CN114131163B - 一种提高系泊链焊口质量的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高系泊链焊口质量的工艺方法，本方法主要包括a)闪光焊接前准备；b)闪光预热；c)顶锻过程和d)顶锻保压四个步骤，特点在于在链环放于电极后闪光焊前增加导热石墨片至环端口和预顶锻两个工序，减少焊口高温熔融金属中合金元素高温氧化和脱碳，避免高温氧化物滞留焊口，提高焊口低温冲击韧性、强度和塑性指标；通过控制合适的闪光预热次数、顶锻速度、顶锻留量、顶锻压力和保压时间参数，使得焊口附近过烧金属充分被顶出，保证闪光焊焊口质量和性能稳定性。

Description

一种提高系泊链焊口质量的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种提高系泊链焊口质量的工艺方法。属于焊接工艺技术领域。

背景技术

系泊链区别于一般的锚链，它是用在石油钻井平台等海洋结构件上起固定作用的链条，由于其工作环境很恶劣，所以对链条有较为严苛的要求。闪光对焊的基本原理是：焊件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点(产生闪光)，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接。

目前通常采用的编链和焊接工艺热编链热焊接。闪光的作用：1)加热焊件，热源主要来自于液体过梁的电阻热以及过梁爆破时部分金属液滴喷射在对口端面上所带来的热量。2)烧掉焊接端面上的赃物和不平，因此降低了对焊前端面的质量要求；3)液体过梁爆破时产生的金属蒸汽减少了空气对对口间隙的入侵，形成自保护；4)闪光后期在端面上形成的液体金属层，为顶锻时排除氧化物和过热金属提供了有利条件。

顶锻的作用：1)封闭对口间隙，挤平因过梁爆破而留下的火口。2)彻底排除端面上的液体金属层，使焊缝中不残留铸态组织。3)排除过热金属及氧化物夹杂，造成洁净金属的紧密结合；4)使对口和邻近区域获得适当的塑性变形，促进焊缝再结晶过程。

目前国内外系泊链大生产过程中，主要存在如下问题：1)目前焊接工况下，由于没有有效保护，高温液态金属被氧化烧损，钢中添加的合金元素没有起到应有的效果，为了弥补烧损，钢中需要添加更多的合金元素，无形中大幅增加了制链成本；2)目前工况条件下，对焊机顶锻能力要求严苛，需要更大的顶锻力将高温氧化金属挤出；3)顶锻力也不能过大，因为电极加持力形成的摩擦力是有限的，过大的加持力必然造成链环变形严重，甚至不能满足标准尺寸要求。目前工装状况已经成为影响系泊链焊口质量的瓶颈问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种显著提高强度链条钢焊口质量的焊接工艺方法，减少焊口高温熔融金属中合金元素高温氧化和脱碳，避免高温氧化物滞留焊口，提高焊口低温冲击韧性、强度和塑性指标；通过控制合适的闪光预热次数、顶锻速度、顶锻留量、顶锻压力和保压时间等参数，使得焊口附近过烧金属充分被顶出，保证闪光焊焊口质量和性能稳定性。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种提高系泊链焊口质量的工艺方法，主要从如下几个方面进行优化改进：1)在链环放置电极后，在链环端口之间放入提前预制好的导热石墨片。导热石墨片具有导电性，在闪光过程中，导热石墨片被氧化生成二氧化碳气体，对焊口起到保护作用，同时还具有还原作用，即使焊口部分金属被氧化，通过石墨还原出单质金属。石墨片的作用主要体现在闪光焊前期，链环端口多少会有喇叭口，空气中的氧气更容易进入焊口，高温金属氧化比较厉害。2)导热石墨片放入链环端部后采用预顶锻方式将导热石墨片与两端面紧密贴合，这样既可以避免闪光过程中导热石墨片脱落，又有利于减少闪光初期高温液态金属的烧损和脱碳；3)顶锻保压，油缸保压一段时间，使链环充分变形，降低链环焊口上残余拉伸应力；由于链环强度较高，焊接顶锻过程中回弹力大，为了保证焊口高温金属充分熔合，保压时间必须足够。

所述方法包括以下步骤：

a)闪光焊准备：将提前压制好的石墨片放于待焊链环喇叭口中，石墨片不能太薄，太薄容易断裂且保护效果不好；太厚燃烧不完全容易在焊口积碳。本发明石墨片厚度范围0.5～1.5mm，为了防止石墨片因重力掉落，采用预顶锻方式将石墨片紧紧挤压在链环两端面间隙中。

b)闪光预热：电极通电闪光焊接开始，焊机通过电极多次给链环施加压应力，使链环待焊端面断续接触，形成过梁爆破，即断续闪光，闪光预热次数：50次～120次，闪光过程中对待焊端面附近加热，并使断面上金属熔化。在闪光加热前期，由于链环端面多少会有喇叭口形貌，空气容易进入焊接熔融金属，造成高温金属氧化烧损，本发明中加入的石墨片在闪光过程中起到两个作用，1)在闪光过程中，进来的氧气与石墨反映生成二氧化碳，起到保护焊口避免高温金属烧损作用，2)部分被氧化的高温金属可以利用石墨的还原作用，重新还原出来；在闪光后期所有石墨基本消耗殆尽。电极按照一定速度推进，电极推进速度范围：1.2mm/s～2.0mm/s，直至烧化量达到设定值，烧化量一般为链环截面直径的20％。

c)顶锻过程：对焊接断面施加足够的顶端压力，接口间隙迅速减小，过梁爆破停止，迅速挤出端面的液态金属或软化金属及氧化物夹杂，达到设定顶锻量，顶锻量20mm～50mm，最终接头产生一定的塑性变形，形成牢固的焊口接头。本发明由于加入石墨片的自保护作用，顶锻快慢对焊口质量影响不大，因此本发明对焊机要求不高，对于焊机的顶锻压力和顶锻速度不用严格要求，本发明顶锻速度40mm/s～60mm/s，顶锻压力15MPa～21MPa。

d)顶锻保压：顶锻量达到设定值后，增加顶锻油缸持续顶锻保压一段时间(40～50)S，使接头部位充分焊合，防止焊口处高温金属在链环变形回弹拉应力造成焊口开裂或者微裂纹出现。

作为优选，本方法在热编环后闪光焊前，在热编环端面间放置准备好的石墨片，石墨片具有导电作用，在闪光焊的过程中自身首先氧化产生二氧化碳，对喇叭口区域高温金属保护作用，同时石墨中的碳还原性较强，即使部分高温金属被氧化，石墨中的碳可以将高温合金氧化物还原，变成单质合金。避免基体金属中的合金元素如Al、Si、Mn等高温氧化形成灰斑，提高焊口质量；

作为优选，本方法在热编环环口端面放置石墨片后和闪光焊前增加预顶锻工序，目的是将加入的石墨片与环扣两端面充分贴合，同时也有助于调整喇叭口形貌，使喇叭口尽可能小，减少闪光焊初期空气中氧气进入焊口的几率，降低合金高温氧化量。

作为优选，本方法在顶锻完成后，采用顶锻保压的方式持续给链环压缩应力，防止处高温金属在链环变形回弹拉应力造成焊口开裂或者微裂纹出现。持续顶锻保压时间(40～50)S。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)通过在闪光焊前期加入的石墨片，避免钢基体金属中的合金元素如Al、Si、Mn等高温氧化形成氧化物，从源头上消除了灰斑缺陷的来源，同时利用石墨中的碳还原性将闪光焊过程中氧化的合金重新还原成单质合金。2)大幅降低焊机设备依赖程度，由于闪光焊过程中高温合金得到充分的保护，对焊机顶锻能力要求不高，进而电极加持力要求也不高，从而可以更好的控制环形；3)通过控制合适的闪光预热次数、顶锻速度、顶锻留量、顶锻压力和保压时间等参数，使焊口金属更牢靠的结合，保证闪光焊焊口质量和性能稳定性。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述的用一种提高系泊链焊口质量的工艺方法作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

本实施例φ146mm的R3S系泊链钢化学成分百分含量：C：0.20～0.26；Si：≤0.25；Mn：1.10～1.50；P≤0.020；S≤0.010；Cr：0.40～0.60；Ni：0.10～0.20；Mo：0.20～0.40；Al：0.020～0.040其余为Fe，系泊链原料尺寸为φ150*1815mm。本实施例系泊链工艺步骤如下：

1、闪光焊准备。

将提前压制好的石墨片放于待焊链环喇叭口中，石墨片不能太薄，太薄容易断裂且保护效果不好；太厚燃烧不完全容易在焊口积碳。为了防止石墨片因重力掉落，采用预顶锻方式将石墨片紧紧挤压在链环两端面间隙中。

夹持长度：(170～200)mm；本实施例选用夹持长度：180mm；电极压力：(13～16)Mpa；本实施例选用13Mpa电极压力；系统压力：(18～20)Mpa；本实施例采用19Mpa系统压力；石墨片厚度范围：(0.5～1.5)mm：本实施例选用1mm厚石墨片。

2、闪光预热；

电极通电闪光焊接开始，焊机通过电极多次给链环施加压应力，使链环待焊端面断续接触，形成过梁爆破，即断续闪光，闪光过程中对待焊端面附近加热，并使断面上金属熔化。在闪光加热前期，由于链环端面多少会有喇叭口形貌，空气容易进入焊接熔融金属，造成高温金属氧化烧损，本发明中加入的石墨片在闪光过程中起到两个作用，1)在闪光过程中，进来的氧气与石墨反映生成二氧化碳，起到保护焊口避免高温金属烧损作用，2)部分被氧化的高温金属可以利用石墨的还原作用，重新还原出来；在闪光后期所有石墨基本消耗殆尽。电极按照一定速度推进，直至烧化量达到设定值。

预热相关参数：烧化长度：22mm；烧化速度：1.6mm/s。

3、顶锻过程；

对焊接端面施加足够的顶端压力，接口间隙迅速减小，过梁爆破停止，迅速挤出端面的液态金属或软化金属及氧化物夹杂，达到设定顶锻量，最终接头产生一定的塑性变形，形成牢固的焊口接头。高强矿用链条钢高温强度高，因此顶锻时需要加载更大的顶锻力，以保证焊口充分熔合，研究结果表明，顶锻速度越快，需要的顶锻力越大，由于本方法采用惰性气体保护，顶锻速度可适当放慢，从而降低设备顶端能力。

顶锻过程相关参数：顶锻长：26mm；顶锻压力：19MPa。

4、顶锻保压；

为了保证足够的顶锻后保压时间，当链环两个端面逐渐靠近，并迅速顶锻后，如果迅速打开夹具(电极)，焊环两侧将产生回弹力，导致刚熔合在一起的高温金属受拉伸应力，焊口组织疏松；随着棒料直径的增加，顶锻保压时间需要逐渐延长，但为了提高焊接效率，顶锻后保压时间需要控制在一定范围内。

顶锻保压相关参数：顶锻油缸持续顶锻保压时间40S～50S。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种提高系泊链焊口质量的工艺方法，其特征在于本方法在链环放于电极后闪光焊前增加导热石墨片至环端口和预顶锻两个工序，减少焊口高温熔融金属中合金元素高温氧化和脱碳，避免高温氧化物滞留焊口，提高焊口低温冲击韧性、强度和塑性指标；通过控制合适的闪光预热次数、顶锻速度、顶锻留量、顶锻压力和保压时间参数，使得焊口附近过烧金属充分被顶出，保证闪光焊焊口质量和性能稳定性；所述方法包括以下步骤：

a）闪光焊准备：将提前压制好的石墨片放于待焊链环喇叭口中，采用预顶锻方式将石墨片紧紧挤压在链环两端面间隙中；夹持电极靠近环口侧到环口的距离，即夹持长度：170～200mm；电极压力：13～16Mpa；系统压力：18～20Mpa；石墨片厚度范围：0.5～1.5mm；

b）闪光预热：电极通电闪光焊接开始，焊机通过电极多次给链环施加压应力，使链环待焊端面断续接触，形成过梁爆破，即断续闪光，闪光过程中对待焊端面附近加热，并使断面上金属熔化，电极按照一定速度推进，直至烧化量达到设定值；闪光预热次数：50次~120次，电极推进速度范围：1.2mm/s~2.0mm/s，烧化量一般为链环截面直径的20%；

c）顶锻过程：对焊接断面施加足够的顶端压力，接口间隙迅速减小，过梁爆破停止，迅速挤出端面的液态金属或软化金属及氧化物夹杂，达到设定顶锻量，最终接头产生一定的塑性变形，形成牢固的焊口接头；顶锻量为20mm~50mm，顶锻速度40mm/s~60mm/s，顶锻压力15MPa~21MPa；

d）顶锻保压：顶锻量达到设定值后，增加顶锻油缸持续顶锻保压一段时间，使接头部位充分焊合，防止焊口处高温金属在链环变形回弹拉应力造成焊口开裂或者微裂纹出现，保压时间为40～50S。