CN115476021B - 异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法。该发明通过埋弧增材制造打印设备进行增材制造，焊接效率高达8kg/h，并且打印工件尺寸越大，效率反而提高(每道次的间隔时间减小)，埋弧焊剂保护下的组织均匀，无气孔夹渣等焊接缺陷。通过颈部补强提高法兰的承载和变形能力；法兰颈部和加长管两者皆采用低碳微合金钢体系，但是变材料成分设计，保证质量的同时降低成本；法兰无加长管长度限制。本发明实例中的增材制造带颈法兰可承受长时间工作压力高达12MPa～18MPa，抗挤压强度高达600MPa。

Description

异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法

技术领域

本发明属于油气输送用法兰制造领域，涉及一种异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法。

背景技术

在油气输送领域法兰的主要作用是良好的密封，以及承上启下的连接。带颈对焊法兰不易变形，密封好，应用广泛，有相应的刚性与弹性要求和合理的对焊减薄过渡，可用于连接工作压力超过10兆帕的管道。

但是针对大口径管线钢管全尺寸试验，试验设备中厚壁带颈法兰不仅用于连接试验管段，而且本身也要承受高达高强管线钢屈服极限的应力。由于目前国内对焊法兰多采用自由锻和模锻的制造方法，法兰本身未考虑承受载荷的能力，导致全尺寸试验中出现多次由于法兰失效进而试验失败的情况。

电弧增材制造技术以电弧为载能束，热输入高，沉积效率高、成形速度快，材料利用率高、适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。另外，该方法的优势就在于工序简单，能够实现直接面对客户的需求制造，极大缩短研发周期，特别适用于小批量，特殊环境用法兰产品的生产制造。苏州热工研究院提出了采用CMT焊接系统进行法兰件的电弧增材制造方法(专利申请号CN20170695231.2)，其在基板上由内向外以螺旋路径完成多层多道次的堆积完成法兰件底面和下颈部的打印，在下颈部上以环形路径完成多层单道次的堆积完成法兰颈的上颈部的制造。该方法采用CMT电源进行增材制造，焊丝直径在0.8～1.2mm。CMT增材制造是电弧增材制造中应用最广的焊接工艺，但是其生产效率较低，，不适用于油气田领域大型承力厚壁法兰的打印。另外CMT为气体保护焊接方式，不可避免的出现气孔等缺陷，严重影响承力法兰的承载能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，以解决现有技术中制备出的高强带颈对焊法兰承载能力低的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，包括以下步骤：根据法兰待连接管的材料选择法兰底盘的打印丝材、法兰颈部的打印丝材，以及加长管的打印丝材；根据打印丝材的力学性能计算补强方法，然后校核目标带颈对焊法兰的承压能力，建立增材打印的目标带颈对焊法兰模型；分解目标带颈对焊法兰模型的结构，依据分解的结果分块打印带颈对焊法兰；根据埋弧增材制造工艺，制定增材制造的分层切片和增材工艺参数进行增材制造；增材制造获得的整个工件进行热处理及二次加工、无损探伤、螺栓孔加工和吊耳焊接、验收，所述带颈对焊法兰制备完成。

本发明的进一步改进在于：

优选的，以质量分数计，所述法兰底盘、法兰颈部和加长管使用丝材的成分为：C：≤0.1％；Si：≤0.5％；Mn：≤2.0％；P≤0.01％；S≤0.02％；Nb+V+Ti:≤0.5％；Ni：≤0.5％；Mo：≤0.5％；Cr：≤0.45％；其余为Fe；

其中法兰底盘使用焊丝的抗拉强度≥360MPa，所述法兰颈部和加长管使用焊丝的抗拉强度≥550MPa；

所述法兰底盘、法兰颈部和加长管使用丝材的成分体系和待连接管的成分体系一致。

优选的，利用有限元软件计算带颈对焊法兰的颈部补强方法、补强量以及变壁厚设计加长管长度，并计算验证带颈对焊法兰的承压能力满足工况要求，建立增材打印的对焊法兰模型；

增材打印设备为埋弧增材制造平台，所述埋弧增材制造平台包括埋弧焊机、焊枪、旋转工作平台、自动铺设和吸收焊剂装置、焊渣清除装置，以及温度监测装置。

优选的，所述带颈对焊法兰的打印步骤依次为：(a)首先用埋弧焊丝完成法兰底盘的打印；然后对法兰底盘进行二次加工；(b)将法兰底盘作为基板，在法兰底盘上用法兰颈部的打印材料打印法兰颈部和加长管。

优选的，所述埋弧增材制造时焊剂由CaO、MgO、CaF₂、MnO和SiO₂混合制成，所述焊剂的粒度为40目～60目；

打印过程中，焊剂自动铺设装置和焊丝为同轴设置，按照焊枪的运动轨迹进行埋弧焊剂的铺设，焊剂的铺设宽度应至少保证三个焊道的埋敷；

所述焊剂铺设宽度≥50mm，焊剂铺设高度为25mm～35mm。

优选的，所述埋弧增材制造切片厚度为2mm～4mm，所述焊丝的干伸长为25mm±4mm。

优选的，所述法兰底盘的打印过程为：

(a)采用同法兰底盘同钢级的钢板作为打印基材，打印前对钢板进行预热，预热温度在150℃～200℃；

(b)将法兰底盘立起来，从法兰底盘的宽度最窄处开始竖直打印，逐层增加长度；

打印过程的过程为：埋弧增材的电压为28～30V，电流为500～600A，送丝速度为600mm/min，搭接宽度大于8mm；打印过程中焊枪的行走轨迹为直线，按照行走路径从起弧位置运行到位后收弧，焊枪再次行走至原点后，再次引弧打印，左右引弧和收弧长度二次加工时切除，切除长度大于6mm，；在焊枪再次进行焊接前对前一焊道的温度进行检测，保证层间温度在150℃～170℃，当温度超出该范围时，通过冷却装置喷淋水雾对打印底盘进行降温。

优选的，法兰颈部和加长管的打印过程为：(a)对打印法兰底盘进行二次加工，切除基板、引弧和收弧区域，加工精度为±1.0mm；在打印前用酒精进行清洗，烘干并预热至150°进行法兰颈部的打印；(b)重新定位，制定打印路径，法兰颈部打印时，工装台旋转，焊枪不动，根据打印要求逐层减少打印法兰颈部的补强厚度，然后保持恒定厚度进行加长管的打印；

法兰颈部和加长管的埋弧增材制造打印参数为：(a)埋弧增材的电压为30～32V，电流为500～600A，送丝速度为550mm/min，搭接宽度大于8mm；(b)焊枪固定，旋转工作平台旋转，由圆环外部向内部，行走轨迹为圆弧，打印过程层间温度为150℃～170℃，若打印温度超过所述层间温度的范围，通过冷却装置喷淋水雾对打印底盘进行降温；停弧后再次起弧位置应距上次起弧位置大于100mm。

优选的，所述高强带颈对焊法兰打印完成后对，对高强带颈对焊法兰进行整体消除应力热处理，热处理温度在600～640℃，保温两个小时，然后对加长管进行二次加工，并对法兰底盘和法兰颈部进行射线和超声探伤。

优选的，加工带颈对焊法兰的螺栓孔，焊接吊耳，进行尺寸验收。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种异种金属材料复合的带颈对焊法兰的电弧增材制造方法。该发明通过埋弧增材制造打印设备进行增材制造，焊接效率高达8kg/h，并且打印工件尺寸越大，效率越高(每道次的间隔时间减小)。埋弧焊剂保护下的组织均匀，无气孔夹渣等焊接缺陷。通过颈部补强提高法兰的承载和变形能力；法兰盘和法兰颈部、加长管两者皆采用低碳微合金钢体系，但是二者的微合金元素上有细微的差别，变材料成分设计，保证质量的同时能够降低成本；法兰无加长管长度限制，无需额外增加过渡管，进而减少环焊缝的道次。本发明实例中的增材制造带颈法兰可承受长时间工作压力高达12MPa～18MPa，抗挤压强度高达600MPa。

进一步的，法兰颈及加长管的化学成分同连接件化学成分一致，使得加长管与连接件连接的焊接工艺规程可直接引用，无需进行二次评定，节约了大量的时间和金钱。法兰盘壁厚大，承受力较小，采用同一合金体系，抗拉强度较低的材料可以在满足性能要求的同时，有效降低打印成本。

进一步的，从法兰底盘的最窄处开始向上竖向打印，该打印方式通过埋弧焊剂在打印过程中提供支撑，受热面积小，避免了大平面多道次熔覆时产生较大的变形和残余应力，同时有利于散热和冷却速度的控制，便于后期法兰底盘和基板的脱离。

进一步的，法兰颈打印时，工装台旋转，焊枪不动，根据打印要求逐层减少打印法兰颈的补强厚度，然后保持恒定厚度进行加长管的打印。该打印方式保证了成形的稳定性，同时节约了工作时间(无焊枪空位运动的过程)。

附图说明

图1为本发明的法兰的宏观结构图；

图2为本发明的法兰底盘的打印示意图；

图3为本发明的法兰底盘的打印轨迹图；

图4为本发明的法兰颈部和加长管的打印示意图和轨迹图；

图5为本发明的法兰颈部补强的结构示意图；

图6为异种材料的交接处的金相图。

其中：1-法兰底盘；2-吊耳；3-法兰颈部；4-加长管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明公开了一种异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的电弧增材制造方法，首先根据实际工况选择法兰盘、法兰颈和加长管打印丝材；根据打印丝材的力学性能计算补强方法、并校核其承压能力，建立增材打印的法兰模型；合理分解法兰结构，分步骤分块进行法兰的打印；根据埋弧增材制造工艺，制定增材制造的分层切片和增材工艺参数进行增材制造；整体热处理；二次加工；无损探伤，螺栓孔加工和吊耳焊接，验收。

参见下图1，本发明制备的法兰包括法兰底盘1，法兰底盘1上打印法兰颈部3和加长管4，因法兰颈部3作为连接件，法兰颈部3在其与法兰底盘1连接处的外部设置有补强厚度。法兰底盘1上还开设有若干个连接通孔用于和连接螺栓配合。法兰底盘1分为矩形板和弧形板，弧形板的一边为弧线，另一边为直线边，直线边同时为矩形板的边部。弧形板的外端面为法兰底盘1上最窄的部分，上述结构的制备步骤为：

步骤1，选用的法兰底盘1和法兰颈部3埋弧焊丝为低碳微合金钢焊丝体系，要求其C：≤0.1％；Si：≤0.5％；Mn：≤2.0％；P≤0.01％；S≤0.02％；Nb+V+Ti:≤0.5％；Ni：≤0.5％；Mo：≤0.5％；Cr：≤0.45％；其余为Fe。其中法兰底盘1打印焊丝的抗拉强度应≥360MPa，法兰颈部3及加长管4打印焊丝的抗拉强度应≥550MPa，法兰颈部3成分体系中的贵重金属的种类或成分含量大于法兰底盘1，使得易于损坏的法兰颈部3的抗拉强度更高。更为具体的，法兰颈部3及加长管4焊丝的化学成分同待连接的管线钢化学成分体系一致，这样与试验管连接的焊接工艺规程可直接引用，无需进行二次评定，节约了大量的时间和金钱。

步骤2，根据该法兰的使用环境及被连接件尺寸要求，利用有限元软件计算法兰颈部3的补强方法、补强量以及变壁厚设计加长管长度，并计算验证其承压能力满足实际工况要求，建立增材打印的法兰模型。

步骤3，参见图2和图3，具体的打印步骤为：

步骤3.1，先在基板上用埋弧焊丝完成法兰底盘2的打印；然后对法兰底盘2进行二次加工。

(1)采用法兰底盘2同钢级的管线钢板作为打印基材，打印前对钢板进行预热，预热温度为150℃～200℃。

(2)首先在基板上打印平行焊道，然后逐层增加打印法兰底盘1。使得打印出的法兰底盘1在基板上立起来，法兰底盘1和基板相互垂直。打印过程中，法兰底盘1处于直立状态。具体的，打印过程中，从法兰底盘1的宽度最窄处开始竖直打印，即从弧形板的端部开始打印，逐层增加长度。该打印方式通过埋弧焊剂在打印过程中提供支撑，受热面积小，避免了大平面多道次熔覆时产生较大的变形和残余应力，同时有利于散热和冷却速度的控制。打印过程中，敷设的焊剂掉落在法兰底盘1的周围，能够对打印出的法兰底盘1起到一定的支撑作用。打印过程中法兰底盘1的打印如图2所示。

本发明的法兰底盘1的埋弧增材制造打印工艺参数具体为：(a)埋弧增材的电压在28～30V；电流在500～600A，送丝速度为600mm/min，搭接宽度大于8mm。(b)焊枪的行走轨迹为直线，按照行走路径从起弧位置运行到位后收弧，焊枪再次行走至原点后，再次引弧打印，左右引弧和收弧长度二次加工时切除，切除长度应大于6mm，如图3所示。在焊枪再次进行焊接前对前一焊道的温度进行检测，保证层间温度在150℃～170℃。温度过高则安装冷却装置，通过冷却装置喷淋水雾对打印好的法兰底盘1进行降温。(c)本发明带颈法兰3埋弧增材制造时焊剂的成分配比为：CaO+MgO+CaF₂+MnO+SiO₂的混合物，规格在40目～60目。焊剂自动铺设装置和焊丝为同轴设置，按照焊枪的运动轨迹进行埋弧焊剂的铺设，焊剂的铺设宽度应至少保证三个焊道的埋敷，焊剂铺敷宽度≥50mm，焊剂铺敷高度在25mm～35mm之间。(d)埋弧增材制造切片厚度一般为每层2mm～4mm，打印过程中根据实际测量的打印高度随时对切片厚度进行调整。每打印10层后对打印厚度进行重新测量，重新定位高度，焊枪根据切片软件逐层提升高度，保证焊丝的干伸长在25mm±4mm之间。打印后的法兰底盘1为板状，根据模型规划，其上开设有若干个连接通孔。

步骤3.2，参见图4，将法兰底盘1作为基板，用法兰颈部3打印材料打印法兰颈部3和加长管4，法兰颈部3和加长管4同轴线

(1)带颈法兰3的增材打印设备为埋弧增材制造平台，该设备包含埋弧焊机，焊枪、旋转工作平台，自动铺设和吸收焊剂装置、焊渣清除装置和温度监测装置等。

(2)法兰颈部3和加长管4的打印过程为：(a)对打印法兰底盘1进行二次加工，切除基板、引弧和收弧区域，加工精度为±1.0mm。在打印前用酒精进行清洗法兰底盘1，烘干并预热至150度，以法兰底盘1为基板进行法兰颈部3的打印。(b)重新定位，制定打印路径，法兰颈部3打印时，工装台旋转，工装台围绕加长管4中心的轴线进行自转，焊枪不动，根据打印要求逐层减少打印法兰颈部3的补强厚度，法兰颈部3的补强厚度从法兰底盘1向加长管4的方向逐渐减小，打印完法兰颈部3后，保持恒定厚度进行加长管4的打印。该打印方式保证了成形的稳定性，同时节约了工作时间(无焊枪空位运动的过程)。法兰颈部3和加长管4的打印如图4所示，法兰颈部3的补强如图5所示。参见图5，优选的，法兰颈部3的截面为梯形。

(3)法兰颈部3和加长管4的埋弧增材制造打印工艺为：(a)埋弧增材的电压在30～32V；电流在500～600A，送丝速度为550mm/min，搭接宽度大于8mm。(b)焊枪固定，旋转工作平台旋转，由圆环外部向内部，行走轨迹为圆弧。保证层间温度在150℃～170℃。温度过高则安装冷却装置，通过冷却装置喷淋水雾对打印底盘1进行降温。停弧后再次起弧位置应距上次起弧位置100mm以上。

步骤3.3，法兰打印完成后对，对法兰进行整体消除应力热处理，热处理温度在600～640℃(材料相变温度以下)，保温两个小时。

步骤3.4，对法兰加长管进行二次加工，并对法兰底盘1和法兰颈部3进行射线和超声探伤。

步骤3.5，加工法兰螺栓孔，焊接吊耳2，进行尺寸验收。

实施例

利用埋弧增材制造工艺对大口径管线钢管全尺寸试验用法兰工装进行打印，具体包括如下步骤：

(1)选用化学成分C：0.04％；Si：0.5％；Mn：1.7％；P≤0.010％；S≤0.005％；Nb:0.03％；Ni：0.0087％；Mo：0.23％；Cr：0.029％；V：0.011％；其余为Fe的直径4mm焊丝进行法兰底盘1的打印。选用C：0.05％；Si：0.4％；Mn：1.5％；P≤0.010％；S≤0.005％；Nb:0.02％；Ni：0.35％；Mo：0.024％；Cr：0.04％；V：0.007％；其余为Fe的直径4mm焊丝进行法兰颈部3和加长管4的打印。

(2)利用埋弧增材制造打印试块，测得两种材料的应力-应变曲线，法兰底盘1打印焊丝的平均抗拉强度为500MPa，法兰颈部3及加长管4的平均抗拉强度为560MPa。利用有限元软件计算确定打印法兰底盘1的厚度为110mm，法兰颈部3的厚度为45mm，过渡区域的长度为150mm，过渡区域补强厚度为25mm。法兰颈部3和加长管4的长度为700mm。

(3)依据上述工艺要求，分别进行法兰底盘1和法兰颈部3的打印。制作厚度为20mm，长度2200mm和宽度200mm的X80级钢板作为打印基材。首先在基板上打印长500mm的平行焊道，宽130mm的平行焊道，逐层增加打印法兰底盘1。打印完成后，对法兰底盘1进行二次加工更换埋弧焊丝，进行法兰颈部3和加长管4的打印，加长管4直接打印到工作环境需要，无尺寸限制。打印过程中，层间温度高于170℃，则开启喷淋水雾对打印工件进行降温，防止打印坍塌。

(4)打印完成后，法兰在整体热处理炉中进行640℃，保温2h的热处理消除残余应力，对加长管4进行二次加工，法兰颈部3的部位加工。通过无损探伤后，加工螺栓孔。

图6为不同材料连接处的金相组织。由图可知两种材料结合紧密，埋弧增材较大的搭接量和多次重新融化，无明显过渡截面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：根据法兰待连接管的材料选择法兰底盘（2）的打印丝材、法兰颈部（3）的打印丝材，以及加长管（4）的打印丝材；根据打印丝材的力学性能计算补强方法，然后校核目标带颈对焊法兰的承压能力，建立增材打印的目标带颈对焊法兰模型；分解目标带颈对焊法兰模型的结构，依据分解的结果分块打印带颈对焊法兰；根据埋弧增材制造工艺，制定增材制造的分层切片和增材工艺参数进行增材制造；增材制造获得的整个工件进行热处理及二次加工、无损探伤、螺栓孔加工和吊耳焊接、验收，所述带颈对焊法兰制备完成；

选用化学成分C：0.04%；Si：0.5%；Mn：1.7%；P≤0.010%；S≤0.005%；Nb: 0.03%；Ni：0.0087%；Mo：0.23%；Cr：0.029%；V：0.011%；其余为Fe的直径4mm焊丝进行法兰底盘（1）的打印；

选用C：0.05%；Si：0.4%；Mn：1.5%；P≤0.010%；S≤0.005%；Nb: 0.02%；Ni：0.35%；Mo：0.024%；Cr：0.04%；V：0.007%；其余为Fe的直径4mm焊丝进行法兰颈部（3）和加长管（4）的打印；

其中，法兰底盘（2）使用焊丝的抗拉强度≥360MPa，所述法兰颈部（3）和加长管（4）使用焊丝的抗拉强度≥550MPa；

所述法兰底盘（2）、法兰颈部（3）和加长管（4）使用丝材的成分体系和待连接管的成分体系一致；

所述法兰底盘（2）的打印过程为：

（a1）采用同法兰底盘（2）同钢级的钢板作为打印基材，打印前对钢板进行预热，预热温度在150℃~200℃；

（b1）将法兰底盘（2）立起来，从法兰底盘（2）的宽度最窄处开始竖直打印，逐层增加长度；

打印过程的过程为：埋弧增材的电压为28~30V，电流为500~600A，送丝速度为600mm/min，搭接宽度大于8mm；打印过程中焊枪的行走轨迹为直线，按照行走路径从起弧位置运行到位后收弧，焊枪再次行走至原点后，再次引弧打印，左右引弧和收弧长度二次加工时切除，切除长度大于6mm；在焊枪再次进行焊接前对前一焊道的温度进行检测，保证层间温度在150℃~170℃，当温度超出该范围时，通过冷却装置喷淋水雾对打印底盘进行降温；

法兰颈部（3）和加长管（4）的打印过程为：

（a2）对打印法兰底盘（2）进行二次加工，切除基板、引弧和收弧区域，加工精度为±1.0mm；在打印前用酒精进行清洗，烘干并预热至150°进行法兰颈部（3）的打印；

（b2）重新定位，制定打印路径，法兰颈部（3）打印时，工装台旋转，焊枪不动，根据打印要求逐层减少打印法兰颈部（3）的补强厚度，然后保持恒定厚度进行加长管的打印；

法兰颈部（3）和加长管（4）的埋弧增材制造打印参数为：

（a3）埋弧增材的电压为30~32V，电流为500~600A，送丝速度为550mm/min，搭接宽度大于8mm；

（b3）焊枪固定，旋转工作平台旋转，由圆环外部向内部，行走轨迹为圆弧，打印过程层间温度为150℃~170℃，若打印温度超过所述层间温度的范围，通过冷却装置喷淋水雾对打印底盘进行降温；停弧后再次起弧位置应距上次起弧位置大于100mm；

所述高强带颈对焊法兰打印完成后对，对高强带颈对焊法兰进行整体消除应力热处理，热处理温度在600~640℃，保温两个小时，然后对加长管（4）进行二次加工，并对法兰底盘（2）和法兰颈部（3）进行射线和超声探伤。

2.根据权利要求1所述的异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，利用有限元软件计算带颈对焊法兰的颈部补强方法、补强量以及变壁厚设计加长管长度，并计算验证带颈对焊法兰的承压能力满足工况要求，建立增材打印的对焊法兰模型；

增材打印设备为埋弧增材制造平台，所述埋弧增材制造平台包括埋弧焊机、焊枪、旋转工作平台、自动铺设和吸收焊剂装置、焊渣清除装置，以及温度监测装置。

3.根据权利要求1所述的异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，所述埋弧增材制造时焊剂由CaO、MgO、CaF₂、MnO和SiO₂混合制成，所述焊剂的粒度为40目~60目；

打印过程中，焊剂自动铺设装置和焊丝为同轴设置，按照焊枪的运动轨迹进行埋弧焊剂的铺设，焊剂的铺设宽度应至少保证三个焊道的埋敷；

所述焊剂铺设宽度≥50mm，焊剂铺设高度为25mm~35mm。

4.根据权利要求1所述的异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，所述埋弧增材制造切片厚度为2mm~4mm，所述焊丝的干伸长为25mm±4mm。

5.根据权利要求1所述的异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，加工带颈对焊法兰的螺栓孔，焊接吊耳，进行尺寸验收。