CN110560947A - 一种预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，包括：步骤一、在焊接钢管接口处加工“Y”形焊接坡口；步骤二、清洁所述焊接坡口，并利用吹风装置对所述焊接坡口和焊条进行预热烘干；步骤三、通过夹具使两相焊的合金钢管固定，对焊缝附近的钢管进行预热并进行保温，使所述焊接坡口内的氢扩散；步骤四、检测钢管直径、钢管厚度和焊接环境温度，并将其输入模糊控制器得到焊接速度，利用焊条进行打底焊接；步骤五、并采用惰性气体保护焊接区域，对所述焊接区域分层填充焊接，焊缝的厚度1～2mm；在焊接时的焊接速度120—300mm/min；步骤六、对焊接区域进行缓慢降温处理。

Description

一种预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法

技术领域

本发明涉及合金钢管焊接领域，尤其涉及一种预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法。

背景技术

延迟裂纹是冷裂纹的一种，是由于塑性储备、应力状态以及焊缝金属中氢含量等综合作用而产生的焊接裂纹，延迟裂纹不是在焊接过程中产生的，而是在焊后延续一段时间产生的。延迟裂纹主要发生在低合金高强钢中，主要与焊缝含扩散氢、接头所承受的拉应力以及由材料淬硬倾向决定的金属塑性储备有关，是三个因素中的某一因素与相互作用的结果。焊接接头的含氢量、钢的淬硬倾向和接头承受的拘束应力是产生焊接延迟裂纹的三大因素。焊接延迟裂纹是在这三大因素的共同作用下产生的。其中，焊接接头中的氢能使金属产生氢脆，而且能致裂。钢中不可避免地存在一些微观缺陷，例如晶格缺陷、微孔等，这些微观缺陷当有拘束应力作用时,在其前沿能形成一个三向应力区，诱使氢原子扩散和聚集到三向应力区中，当三向应力区中的氢的浓度达到一定值时，金属原子间发生键的破坏，使原来的微观缺陷向前扩展。微观缺陷不断扩展的结果就形成了微裂纹。钢的淬硬倾向则能决定钢中产生的组织。钢的淬硬倾向越大，越容易形成片状马氏体组织，片状马氏体不仅能促进氢脆，而且能为微裂纹的扩展提供一个敏感的基体，促使裂纹扩展。裂纹的出现具有滞后性，部分裂纹无法通过焊接探伤检测，此外延迟裂纹的出现一般为突发出现，无明显的征兆，如果在设备投运后出现，降为人民的生命财产安全埋下重大隐患，因此急需一种焊接工艺方法，最大程度避免延迟裂纹的出现。

发明内容

本发明设计开发了一种预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，将焊接管接管加工成坡口形状，通过模糊控制器设定焊接速度，采用分层焊接，能够降低焊缝收缩应力，预防产生延迟裂缝。

本发明提供的技术方案为：

一种预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，包括：

步骤一、在焊接钢管接口处加工“Y”形焊接坡口；

步骤二、清洁所述焊接坡口，并利用吹风装置对所述焊接坡口和焊条进行预热烘干；

步骤三、通过夹具使两相焊的合金钢管固定，对焊缝附近的钢管进行预热并进行保温，使所述焊接坡口内的氢扩散；

步骤四、检测钢管直径、钢管厚度和焊接环境温度，并将其输入模糊控制器得到焊接速度，利用焊条进行打底焊接；

步骤五、并采用惰性气体保护焊接区域，对所述焊接区域分层填充焊接，焊缝的厚度1～2mm；在焊接时的焊接速度120—300mm/min；

步骤六、对焊接区域进行缓慢降温处理。

优选的是，所述“Y”形焊接坡口的角度为30°-35°。

优选的是，所述步骤二的清洁过程包括：

首先，利用80～200目的砂纸对所述焊接坡口进行打磨，去除焊缝处的铁锈和杂质，然后，在所述焊接坡口处喷涂清洁剂，并利用温水冲洗，清洁剂由水、表面活性剂和乙醇组成，其质量份数为，水：表面活性剂：乙醇＝12：1:6。

优选的是，所述步骤二中的焊接坡口和所述焊条的烘干温度为40-60℃。

优选的是，所述步骤三中的保温温度为200-300℃，保温时间为2-3h。

优选的是，所述步骤四中的模糊控制器工作过程为：

将所述钢管直径与预设钢管直径比较得到钢管直径偏差信号，将所述钢管厚度与预设钢管厚度比较得到钢管厚度偏差信号，将所述焊接环境温度与预设焊接环境温度比较得到焊接温度偏差信号；

将所述焊接温度偏差信号经过微分计算得到焊接温度偏差变化率信号；

将所述钢管直径偏差信号、所述钢管厚度偏差信号和所述焊接温度偏差变化率信号共同经过放大后输入模糊控制器，输出为焊接速度。

优选的是，所述钢管直径偏差信号、所述钢管厚度偏差信号和所述焊接温度偏差变化率信号的模糊集为：{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZR表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

优选的是，所述模糊控制器的输入变量的隶属度函数选择三角形隶属度函数。

优选的是，所述惰性气体采用氩气和/或氦气。

优选的是，所述步骤六的缓慢降温处理曲线为：

其中，T(t)为焊接区域温度，t为降温时间，R_m为焊接管厚度，T_h为焊接温度，T₀为定义的临界温度，η为裂变系数，B为钢管长度，K₁为第一温变系数，K₂为第二温变系数，θ为单位热量。

本发明所述的有益效果

1、本发明设计开发了一种预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，将焊接管接管加工成坡口形状，通过模糊控制器设定焊接速度，采用分层焊接，能够降低焊缝收缩应力，预防延迟裂缝。

2、本发明提供采用的砂纸对焊接坡口进行打磨，再利用清洁剂对焊接坡口进行清洗，对焊缝附近的钢管进行预热并进行保温，使焊接坡口内的氢扩散，有效避免金属产生氢脆现象。

3、本发明在焊接完成后对焊接区域进行缓慢降温处理，防止发生淬硬，避免形成片状马氏体组织，提高焊缝结构应力。

附图说明

图1为本发明所述的高温合金钢管坡口的结构示意图。

图2为本发明所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，包括：

步骤S110、在焊接钢管接口处加工“Y”形焊接坡口，焊接坡口角度为α，取值为30°-35°；

步骤S120、清洁所述焊接坡口，并利用吹风装置对所述焊接坡口和焊条进行预热烘干，焊接坡口和所述焊条的烘干温度为40-60℃；

步骤S121、利用80～200目的砂纸对焊接坡口进行打磨，去除焊缝处的铁锈和杂质；

步骤S122、在焊接坡口处喷涂清洁剂，并利用温水冲洗，清洁剂由水、表面活性剂和乙醇组成，其质量份数为，水：表面活性剂：乙醇＝12：1:6

步骤130、通过夹具使两相焊的合金钢管固定，对焊缝附近的钢管进行预热并进行保温，使所述焊接坡口内的氢扩散；保温温度为200-300℃，保温时间为2-3h；

步骤140、检测钢管直径F_i、钢管厚度G_i和焊接环境温度T_i，并将其输入模糊控制器得到焊接速度，利用焊条进行打底焊接；

将钢管直径F_i与预设钢管直径比较得到钢管直径偏差信号ΔF_i，将钢管厚度G_i与预设钢管厚度比较得到钢管厚度偏差信号ΔG_i，将焊接环境温度T_i与预设焊接环境温度比较得到焊接温度偏差信号ΔT_i；

将焊接温度偏差信号ΔT_i经过微分计算得到焊接温度偏差变化率信号dT_i；

将钢管直径偏差信号ΔF_i、钢管厚度偏差信号ΔG_i和焊接温度偏差变化率信号dT_i输入模糊控制器。

其中，ΔF_i、ΔG_i、dT_i的实际变化范围分别为[10,30]，[10,20]，[0.2,0.8]，ΔF_i、ΔG_i、dT_i的离散论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

则比例因子k₁＝6/20k₂＝6/10k₃＝6/0.6

定义模糊子集及隶属度函数

把钢管直径偏差信号ΔF_i分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，结合经验得出钢管直径偏差信号ΔF_i的隶属度函数表，如表1所示。

表1钢管直径偏差信号ΔF_i的隶属度函数表

ΔF<sub>i</sub>	-6	-5	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6
														PB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
PM	0	0	0	0	0.2	0.4	0	0	0.2	0	0	0	0
														PS	0	0	0	0.2	0.4	0.6	0	0	0.4	0.2	0	0	0
0	0	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	0	0.6	0.4	0.4	0	0
														NB	0.2	0.4	0.4	0.8	0.8	0	0	0	0.8	0.8	0.8	0.2	0.4
NM	0.6	0.8	0.8	0	0	0	0	0	0	0	1.0	0.6	0.8
														NS	0.8	1.0	1.0	0	0	0	0	0	0	0	0.1	0.8	1.0

钢管厚度偏差信号ΔG_i分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，结合经验得出钢管厚度偏差信号ΔG_i的隶属度函数表，如表2所示。

表2钢管厚度偏差信号ΔG_i的隶属度函数表

焊接温度偏差变化率信号dT_i分为三个模糊状态：PB(正大)0(零)，NB(负大)，结合经验得出焊接温度偏差变化率信号dT_i的隶属度函数表，如表3所示。

表3焊接温度偏差变化率信号dT_i的隶属度函数表

dT<sub>i</sub>	-6	-5	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6
														PB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0.2	0.6	0.6	0.8	1.0	0	0.6	0.4	0.4	0	0
														NB	0.8	1.0	1.0	0	0	0	0	0	0	0	0.1	0.8	1.0

获得模糊推理过程必须执行复杂的矩阵运算，计算量非常大，在线实施推理很难满足控制系统实时性的要求，本发明采用查表法进行模糊推理运算，模糊推理决策采用三输入单输出的方式，通过经验可以总结出模糊控制器的初步控制规则，模糊控制器根据得出的模糊值对输出信号进行解模糊化，得到故障等级Γ，求模糊控制查询表，由于论域是离散的，模糊控制规则及可以表示为一个模糊矩阵，采用单点模糊化，得出焊接速度系数Z控制规则见表4。

表4为模糊控制规则表

焊接速度计算公式为V＝Zv₀+60；其中，V为焊接速度，单位为毫米/秒，v₀为预设焊接速度其数值为60-80mm/min；

步骤150、并采用惰性气体保护焊接区域，对所述焊接区域分层填充焊接，焊缝的厚度1～2mm；在焊接时的焊接速度120—300mm/min；惰性气体采用氩气和/或氦气。

步骤160、对焊接区域进行缓慢降温处理，缓慢降温处理曲线为：

其中，T(t)为焊接区域温度，其单位为℃，t为降温时间，其单位为小时，R_m为焊接管厚度，其单位为mm，T_h为焊接温度，其单位为℃，T₀为定义的临界温度，其单位为℃，η为裂变系数，其数值为3.85～4.68，B为钢管长度，其单位为mm，K₁为第一温变系数，其数值为0.12～0.24，K₂为第二温变系数，其数值为0.88～0.76，θ为单位热量，其单位为℃。

在碳素焊接钢管接口处加工“Y”形焊接坡口，坡口角度为30°采用氩气保护焊接区域，对焊接区域分层填充焊接，检测利用本发明提供的方法制作的100个焊接碳素钢管试验件的最大焊缝强度，并求得平均值1968Mpa，而传统方法焊接的试件平均强度为1500Mpa，可见本发明设计开发了一种预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，将焊接管接管加工成坡口形状，通过模糊控制器设定焊接速度，采用分层焊接，能够降低焊缝收缩应力，提高焊缝强度，预防延迟裂缝。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，包括：

步骤一、在焊接钢管接口处加工“Y”形焊接坡口；

步骤二、清洁所述焊接坡口，并对所述焊接坡口和焊条进行预热烘干；

步骤三、通过夹具使两相焊的合金钢管固定，对焊缝附近的钢管进行预热并进行保温，使所述焊接坡口内的氢扩散；

步骤四、检测钢管直径、钢管厚度和焊接环境温度，并将其输入模糊控制器得到焊接速度，利用焊条进行打底焊接；

步骤五、采用惰性气体保护焊接区域，对所述焊接区域分层填充焊接，焊缝的厚度1～2mm；在焊接时的焊接速度120～300mm/min；

步骤六、对焊接区域进行缓慢降温处理。

2.根据权利要求1所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，所述“Y”形焊接坡口的角度为30°-35°。

3.根据权利要求2所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，所述步骤二的清洁过程包括：

首先，利用80～200目的砂纸对所述焊接坡口进行打磨，去除焊缝处的铁锈和杂质；

然后，在所述焊接坡口处喷涂清洁剂，并利用温水冲洗；

其中，所述清洁剂由水、表面活性剂和乙醇组成，其质量份数为，水：表面活性剂：乙醇＝12：1:6。

4.根据权利要求3所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，所述步骤二中的焊接坡口和所述焊条的烘干温度为40-60℃。

5.根据权利要求1所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，所述步骤三中的保温温度为200-300℃，保温时间为2-3h。

6.根据权利要求5所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，所述步骤四中的模糊控制器工作过程为：

将所述钢管直径与预设钢管直径比较得到钢管直径偏差信号，将所述钢管厚度与预设钢管厚度比较得到钢管厚度偏差信号，将所述焊接环境温度与预设焊接环境温度比较得到焊接温度偏差信号；

将所述焊接温度偏差信号经过微分计算得到焊接温度偏差变化率信号；

将所述钢管直径偏差信号、所述钢管厚度偏差信号和所述焊接温度偏差变化率信号共同经过放大后输入模糊控制器，输出为焊接速度。

7.根据权利要求1或6所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，所述钢管直径偏差信号、所述钢管厚度偏差信号和所述焊接温度偏差变化率信号的模糊集为：{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZR表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

8.根据权利要求7所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，所述模糊控制器的输入变量的隶属度函数选择三角形隶属度函数。

9.根据权利要求7所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，所述惰性气体采用氩气和/或氦气。

10.根据权利要求1所述的预防延迟裂纹的高温合金钢管焊接方法，其特征在于，所述步骤六的缓慢降温处理曲线为：

其中，T(t)为焊接区域温度，t为降温时间，R_m为焊接管厚度，T_h为焊接温度，T₀为定义的临界温度，η为裂变系数，B为钢管长度，K₁为第一温变系数，K₂为第二温变系数，θ为单位热量。