CN112620873B - 一种大型承插件的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型承插件的焊接方法，其特征在于包括以下焊接流程：1)对插设在钢板内的钢管进行点焊组装定位；2)焊接前对组装好的承插件进行预热；3)采用埋弧焊、气体保护焊或者手工焊进行焊接，当钢板A面坡口焊接到H/2处，再进行钢板B面坡口焊接。本发明通过对承插件进行预热、控制焊接顺序、对焊缝表面进行处理等工艺，有效的改善焊接过程中的残余应力的大小和分布，能够降低大型承插件在焊接过程与热处理过程中残余应力释放出现裂纹的可能性，降低生产过程中的成本，并减少焊缝返修缩短工期。

Description

一种大型承插件的焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种大型承插件的焊接方法。
背景技术
大型的钢制承插件主要应用在风电、石油、海洋以及核电等重要设备中，其制造以焊接构件为主，焊接是最重要的工艺工序。很多风电、石油等行业的大型承插件以现场拼装焊接为主，在现场拼装条件恶劣，构件的残余应力控制方面比在工厂内预制要差的很多，而且在构件经过热处理后由于残余应力的释放会导致变形开裂。不仅如此焊接残余应力对焊接构件本身的影响也很大，静载时会导致应力集中，引起变形开裂，降低受压构件的稳定性，降低结构刚度和疲劳强度，降低焊件加工精度和尺寸稳定性，会引起应力腐蚀开裂，尤其是在焊接大型构件过程中，由于大的板厚导致焊接量比较大，残余应力也相对较大，引起开裂的可能性更大。
改善焊接顺序、对承插件预热等等是目前焊接过程中改善残余应力的方法，但是不同的焊接顺序以及不同区域的预热的温度对残余应力的影响很大，因此，针对当前的大型承插件的焊接方法需要进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降低残余应力的大型承插件的焊接方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大型承插件的焊接方法，其特征在于包括以下焊接流程：
1)对插设在钢板内的钢管进行点焊组装定位；
2)焊接前对组装好的承插件进行预热；
3)采用埋弧焊、气体保护焊或者手工焊进行焊接，当钢板A面坡口焊接到H/2处，再进行钢板B面坡口焊接；进行B面焊接前对B面进行清根处理，即将A面的打底部分清理；当B面坡口焊接到H/2时再完成A面的焊接，然后再完成B面的焊接；
4)对A面焊缝和B面焊缝进行处理在钢板与钢管之间形成圆滑过渡面；
5)在过渡面处焊接角焊缝。
作为优选，所述步骤1)中点焊之前采用火焰加热进行预热，采用手工焊条进行对称点焊，且电焊时两个连续焊点不在钢板的同一个半面上。通过对称点焊以及电焊时两个连续焊点不在钢板的同一个半面上可以降低应力集中，避免后期的应力集中累计。
作为优选，所述步骤2)将加热片覆盖在钢板的A面和B面进行预热，加热片的加热温度为180～220℃，保温0.5～2h，并采用保温棉进行保温；在进行步骤3)时，去掉加热片，在焊接过程中，坡口位置温度为180～220℃，距离坡口0～100mm处温度不得低于150℃，距离坡口100～200mm处温度需要不得低于100℃。坡口温度保持在180～220℃可以有效的降低焊接残余应力，而温度超过220℃会迅速增加热影响区宽度，使得热影响区组织粗化影响其力学性能；在距离钢管300mm的范围内，钢板的温度形成由里到外逐渐降低的温度区间，各个区域范围内焊接温度差有效控制在30～70℃内，可以改善巨大的温度差带来的焊接残余应力分布不均的情况。
为有利于焊接残余应力更好的释放，作为优选，所述步骤3)中当钢板A面坡口或者B面坡口的单层焊缝道数≥3道时，焊道方向按照从钢管到钢板焊完一层后再从钢板到钢管的顺序交替进行。
作为优选，所述步骤3)中清理深度为4～6mm。清根深度太浅3mm以下，会增加焊接缺陷的可能性，清根深度太深大于6mm以上，会增加焊缝深度增加残余应力。
为降低钢板与钢管之间焊缝的应力集中，作为优选，所述步骤4)中在焊接A面焊缝和B面焊缝最后一层的最后一道的过程中，结合机械打磨的方式形成圆滑过渡面。形成圆滑过渡面可以有效的改善残余应力集中，降低残余应力。
作为优选，所述步骤3)中A面焊缝和B面焊缝最后一层焊接由钢板向钢管方向进行焊接。
作为优选，所述步骤5)中角焊缝的焊脚高度为6～12mm。增加角焊可以将拐角处的残余应力释放，但焊脚过小低于6mm以下，效果不明显，过高超过12mm增加焊接成本。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1)通过对承插件进行预热、控制焊接顺序、对焊缝表面进行处理等工艺，有效的改善焊接过程中的残余应力的大小和分布，能够降低大型承插件在焊接过程与热处理过程中残余应力释放出现裂纹的可能性，降低生产过程中的成本，并减少焊缝返修缩短工期。
2)本发明大型承插件的板厚可以达到90mm以上，钢管的外径达到500mm以上，横向残余应力能够降到500MPa以下。
附图说明
图1为本发明实施例中焊接前组装的大型承插件的结构示意图以及沿A-A面的剖面图。其中1为坡口，2为组对间隙，3为钢板，4为钢管。
图2为本发明实施例中点焊组对顺序(1～8)。
图3为本发明实施例中加热片铺设示意图。
图4为图3的竖向剖面图。
图5为本发明实施例中钢板的预热温度范围控制分布图。
图6为本发明实施例中单层焊缝道数≥3道时焊缝的焊接顺序图。
图7为本发明实施例中清根位置示意图。
图8为本发明实施例中A面与B面焊缝最后一层焊接顺序示意图。
图9为本发明实施例中圆滑过渡面以及圆滑过渡面处增加角焊缝示意图。
图10为本发明对比例中点焊顺序。
图11为本发明对比例中每层焊缝的焊接顺序图。
图12为本发明实施例中横向残余应力S11测量的1～5点位置。
图13为本发明实施例和对比例的横向残余应力S11测量曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1至实施例5为采用本发明大型承插件的焊接方法，关键控制参数见表1。
包括以下焊接流程：
1)对插设在钢板内的钢管进行点焊组装定位，如图1所述；为了防止点焊位置开裂，点焊之前采用火焰加热进行预热，点焊位置和数量按照如图2所示1～8的顺序先后进行，焊接方法为手工焊条进行对称点焊。
2)焊接前需要对组装好的承插件进行预热，如图3所示，预热工具采用加热片进行，加热片的数量根据管径的大小来确定，达到完全覆盖焊缝即可；如图4所示，采用保温棉进行保温，当加热片温度达到后进行保温；焊接时去掉加热片，用铠装热电偶进行温度测量；如图5所示，坡口位置、距离坡口0～100mm处、距离坡口100～200mm处进行温度测量。
3)采用埋弧焊、气体保护焊或者手工焊进行焊接，当钢板A面坡口焊接到H/2处，再进行钢板B面坡口焊接；进行B面焊接前对B面进行清根处理，即将A面的打底部分清理；当B面坡口焊接到H/2时再完成A面的焊接，然后再完成B面的焊接，如图7所示；当钢板A面坡口或者B面坡口的单层焊缝道数≥3道时，焊道方向按照从钢管到钢板焊完一层后再从钢板到钢管的顺序交替进行，如图6所示。A面焊缝和B面焊缝最后一层焊接由钢板向钢管方向进行焊接，如图8所示。
4)在焊接A面焊缝和B面焊缝最后一层的最后一道的过程中，结合机械打磨的方式形成如图9所示的带坡度的圆滑过渡面，降低应力集中的风险。
5)焊接完成后在该圆滑过渡处进行焊接一个焊脚的角焊缝，如图9所示。
对比例为采用传统的焊接方法焊接，钢板的板厚和钢管的管壁与实施例1相同，采用手工焊对插设在钢板内的钢管进行点焊组装定位，点焊顺序如图10所示，点焊完成后，采用火焰对坡口处进行加热，坡口温度上升到100℃以上后，进行焊接，焊接过程中不论该层存在几道，一并按照图11的方法进行焊接，焊接完成A面后，对B面底层进行清根打磨后再进行B面的焊接，直至B面焊接完成，A、B面焊接完成后即可，不再进行角焊缝焊接。
残余应力测试方法：根据标准GB/T 24179-2009《金属材料残余应力测定压痕应变法》。由于在承插件焊接过程中横向残余应力S11较大，纵向残余应力S33较小，所以只比较S11即可，按照如图12所示的1～5点进行横向残余应力S11测量(点与点之间距离单位为mm)，并对实施例1～5与对比例的S11进行比对。
从测试结果可以看出，经过本发明的方法焊接完成的承插件实施例1～5的横向残余应力S11明显低于对比例，实施例与对比例中1～4点的S11较大，而实施例1～5中1～4点的S11均被降到了500MPa以下，最高为实施例3的3点比对比例3点降低了100.36MPa，即降低了17.15％，最低为实施例1中的1点比对比例1点降低了34.14MPa，即降低了6.5％。
表1本发明实施例焊接过程中关键控制参数
Figure BDA0002838848070000041

Claims (4)

1.一种大型承插件的焊接方法，其特征在于包括以下焊接步骤：
1）对插设在钢板内的钢管进行点焊组装定位；点焊之前采用火焰加热进行预热，采用手工焊条进行对称点焊，且电焊时两个连续焊点不在钢板的同一个半面上；
2）焊接前对组装好的承插件进行预热；
3）采用埋弧焊、气体保护焊或者手工焊进行焊接，当钢板A面坡口焊接到H/2处，再进行钢板B面坡口焊接；进行B面焊接前对B面进行清根处理，即将A面的打底部分清理；当B面坡口焊接到H/2时再完成A面的焊接，然后再完成B面的焊接；当钢板A面坡口或者B面坡口的单层焊缝道数≥3道时，焊道方向按照从钢管到钢板焊完一层后再从钢板到钢管的顺序交替进行；A面焊缝和B面焊缝最后一层焊接由钢板向钢管方向进行焊接；
4）对A面焊缝和B面焊缝进行处理；在钢板与钢管之间形成圆滑过渡面；
5）在过渡面处焊接角焊缝；
所述步骤2）将加热片覆盖在钢板的A面和B面进行预热，加热片的加热温度为180~220℃，保温0.5~2h，并采用保温棉进行保温；在进行步骤3）时，去掉加热片，在焊接过程中，坡口位置温度为180~220℃，距离坡口0~100mm处温度不得低于150℃，距离坡口100~200mm处温度需要不得低于100℃；
大型承插件的横向残余应力能够降到500MPa以下。
2.根据权利要求1所述的大型承插件的焊接方法，其特征在于：所述步骤3）中清理深度为4~6mm。
3.根据权利要求1所述的大型承插件的焊接方法，其特征在于：所述步骤4）中在焊接A面焊缝和B面焊缝最后一层的最后一道的过程中，结合机械打磨的方式形成圆滑过渡面。
4.根据权利要求1所述的大型承插件的焊接方法，其特征在于：所述步骤5）中角焊缝的焊脚高度为6～12mm。
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