CN110076526A - 一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明为一种三层不锈钢及碳钢复合钢管由折弯成型模具对复合板材进行弯曲，形成一留有焊缝的未封闭管道，分别依次对焊连接焊缝两端面的中间碳钢层、内侧不锈钢覆层和外侧不锈钢覆层，并针对中间碳钢层采用二氧化碳气体保护焊或者高熔深快速焊接；内侧不锈钢覆层采用氩气内外保护焊接工艺；外侧不锈钢覆层采用含钛高或者带料药芯焊材进行氩弧焊接；所述中间碳钢层和内侧不锈钢覆层及外侧不锈钢覆层之间的过渡缝焊接时层间温度控制在60℃以下。

Description

一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺

技术领域

本发明涉及复合钢管制造技术领域，具体涉及一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺。

背景技术

不锈钢复合钢板是一种将耐腐蚀、耐热和耐磨的不锈钢作为覆层，采用强度相对较高、塑性和韧性较好的碳钢或低合金钢作为基层的高效金属材料。因此，不锈钢及碳钢的复合钢管具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和低廉的价格，不锈钢及碳钢的复合钢管被广泛的应用于建筑、机械制造、压力容器和石油化工等工业生产中。但是，由于基层碳钢与覆层不锈钢在化学成分、力学和物理性能方面存在较大的差异，使得不锈钢复合钢管折弯成型和熔化焊接时会遇到较大困难。如果成型工艺控制不当，在折弯成型的最初阶段，预弯边时会使复合表面、复合钢板边缘部位受损；同时因熔化焊接工艺控制不当，焊缝中容易出现成分偏析和其他焊接缺陷，降低焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能，难以满足工程结构的使用要求。

在工程实际中三层不锈钢及碳钢的复合钢管常见的结构是以型号Q345B的低碳合金钢为基层，Q345B两侧分别覆盖型号为304L的奥氏体不锈钢，这种复合材料在实际复合钢管制造中还存在以下几方面的问题：1、焊缝稀释率的影响：在焊接时焊缝金属稀释对焊缝综合性能影响较大，焊缝成分由填充金属成分、母材成分及其熔合比确定，一般情况下，经热源搅拌所形成的焊缝金属其成分大致是均匀的，但由于母材为基层碳钢Q345B的稀释作用，往往会在焊接接头过渡区产生脆性马氏体组织，而这种组织存在与焊接接头中，在热应力的作用下很容易产生裂纹缺陷，从而导致接头的性能恶化。2、过渡层碳迁移形成扩散层的影响：元素铬是强碳化物形成元素，因此过渡层焊接时在焊接热作用下，熔合线处的母材Q345B一侧的碳通过焊缝边界向覆层Q304L扩散迁移，在基层碳钢侧形成脱碳层发生软化，而在覆层不锈钢侧形成增碳层发生硬化，基层碳钢和覆层不锈钢性能相差悬殊，导致焊接接头的过渡层区域的焊缝金属高温持久强度和耐腐蚀性能下降，脆性增加，降低了接头的承载能力。3、焊接残余应力较大：覆层304L不锈钢的热膨胀系数比基层Q345B碳钢的热膨胀系数大约23％，而导热系数只有Q345B碳钢的1/3，因此，在焊接受热时覆层不锈钢的膨胀变形量大于基层碳钢，在接头冷却时，覆层不锈钢收缩变形量大于基层碳钢，同时基层碳钢强烈束缚着过渡层金属的收缩，从而使得过渡层金属在焊缝方向上受拉应力作用。

申请号为201210408747.1的中国专利公开了一种不锈钢复合焊接管及其制造方法，在其专利文件中，是先采用保护焊焊接中间层，再用不锈钢焊条以氩弧焊焊接方式焊接出不锈钢覆层焊接，然后采用碳钢焊条以交流埋弧焊焊接出碳钢焊缝。申请号为CN201810203210.9的中国专利公开了一种易焊接敷边的不锈钢与碳钢复合管的制备方法，在其专利文件中利用弯管成型机上运用JCOE成型法将不锈钢复合板弯曲成开口的管状，采用氩弧焊或搅拌摩擦焊焊接方法沿弯曲后的不锈钢复合板的不锈钢敷边进行焊接，但是该方法中对于不同种类的板材只采用一种焊接方式，容易出现焊缝稀释，过渡层碳迁移等造成的强度不高问题。现有的复合钢管焊接技术，异种金属焊接基层、过渡层、覆层会采用不同焊接方法，常常造成复合管的焊接难度增加、效率低下、成本增高。公告号为CN108311542A的中国专利公开了一种不锈钢管与碳钢管轧制三层复合管的方法，该方法分别将三层板材依次弯曲成型焊接后在层层嵌套后形成，弯曲后的两端形成梯形环槽，在环槽中浇筑不锈钢覆边，最后进行抽真空、热封和轧制；利用上述方法制得的复合钢管易于焊接，焊缝结合强度较高，但是对于三层板材之间的结合不充分，相邻板材边缘的强度低。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺，主要包括复合钢管的成型工艺和熔化焊接工艺，制得的复合钢管既能保证中间层碳钢的强度高，也能保证不锈钢覆层化学成分稳定不变具有较好的耐腐蚀性能。

本发明的技术方案如下：

一种三层不锈钢及碳钢复合钢管由折弯成型模具对复合板材进行弯曲，形成一留有焊缝的未封闭管道，分别依次对焊连接焊缝两端面的中间碳钢层、内侧不锈钢覆层和外侧不锈钢覆层，并针对中间碳钢层采用二氧化碳气体保护焊或者高熔深快速焊接；内侧不锈钢覆层采用氩气内外保护焊接工艺；外侧不锈钢覆层采用含钛高或者带料药芯焊材进行氩弧焊接；所述中间碳钢层和内侧不锈钢覆层及外侧不锈钢覆层之间的过渡缝焊接时层间温度控制在60℃以下。

进一步的，三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺具体包括如下步骤：

S1、选板及板材检测：选择由不锈钢和低碳合金钢经过冶金复合轧制而成的三层复合钢板；

S2、破角切割：利用激光切割设备对复合板材两端头的外侧不锈钢覆层和内侧不锈钢覆层进行破角切割，使得复合板材的两端头对接后在外侧不锈钢覆层和中间碳钢层之间以及内侧不锈钢覆层和中间碳钢层之间均形成X形破口，同时并利用抛光设备对所有切割部分进行抛光处理，防止有夹杂物以及油染，并对端口进行清理；

S3、折弯成型：利用液压设备和折弯成型模具对复合板材进行快速弯曲成型，形成一留有焊缝的未封闭管道，管道焊缝的两侧焊接面彼此靠近；所述折弯成型模具的压制端头与横截面形状不同的管道相匹配；

S4、钢管焊接：按照中间碳钢层、内侧不锈钢覆层和外侧不锈钢覆层的顺序对管道焊缝的两端面依次进行对焊连接；在中间碳钢层和内侧不锈钢覆层、外侧不锈钢覆层之间增加过渡层焊缝；所述过渡层焊缝采用药芯焊丝及氩气内外保护状态下进行焊接；

S5、整型测试：焊接完成后采用内径扩径对复合钢管从内径到外径进行定位扩径处理；对扩径后的复合钢管进行水压试验、X射线探伤检验和理化性能检验。

进一步的，所述步骤中外侧不锈钢覆层与中间碳钢层之间的X形破口深度应大于外侧不锈钢覆层厚度且小于外侧不锈钢覆层厚度的2倍，在焊接过程中露出中间碳钢层；所述内侧不锈钢覆层与中间碳钢层之间的X形破口深度应小于内侧不锈钢覆层厚度，在焊接过程中不露出中间碳钢层。

进一步的，所述步骤S3中制造圆管时所述折弯成型模具的压制端口为圆弧状；所述压制端口的半径比待加工的圆管半径小10-20mm。

进一步的，所述步骤S4中所述中间碳钢层选用直径为2.0mm的H08A焊丝配合熔炼型焊剂HJ431；所述内侧不锈钢覆层和外侧不锈钢覆层选用直径为1.6mm的低碳含钛型药芯焊丝E308L；所述过渡层焊缝选用药芯焊丝以及采用内外气体保护工艺进行焊接。

进一步的，在所述步骤S4的中间碳钢层焊接后，其焊接面距离中间碳钢层与外侧不锈钢覆层之间结合面0.5-1.0mm。

一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺应用于型号为Q345B低碳合金钢作为中间碳钢层以及型号为304L的奥氏体不锈钢作为内侧不锈钢覆层和外侧不锈钢覆层的复合钢管结构。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明针对三层不锈钢及碳钢复合管中的中间碳钢层采用二氧化碳气体保护下的高熔深焊，快速的焊接使碳钢基层内部组织在高温焊接的晶相转变过程中能够快速的抑制其形变，保证中间碳钢层的结构和强度；针对内侧不锈钢层采用氩气保护焊，能够防止或减少焊接过程中对焊缝金属的稀释作用；针对外侧不锈钢采用含钛高的焊丝进行覆盖后采用高速焊接法，降低电流电压，利用惰性气体进行保护，含钛高的焊丝在不锈钢外形成保护层能够防止不锈钢中镍成分的流失，采用中间碳钢层、内侧不锈钢层和外侧不锈钢层的顺序依次焊接并针对不同层次采用不同焊接工艺能够确保焊接过程维持稳定良好的化学成分和物理性能以及完好的晶体组织，使得最终制得的复合钢管既能拥有基层碳钢的高强度，也能拥有覆层不锈钢较好的耐腐蚀性能。

2、本发明在针对不同层间的过渡焊接过程中严格的控制焊接熔池温度，不锈钢覆层焊接完成温度应及时控制在600℃以下，如果此时的温度没有获得抑制，不锈钢会发生奥氏体转变现象，其中化学成分重新组织但是不会发生变化，但是在过渡层焊接完成后再次进行二次焊接时应把温度控制在60℃以下，这样能够有效防止在过渡焊接时由于中间碳钢层的稀释作用，以及影响中间层化学成分和内部组织发生变化影响不锈钢覆层的稳定性。

3、本发明在前期破口抛光处理过程中外侧不锈钢覆层的破口深度应大于外侧不锈钢覆层厚度且小于外侧不锈钢覆层厚度的2倍，露出中间碳钢层，外侧不锈钢破口较深，方便中间碳钢层采用不加焊丝的高熔深快速焊接，有利于抑制焊接过程中的由于相变产生的形变；所述内侧不锈钢覆层与中间碳钢层的破口应小于内侧不锈钢覆层厚度，不露出中间碳钢层，防止焊接过程中碳钢和不锈钢绞在一起导致铬流失，无法达到平衡状态，影响焊缝接头的稳定性。

4、本发明中对复合钢管的折弯机成型模具进行改进，将现有技术中的带有棱角的成型模具压制端口改进为半圆弧状的成型模具压制端口，这样能够增大成型模具压制端口与复合板材的接触面积，进而增大液压设备对复合板材的压力，在足够大的压力下不需要利用预弯机即可实现复合钢管的快速折弯成型，同时利用该圆弧状的成型模具压制端口能够避免由于增大压力和棱角的存在造成复合板材破损和多次折弯造成的成型钢管的圆标准率下降等问题。

附图说明

图1为本发明复合钢管制造工艺的流程图；

图2为本发明制造圆管时折弯成型后复合板材的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明制造圆管时折弯成型模具压制端头的结构示意图。

图5为本发明制造圆管时焊接后复合钢管的结构示意图；

图6为图4中A处放大后的俯视图；

图中标记表示为：

1、中间碳钢层；2、内侧不锈钢覆层；3、外侧不锈钢覆层；4、X形破口；5、液压设备；6、折弯成型模具；7、压制端口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺并应用于型号为Q345B低碳合金钢作为中间碳钢层1以及型号为304L的奥氏体不锈钢作为内侧不锈钢覆层2和外侧不锈钢覆层3的复合钢管结构；所述三层不锈钢及碳钢复合钢管由折弯成型模具对复合板材进行折弯成型，可根据需要的制造的钢管的横截面形状，选择不同的折弯成型模具，折弯成型后形成一留有焊缝的未封闭管道，分别依次对焊连接焊缝两端面的中间碳钢层1、内侧不锈钢覆层2和外侧不锈钢覆层3，并针对中间碳钢层1采用二氧化碳气体保护焊或者高熔深快速焊接，内侧不锈钢覆层2采用氩气保护焊，外侧不锈钢覆层3采用含钛高或者带料药芯焊材进行氩弧焊接；所述中间碳钢层1采用型号为Q345B的低碳合金钢；所述内侧不锈钢覆层2和外侧不锈钢覆层3采用型号为304L的奥氏体不锈钢；内侧不锈钢覆层2和外侧不锈钢覆层3焊接完成温度应及时控制在600℃以下，如果此时的温度没有获得抑制，不锈钢会发生奥氏体转变现象，其中化学成分重新组织但是不会发生变化；所述中间碳钢层1和内侧不锈钢覆层2及外侧不锈钢覆层3之间的过渡缝焊接时层间温度控制在60℃以下，这样能够有效防止在过渡焊接时由于中间碳钢层1的稀释作用，以及影响中间层理化性能，导致内侧不锈钢覆层2和外侧不锈钢覆层3的化学成分和内部组织发生变化影响不锈钢覆层的稳定性。

进一步的，参见图1为三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺的流程图，具体包括如下步骤：

S1、选板及板材检测：选择由不锈钢和低碳合金钢经过冶金复合轧制而成的三层复合钢板；

S2、破角切割：利用激光切割设备对复合板材两端头的外侧不锈钢覆层3和内侧不锈钢覆层2进行破角切割，使得复合板材的两端头对接后在外侧不锈钢覆层3和中间碳钢层1之间以及内侧不锈钢覆层2和中间碳钢层1之间均形成X形破口4(如图2和图3所示为制造圆管时形成的X型破口的示意图)，同时并利用抛光设备对所有切割部分进行抛光处理；外侧不锈钢覆层3与中间碳钢层1之间的X形破口4深度应大于外侧不锈钢覆层3厚度且小于外侧不锈钢覆层3厚度的2倍，在焊接过程中露出中间碳钢层1，外侧不锈钢覆层3破口较深，方便中间碳钢层1采用不加焊丝的高熔深快速焊接，有利于抑制焊接过程中的由于相变产生的形变；所述内侧不锈钢覆层2与中间碳钢层1之间的X形破口4深度应小于内侧不锈钢覆层2厚度，在焊接过程中不露出中间碳钢层1，防止焊接过程中碳钢和不锈钢绞在一起导致铬流失，无法达到平衡状态，影响焊缝接头的稳定性；

S3、折弯成型：利用液压设备5和折弯成型模具6对复合板材进行快速弯曲成型，形成一留有焊缝的未封闭管道，管道焊缝的两侧焊接面彼此靠近；所述折弯成型模具6的压制端头7与横截面形状不同的管道相匹配；制造圆管时所述折弯成型模具6的压制端口7为半圆弧状(如图4所示)，所述压制端口7的半径比待加工的复合钢管的半径小10-20mm，利用半圆弧状的压制端口7在折弯成型过程中能够将制成的钢管圆标准率提高10％，降低表面成型受损率30％；

S4、钢管焊接：按照中间碳钢层1、内侧不锈钢覆层2和外侧不锈钢覆层3的顺序对复合板材两端头依次进行对焊联接；在中间碳钢层1和内侧不锈钢覆层2、外侧不锈钢覆层3之间增加过渡层焊缝；所述过渡层焊缝采用药芯焊丝及氩气内外保护状态下进行焊接(如图6为制造圆管时焊接完成后的圆管结构示意图)；

S5、整型测试：焊接完成后采用内径扩径对复合钢管从内径到外径进行定位扩径处理；对扩径后的复合钢管进行水压试验、X射线探伤检验和理化性能检验。

进一步的，所述步骤S4中所述中间碳钢层1选用直径为2.0mm的H08A焊丝配合熔炼型焊剂HJ431，形成的基层碳钢焊缝主要承担力学性能；所述内侧不锈钢覆层2和外侧不锈钢覆层3选用直径为1.6mm的低碳含钛型药芯焊丝E308L，不锈钢覆层焊缝主要起耐腐蚀的作用；所述过渡层焊缝选用药芯焊丝以及采用内外气体保护工艺进行焊接。

如图5所示，在所述步骤S4的中间碳钢层1焊接后，其焊接面与中间碳钢层1和外侧不锈钢覆层3之间结合面的距离为D，D在0.5-1.0mm范围之间，能够降低不锈钢层和碳钢层之间的熔合比，保证过渡层焊缝的焊接质量。

进一步的，利用三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺可以制造实际需求的任意形状的复合钢管，例如圆管、方管和多边形管等。

测试方法：

水压试验参数：正常钢管工作压力为2MPa，试验压力为4MPa，通过正常通水，加注满后进行排气工作，再加压达到试验压力后根据需求进行保压试验，保压时间一般为10-20min，根据保压时间后进行肉眼观察是否漏水、漏气，压力下降不小于0.5MPa，均达到以上要求视为焊接部分合格，方可进行解压。

为验证焊接接头的质量能够满足304L+Q345B+304L的三层不锈钢复合钢管的使用要求，同时又避免对复合钢管造成破坏，采取增加产品焊接试板的方法随同复合钢管焊缝一起焊接，焊后对三层复合板母材和产品焊接试板分别进行X射线探伤检验和力学性能检验；

X射线探伤检验：检验结果参照JB/T4730.2标准中的Ⅰ级标准进行判断。

力学性能检验：试验时分别取2件产品焊接试板T1和T2进行焊接接头的全厚度拉伸试验，拉伸试验结果如表1所述：

由表1可知，焊接试板的焊接接头的抗拉强度分别为695MPa，698MPa,均高于三层复合板母材本身的抗拉强度690MPa，对T1和T2的焊接试板施加拉力直至拉断，发现焊接试板的断裂位置均远离接头的熔合线，根据拉伸试验的合格指标——断在焊缝或熔合线以外的母材上，其抗拉强度不得低于标准规定的母材抗拉强度最低值的95％以上，可认为试验符合要求。

对焊接试板T1和T2进行弯曲，发现拉伸面上的焊缝和热影响区内没有任何缺陷存在，表明焊接接头具有良好的塑性。根据弯曲试样的合格指标：弯曲试样弯曲到规定的角度后，其拉伸面上的焊缝和热影响区内，沿任何方向不得有单条长度大于3mm的开口缺陷，即视为合格。

综上所述，经本发明的制造工艺制造的三层不锈钢复合钢管的焊接接头质量良好，可以满足不锈钢复合钢管对强度及塑性的要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺，其特征在于：三层不锈钢及碳钢复合钢管由折弯成型模具对复合板材进行弯曲，形成一留有焊缝的未封闭管道，分别依次对焊连接焊缝两端面的中间碳钢层（1）、内侧不锈钢覆层（2）和外侧不锈钢覆层（3），并针对中间碳钢层（1）采用二氧化碳气体保护焊或者高熔深快速焊接；内侧不锈钢覆层（2）采用氩气内外保护焊接工艺；外侧不锈钢覆层（3）采用含钛高或者带料药芯焊材进氩弧焊接；所述中间碳钢层（1）和内侧不锈钢覆层（2）及外侧不锈钢覆层（3）之间的过渡缝焊接时层间温度控制在60℃以下。

2.如权利要求1所述的一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1、选板及板材检测：选择由不锈钢和低碳合金钢经过冶金复合轧制而成的三层复合钢板；

S2、破角切割：利用激光切割设备对复合板材两端头的外侧不锈钢覆层（3）和内侧不锈钢覆层（2）进行破角切割，使得复合板材的两端头对接后在外侧不锈钢覆层（3）和中间碳钢层（1）之间以及内侧不锈钢覆层（2）和中间碳钢层（1）之间均形成X形破口（4），同时利用抛光设备对所有切割部分进行抛光处理，防止有夹杂物以及油染，并对端口进行清理；

S3、折弯成型：利用液压设备（5）和折弯成型模具（6）对复合板材进行快速折弯成型，形成一留有焊缝的未封闭管道，管道焊缝的两侧焊接面彼此靠近；所述折弯成型模具（6）的压制端头（7）与横截面形状不同的管道相匹配；

S4、钢管焊接：按照中间碳钢层（1）、内侧不锈钢覆层（2）和外侧不锈钢覆层（3）的顺序对管道焊缝的两端面依次进行对焊连接；在中间碳钢层（1）和内侧不锈钢覆层（2）、外侧不锈钢覆层（3）之间增加过渡层焊缝；所述过渡层焊缝采用药芯焊丝及氩气内外保护状态下进行焊接；

S5、整型测试：焊接完成后采用内径扩径对复合钢管从内径到外径进行定位扩径处理；对扩径后的复合钢管进行水压试验、X射线探伤检验和理化性能检验。

3.如权利要求2所述的一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺，其特征在于：所述步骤S2中外侧不锈钢覆层（3）与中间碳钢层（1）之间的X形破口（4）深度应大于外侧不锈钢覆层（3）厚度且小于外侧不锈钢覆层（3）厚度的2倍，在焊接过程中露出中间碳钢层（1）；所述内侧不锈钢覆层（2）与中间碳钢层（1）之间的X形破口（4）深度应小于内侧不锈钢覆层（2）厚度，在焊接过程中不露出中间碳钢层（1）。

4.如权利要求2所述的一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工序中，其特征在：所述步骤S3中制造圆管时所述折弯成型模具（6）的压制端口（7）为圆弧状；所述压制端口（7）的半径比待加工的圆管半径小10-20mm。

5.如权利要求2所述的一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺，其特征在于：所述步骤S4中所述中间碳钢层（1）选用直径为2.0mm的H08A焊丝配合熔炼型焊剂HJ431；所述内侧不锈钢覆层（2）和外侧不锈钢覆层（3）选用直径为1.6mm的低碳含钛型药芯焊丝E308L；所述过渡层焊缝选用药芯焊丝以及采用内外气体保护工艺进行焊接。

6.如权利要求2所述的一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺，其特征在于：在所述步骤S4的中间碳钢层（1）焊接后，其焊接面距离中间碳钢层（1）与外侧不锈钢覆层（3）之间结合面0.5-1.0mm。

7.如权利要求1和2任一所述的一种三层不锈钢及碳钢的复合钢管制造工艺应用于型号为Q345B低碳合金钢作为中间碳钢层（1）以及型号为304L的奥氏体不锈钢作为内侧不锈钢覆层（2）和外侧不锈钢覆层（3）的复合钢管结构。