.398，Pc＝0.43，继而得出 Tp＝210℃。由于焊前预热温度往往会受环境温度、冷却条件、焊件的结构形状、施工条件、焊工操作技术等因素的影响，为确保预热作用的可靠性，在同等施工条件的基础上，可适当提高预热温度20～40℃，即可取Tp＝230～250℃。

7、焊后热处理

焊缝中扩散氢含量过高是产生冷裂纹的主要原因之一。为减少焊缝中扩散氢的含量，本试验采用焊后热处理，使氢充分的从敷熔金属中扩散逸出，加热温度控制在250～300℃，保温时间由坡口厚度确定，一般为2h小时。

8、焊接工艺的试验检测

8.1试验设计

为得出一个既合理又适用的焊接工艺，我们拟定了以下四种焊接工艺方案：

工艺a：焊前不预热；层间温度不控制；焊后用焊炬回烧至270℃左右空冷；焊后不进行去应力退火。

工艺b：定位焊前将焊接坡口及其周围用焊炬均匀加热，Tp＝230～250℃；层间温度不控制；焊后用焊炬回烧至270℃左右空冷；焊后不进行去应力退火。

工艺c：定位焊前将焊接坡口及其周围用焊炬均匀加热，Tp＝230～250℃；层间温度不控制；焊后用焊炬回烧至270℃左右空冷；焊接结束后4小时内，进行去应力退火，温度660～690℃，保温2小时。

工艺d：定位焊前将焊接坡口及其周围用焊炬均匀加热，Tp＝230～250℃；层间温度保持在250～300℃；焊后立即用焊炬进行后热处理，后热温度 250～300℃，保温2小时；焊接结束后4小时内，进行去应力退火，温度 660～690℃，保温2小时。

8.2试样力学性能测试

为了对上述四种焊接工艺方案的结果进行评定，将四种焊接工艺得到的试件按照《压力容器焊接工艺评定试验方法》中的力学性能试验标准 (JB4708-2000)进行拉伸、弯曲、冲击等测试。

8.3试验结果分析及焊接工艺确定

(1)试验结果分析

上述四种工艺方案中每种工艺方案各焊10件试样，其试验结果如表5所示：

表5四种工艺方法的测试结果

经零件强度计算，焊缝熔敷金属抗拉强度必须要大于550MPa以上，四种工艺方案的抗拉强度值均可满足要求；弯曲试验的合格标准是弯头将试样一直压到与弯模底部接触，即试样的弯曲角度为180°时，在焊缝和热影响区内任何方向都不允许出现长度大于2mm的裂纹，结果只有工艺d试件全部合格；四种工艺方案的焊缝及热影响区的冲击功值除工艺a外，其余虽不低于所焊母材标准的规定值(≥39)，但工艺d的冲击功值相比最大；从母材、焊缝及热影响区的硬度值分析可得，工艺d的焊接接头中淬硬的马氏体组织最少，接近正火硬度，其余三种方案的硬度偏高，淬硬组织含量较高，容易产生冷裂纹。

(2)焊接工艺的确定

根据上述试验结果的分析可得，工艺d满足了零件焊接的两个方面的关键要求：1.焊缝金属和热影响区有一定强度、刚度和足够高的冲击韧性；2.焊接接头无裂纹等缺陷。所以，我们最终选择工艺d作为最佳焊接工艺。依据工艺 d的内容，我们制定了27SiMn无缝钢管的焊接工艺规程，如表6所示，其焊后热处理温度都为660～690℃，保温时间为2小时。

表6 27SiMn无缝钢管的焊接工艺规程

采用上述最终确定的焊接工艺对27SiMn无缝钢管进行对焊，然后按JB 1152-81对焊缝进行超声波检测，产品合格率达98％以上，证明了该焊接工艺是切实可行的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种27SiMn无缝钢管对焊工艺，其特征在于：包括以下步骤，

(1)定位焊前将焊接坡口及其周围用焊炬均匀加热，Tp＝230～250℃，层间温度保持在250～300℃；

(2)焊后立即用焊炬进行后热处理，后热温度250～300℃，保温2小时；焊接结束后4小时内，进行去应力退火，温度660～690℃，保温2小时。

2.根据权利要求1所述的27SiMn无缝钢管对焊工艺，其特征在于：

所述步骤(1)中采用二氧化碳气体保护焊焊接方式进行焊接。

3.根据权利要求1所述的27SiMn无缝钢管对焊工艺，其特征在于：

所述步骤(1)中采用金桥MG-50-Ti焊丝进行焊接。

4.根据权利要求1所述的27SiMn无缝钢管对焊工艺，其特征在于：

所述步骤(1)中的焊接坡口为V型坡口。

5.根据权利要求4所述的27SiMn无缝钢管对焊工艺，其特征在于：

所述V形坡口采用机械加工完成，焊前坡口处及其周围必须清理干净油污、铁锈、水分等杂质，焊接时，内外各分三层施焊，每焊完一层，在焊下一层之前，都要用砂轮机打磨焊道，清除焊道的飞溅和熔渣。

6.根据权利要求1所述的27SiMn无缝钢管对焊工艺，其特征在于：27SiMn无缝钢管的规格为且焊机参数为：电流I＝260～290A，电压U＝29～33V。