CN111571144A - 管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，包括两段母材以及以下成型步骤：步骤一：采用摩擦焊接的方式将两段所述母材焊接成一体的粗胚管线钢；步骤二：打磨焊缝；步骤三：对焊接接头加热并自然冷却；步骤四：利用轧制机组对所述粗胚管线钢依次进行粗轧、精轧和终轧。本发明的有益效果是：母材通过摩擦焊的方式连接，并对焊接区域采取了热处理，焊后的熔合区、热影响区与母材组织结构的一致性更好，从而使得轧制后各区域的晶粒尺寸趋于一致，焊缝位置不会出现起泡、缩松、裂痕等制造缺陷，显著地提升了管线钢的成型质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种管线钢成型方法，具体涉及一种管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法。
背景技术
管线钢是微合金钢中最典型的钢种，具体指用于输送石油、天然气等管道所用的一类具有特殊要求的钢种，根据厚度和后续形成等方面的不同，可由热连轧机组、炉卷轧机或中厚板轧机生产，经螺旋焊接或UOE直缝焊接形成大口径钢管。
管线钢的成型工艺中，轧制工艺使用最为广泛，在现有技术中，管线钢轧制普遍采用工序分散原则进行流水线的布置，为使精轧后的管线钢接近于石油、天然气等管道所用的展开材料，往往需要对钢段进行焊接，而目前的焊接方式存在较多缺陷，会对管线钢后续的生产工序产生不利的影响；有人采用金相、扫描电镜断口等对焊接接头各个区域的组织和性能进行分析，发现内外焊缝区组织均为针状铁素体，热影响区粗晶区晶粒粗化严重，主要组织为粒状贝氏体和贝氏体铁素体，在原奥氏体晶界和贝氏体板条内部存在块状或条状的马氏体-奥氏体组元；热影响区冲击功离散性较大，扫描电镜断口分析呈现典型的解理断裂特征；焊接接头抗拉强度805-815MPa，断裂位置均在热影响区；焊接接头反弯试样易在热影响区出现裂纹和脆断现象；热影响区硬度在220-250HV之间，较母材下降30HV左右。可以看出:热影响区是管线钢焊接接头的薄弱环节，因此，在管线钢成型的后续粗轧、精轧、终轧等工序中，焊接接头位置容易出现起泡、缩松、裂痕等制造缺陷，管线钢的成型质量有待进一步提高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，以解决现有技术中，在管线钢的后续处理工序中易产生起泡、缩松、裂痕等制造缺陷的技术问题。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，包括两段母材，其关键在于，还包括以下成型步骤：
步骤一：采用摩擦焊接的方式将两段所述母材焊接成一体的粗胚管线钢；
步骤二：打磨焊缝；
步骤三：对焊接接头加热并自然冷却；
步骤四：利用轧制机组对所述粗胚管线钢依次进行粗轧、精轧和终轧。
采用上述方法，采用摩擦焊接方式对母材进行连接，最大的优势是保持焊接接头与母材材料成分的一致性，从而保持管线钢在使用过程中性能的一致性；对焊接区域进行与管线钢生产时一样的热处理方式，可使焊后的焊接接头、热影响区与母材组织结构基本一致，随着轧制时延伸系数的增加，焊接部位粗大的晶粒得到细化，轧制变形后，随着轧制延伸系数的增大，焊接时的脱碳层变长、变薄，碳原子从基体向贫碳的焊接区扩散，使焊缝组织中珠光体含量增加。随着焊接部位碳含量的增加和晶粒的细化，焊接部位的组织逐渐趋向于基体，力学性能上与基体的差距也逐渐缩小。当然，在轧制阶段焊缝位置也不会出现起泡、缩松、裂痕等制造缺陷，从而使管线钢的成型质量更好。
作为优选：在所述步骤一中，还包括衔接段，两段所述母材通过焊接装置一体摩擦焊接在衔接段的两侧。采用上述方法，在两段母材之间增设衔接段，在摩擦焊接时，仅需要让衔接段高频率的往复运动即可使两段母材与衔接段连接为一体，克服了质量较重的钢质母材不便于摩擦焊接的技术问题，具有技术手段新颖、工艺方法巧妙的技术优势，市场应用前景广阔。
作为优选：在所述步骤二中，使用砂轮机同步打磨衔接段与母材之间上下两侧的焊缝。采用上述方法，便于实施。
作为优选：焊缝打磨过程中，砂轮机的砂轮片与焊缝的长度方向之间具有打磨夹角。采用上述方法，能够使打磨后的焊缝表面更加光滑，有利于提升管线钢整体的成型质量。
作为优选：在所述步骤三中，使用高频加热箱对焊接接头加热，在加热过程中，高频加热箱的加热丝环套在所述粗胚管线钢的四周。采用上述方法，便于加热操作和加热控制，有利于使整个成型工艺的工序集中，以缩短工艺路线,简化生产计划和生产组织工作。
作为优选：所述高频加热箱对焊接接头的加热时间不少于45s。采用上述加热时间，能够保证热透度，消除由打磨形引起的晶格畸变、位错等缺陷，使管线钢韧性上升，具有更好的综合性能。
作为优选：在所述步骤四中，粗轧温度为1050℃。1050℃属于高温奥氏体再结晶区轧制，通过控制轧制变形量来控制再结晶晶粒大小细化晶粒，到一定程度时，随着压下量增大，奥氏体晶粒不再细化。
作为优选：在所述步骤四中，共进行两次精轧，两次精轧的温度分别为930℃和800℃。采用上述方法，930℃精轧能有效的改善高强度低合金的机械性能，800℃精轧能够有效的提高管线钢的强度与韧性，使钢的韧脆转变温度降低。
作为优选：在所述步骤四中，所述终轧的温度等于825℃～937℃。采用上述方法，管线钢终轧成型后，晶粒细小，力学性能好。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、母材通过摩擦焊的方式连接，并对焊接区域采取了热处理，焊后的熔合区、热影响区与母材组织结构的一致性更好，从而使得轧制后各区域的晶粒尺寸趋于一致，焊缝位置不会出现起泡、缩松、裂痕等制造缺陷，显著地提升了管线钢的成型质量。
2、在两段母材之间增设衔接段，在摩擦焊接时，仅需要让衔接段高频率的往复运动即可使两段母材与衔接段连接为一体，克服了质量较重的钢质母材不便于摩擦焊接的技术问题，具有技术手段新颖、工艺方法巧妙的技术优势，市场应用前景广阔。
3、有利于以工序集中的方式布置各个成型步骤，从而提高管线钢的生产率，减少工序数目,缩短工艺路线,简化生产计划和生产组织工作。
附图说明
图1为管线钢成型方法的工序流程图；
图2为管线钢成型的流水线布置结构示意图；
图3为焊接装置的结构示意图；
图4为图3中Ⅰ处的局部放大图；
图5为焊接装置内部的结构示意图(安装底座已隐藏)；
图6为砂轮机的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，包括以下成型步骤：
步骤一：采用摩擦焊接的方式将两段所述母材a焊接成一体的粗胚管线钢c；
步骤二：打磨焊缝d；
步骤三：使用高频加热箱5对焊接接头加热并自然冷却；
步骤四：利用轧制机组3对所述粗胚管线钢c依次进行粗轧、930°精轧、800°精轧和终轧。
如图2所示，适用于上述管线钢成型方法的流水线包括：沿流水线方向依次布置的焊接装置1、托架组2、砂轮机4、高频加热箱5和四组轧制机组3。
再如图3、4和5所示，在上述骤一中，采用焊接装置1通过设置在中间的衔接段b对两段所述母材a进行双向摩擦焊，焊接装置1对质量较重的母材a完成摩擦焊接的具体结构如下所述：
焊接装置1包括安装底座1a，安装底座1a上滑动安装有中间摩擦台1b、左支撑台1c和右支撑台1d，其中所述中间摩擦台1b沿安装底座1a的宽度方向滑动，左支撑台1c和右支撑台1d沿安装底座1a的长度方向滑动，且左支撑台1c和右支撑台1d设置在中间摩擦台1b的左右两侧。安装底座1a上设置有往复驱动机构1f，往复驱动机构1f包括第一电机1f1、连接在第一电机1f1输出轴上的驱动盘1f2、以及偏心转动连接在驱动盘1f2上的联动杆1f3，其中联动杆1f3远离驱动盘1f2的一端转动连接在中间摩擦台1b上，第一电机1f1工作即可驱动中间摩擦台1b在安装底座1a的宽度方向上往复运滑动。安装底座1a内部还设有压力驱动机构1e，压力驱动机构1e包括固设在左支撑台1c下侧的第一齿条1e1、固设在右支撑台1d下侧的第二齿条1e2、以及固设在安装底座1a内部的第二电机1e3，其中第二电机1e3的输出轴上连接有齿盘1e4，该齿盘1e4啮合在第一齿条1e1与第二齿条1e2之间，第二电机1e3驱动齿盘1e4转动，即可驱动左支撑台1c和右支撑台1d朝靠近中间摩擦台1b的方向运动。
焊接装置1的工作过程如下所述：
两块母材a通过固定结构1g分别固定在左支撑台1c和右支撑台1d上，衔接段b也通过固定结构1g固定在中间摩擦台1b上，然后往复驱动机构1f驱动衔接段b高频率往复运动，此过程中，压力驱动机构1e也在工作，迫使左支撑台1c和右支撑台1d上的母材a与衔接段b的两侧紧贴，以提供摩擦焊接所需的压力，最后即可通过衔接段b将两块母材a焊接成一体的粗胚管线钢c。采用摩擦焊接方式对母材a进行连接，最大的优势是保持焊接接头与母材材料成分的一致性，从而保持管线钢在使用过程中性能的一致性。同时这样的焊接手段也克服了质量较重的母材a不便于摩擦焊接的技术问题。
再如图6所示，粗胚管线钢c焊接成型后，转移至托架组2上，然后使用砂轮机4打磨焊缝，母材a焊接后，粗胚管线钢c的上下两侧共计四条焊缝d，为了同步打磨衔接段b与母材a之间上下两侧的4条焊缝d，砂轮机4配置有车架4a，车架4a上端具有向一侧延伸的上悬臂4b和下悬臂4c，上悬臂4b和下悬臂4c的端部分别设有上电动砂轮4d和下电动砂轮4e，两个电动砂轮的转轴上均套装有两块砂轮片s，上侧的两块砂轮片s与下侧的两块砂轮片s之间的间距等于粗胚管线钢c的厚度，车架4a下端的移动轮4f滑动放置在地面上后，向内推动砂轮机4即可精准的使下电动砂轮4e的砂轮片s的上侧边缘与粗胚管线钢c下侧的焊缝d接触，上电动砂轮4d的砂轮片s的下侧边缘与粗胚管线钢c上侧的焊缝d接触，从而使焊缝打磨的操作更为便捷，省时省力，打磨效率高。本实施例中，上悬臂4b和下悬臂4c的长度等于粗胚管线钢c宽度的二分之一，砂轮机4从粗胚管线钢c的两端进行移动打磨即可完成整个焊缝d的打磨。
再如图2所示，为使打磨后的焊缝表面更加光滑，以提升管线钢整体的成型质量，焊缝d打磨过程中，砂轮机4的砂轮片s与焊缝d的长度方向之间具有打磨夹角，该打磨夹角的优选度数为30～60°。
再如图2所示，在步骤三的加热过程中，高频加热箱5的加热丝环套在粗胚管线钢c的四周，为了保证加热的热透度，以消除由打磨形引起的晶格畸变、位错等缺陷，高频加热箱5对焊接接头的加热时间不少于45s。
四组轧制机组3对粗胚管线钢c进行四级轧制，分别是：一次粗轧，两次精轧和一次终轧，其中粗轧温度为1050℃，两次精轧温度分别为930℃与800℃，终轧温度区间为937℃～825℃。
粗轧温度为1050℃属于高温奥氏体再结晶区轧制，通过控制轧制变形量来控制再结晶晶粒大小细化晶粒，到一定程度时，随着压下量增大，奥氏体晶粒不再细化。
当精轧温度为930℃时，属于奥氏体未再结晶区，通过该温度的精轧可以使晶粒在轧制生成的变形带上形核生长。可以通过两个方向来说明这个原因：第一是晶粒内部和晶粒边界上生成数量较多的位错，由奥氏体在未结晶区大变形导致，能够有效的细化贝氏体组织；第二是在晶粒内部，奥氏体晶格畸变能增大，这种情况给贝氏体晶粒长大造成了障碍，但由于其塑性较好能够使裂纹的扩展路径减小。该区间与奥氏体己结晶区相比较来说，单位有效的晶界面积的形核率和有效的晶界面积都增多，转变的产物为细小的铁素体晶粒，取代了珠光体，能有效的改善高强度低合金的机械性能。
当精轧温度为800℃时，属于高温奥氏体铁素体两相区，相比于普通的轧制工艺，两相区的轧制工艺能够在不降低伸长率的同时能够极大的提高钢板的强度，抗拉强度和屈服强度随着轧制两相区变形率的增加而增加，相对来说屈服强度提高了更大的幅度。在高温两相区轧制时，奥氏体在轧制过程中持续变形，促进晶粒内部变形带的形成，在发生相变后，铁素体经历了不同程度的变形，相变与回复形成具有多边形铁素体和亚结构铁素体。这两种组织能够有效的提高管线钢的强度与韧性，使钢的韧脆转变温度降低。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，包括两段母材(a)，其特征在于，还包括以下成型步骤：
步骤一：采用摩擦焊接的方式将两段所述母材(a)焊接成一体的粗胚管线钢(c)；
步骤二：打磨焊缝(d)；
步骤三：对焊接接头加热并自然冷却；
步骤四：利用轧制机组(3)对所述粗胚管线钢(c)依次进行粗轧、精轧和终轧。
2.根据权利要求1所述的管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，其特征在于：在所述步骤一中，还包括衔接段(b)，两段所述母材(a)通过焊接装置(1)一体摩擦焊接在衔接段(b)的两侧。
3.根据权利要求2所述的管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，其特征在于：在所述步骤二中，使用砂轮机(4)同步打磨衔接段(b)与母材(a)之间上下两侧的焊缝(d)。
4.根据权利要求3所述的管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，其特征在于：焊缝(d)打磨过程中，砂轮机(4)的砂轮片与焊缝(d)的长度方向之间具有打磨夹角。
5.根据权利要求4所述的管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，其特征在于：所述打磨夹角等于30～60°。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，其特征在于：在所述步骤三中，使用高频加热箱(5)对焊接接头加热，在加热过程中，高频加热箱(5)的加热丝环套在所述粗胚管线钢(c)的四周。
7.根据权利要求6所述的管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，其特征在于：所述高频加热箱(5)对焊接接头的加热时间不少于45s。
8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，其特征在于：在所述步骤四中，所述粗轧温度为1050℃。
9.根据权利要求8所述的管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，其特征在于：在所述步骤四中，共进行两次精轧，两次精轧的温度分别为930℃和800℃。
10.根据权利要求9所述的管线钢焊接、热处理以及轧制一体成型方法，其特征在于：在所述步骤四中，所述终轧的温度等于825℃～937℃。
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| CN111571144B (zh) | 2021-09-24 |
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