CN118143404A - 15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，采用钨极氩弧焊作为基底，并填充包层；其中在选择焊料时，确保焊件的成分和性能与母材相似，并且在高温下具有一定的抗氧化性和耐热性，选择TIG‑R31作为基材，并且选择R317电极用于填充和涂覆。本发明的有益效果在于：针对现场管线的不同需求，对R317和TIG‑R31进行了分析，采取了不同的焊接和热处理方法，确定了最佳的焊接工艺及热处理工艺，使其焊接工艺更加合理。

Description

15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺

技术领域

本发明涉及切割焊接技术领域，具体涉及15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺。

背景技术

某工程LORU装置采用了一种高温、高压的15CrMo材料制造的最大壁厚度40mm的蒸汽管道。设计温度540℃，设计压强10.3MPa，水压测试压力33.9MPa。总体而言，15CrMo合金含量占5％左右，主要用于生产过热器、再热器等内部部件。由于其焊接性能不佳，对厚壁管的热处理工艺提出了更高的要求。在工程现场，大部分作业都是在高空作业，作业环境十分恶劣。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺。

具体方案如下：

15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，采用钨极氩弧焊作为基底，并填充包层；其中在选择焊料时，确保焊件的成分和性能与母材相似，并且在高温下具有一定的抗氧化性和耐热性，选择TIG-R31作为基材，并且选择R317电极用于填充和涂覆。

作为本发明的进一步改进，所述焊接工艺的试验包括：焊前准备、坡口预制与组对、焊前预热温度的选择、焊接和焊后热处理。

作为本发明的进一步改进，所述焊前预热温度的选择为200℃，并采用电加热的方法进行预热，中间距离250mm，使用一种绝缘棉布与加热区域隔离100mm，所述焊接中采用多层多点焊接工艺，达到预热温度后，必须立即进行焊接。

作为本发明的进一步改进，还包括焊缝质量检验，所述焊缝质量检验包括焊缝的外观检查、焊缝的硬度检测、焊缝的无损检测、焊缝的力学性能和和焊缝的力学性能。

作为本发明的进一步改进，所述焊缝的硬度检测为采用SH/T3501-2011对焊缝及热影响区进行了硬度测定，在15CrMo试验中，布氏硬度不得超过225，选择布氏硬度试验，如果硬度试验失败，再次进行热处理。

作为本发明的进一步改进，所述焊接工艺的操作要领包括：装配工艺、打底焊工艺和填充层焊接工艺。

作为本发明的进一步改进，所述焊接工艺中的管道自动切割精度控制技术采用弧长调节系统，所述弧长调节系统包括采样电路、数控电路、力矩电机、减速机和焊接电源；数控电路基于80C552单片机，配有8K程序存储器R0M和32K存储器RAM；有6个8位输入/输出端口：～P端口P0和P2是地址数据汇合端口；P是具有8个通道的10位A/D转换端口；P.P端口和P4端口可用于系统扩展或直接切换控制，专用引脚F除外；其具有两个DAC 1210，采用0～5V的输出电压，对焊接电流和电弧长度进行控制，从而实现对电机转速的调整；PP工作在位置控制模式，用于控制电机的启动和停止、同步通信、水和气体切换；所有位置控制端口和驱动电路之间采用光电隔离。

作为本发明的进一步改进，弧长调节控制采用霍尔电压传感器测量电弧电压信号；使用的霍尔元件为LV-25，匝数比K为10000：2000，隔离电压为6KV，输入端子的额定电流为10MA；当测量电压时，限流电阻器R串联连接在输入端以将输入端的电压信号转换为电流信号，并且输出端的电流通过测量电阻器WIND转换为电压信号；输入电流I0和输出电流，

I₀＝I₁/k (1)

U₀/R＝U_m/R_mk (2)

U_m＝(R_mk/R)U₀ (3)

在霍尔元件的输入端并联两个电阻值不同的限流电阻R1和R2，R1在引弧过程中导通，测量电压范围为O～80V；弧长控制过程切换至R2，测量范围为0～30V；设计了截止频率为100Hz的滤波电路。

作为本发明的进一步改进，采用线性PID控制器，通过电弧长度和电弧电压的线性关系，实现对电弧长度的自动调整；数据的收集，评估和控制都是通过电脑完成的；弧长的控制做到小幅度的、高速的速度控制，PID控制的最佳方程式是：

式中，e(t)为控制器输入信号；u(t)为控制器输出信号；K_P为控制器放大系数；T_I为控制器积分时间常数；T_D为控制器微分时间常数；

用矩形积分取代连续积分的PID基本方程是：

转化为增量式PID方程是：

上述公式由计算机程序实现，从而达到PID控制的目的；在纯比例的控制下，放大系数逐渐增加，直到系统具有恒定振幅振荡；在全位置焊接中，首先要解决的问题是避免钨电极和工件之间的短路；因此，在调整过程中，需要快速调整焊枪以离开工件，同时将过冲距离调整得尽可能接近；因此，当在两个方向上调整弧长时，应假定不同的增强因子，并相应地减小工件周围的增强因子；同时，在相同的输入功率下，由于不同焊接位置的重力，转矩电机的转速不同，即不同焊接位置下的最优PID参数不同；因此，在实际情况下，有必要相应地调整PID控制的放大倍数。

作为本发明的进一步改进，所述焊接工艺中的管道自动打坡口技术包括对根部熔透的控制和对坡口边缘未熔合的控制；其中，对根部熔透的控制为：设计的钝边厚度为2.5mm，对接间隙为1.0mm，焊丝直径以0.8mm为准；热丝TIG焊能独立地精确控制线能量和沉积速率，因此根部容易穿透；然而，由于采用了全位置焊接工艺，要使其成为所有位置的理想熔透并不容易；为了获得均匀熔透的焊缝，将根部焊道逐个分解为孤立的焊点，并将焊缝视为每个焊点的叠加；如果每个焊接点被穿透，则整个焊缝被穿透，因此根部层的穿透被转化为每个孤立点的穿透控制；对于特定的坡口类型和匹配参数，很容易找到单个熔透点的焊接参数；为了获得整个焊缝的熔透，必须控制焊接速度；假设焊接速度为V(mm/min)，则：

V＝60×(D-b) (8)

式中：D为熔池的直径(mm)；b为熔池的重叠长度(mm)。

上述公式表明，如果能确定熔池的尺寸和两个熔池的重叠长度，并且焊枪以一定的速度V移动，则获得具有良好熔深的焊缝；熔池的大小与电弧电压(电弧长度)有关；确定电弧电压，能测量熔池的大小，并且能自行设置熔池的重叠长度，重叠部分越长，焊缝越密；在焊接试验中，使用焊枪稍微停留在脉冲电流的峰值，以形成一定的熔池，这样能穿透根部，同时进给焊丝；然后，当脉冲基值电流到达时，焊枪根据设定的焊接速度V向前移动，送丝量减少；下一个脉冲参数周期与此相同；重复上述步骤，形成均匀熔透的连续焊缝；由于重力和表面张力对不同位置的熔池有不同的影响，为了获得均匀的熔透，能连续调整一些电气参数以满足焊接过程中的要求；所述对坡口边缘未熔合的控制为：把多层单道焊改为多层双道焊，在焊接每道焊道时，焊枪会略微向坡口侧偏转一定角度，以有意识地改善坡口和焊缝连接处的熔合。

本发明的有益效果在于：针对现场管线的不同需求，对R317和TIG-R31进行了分析，采取了不同的焊接和热处理方法，确定了最佳的焊接工艺及热处理工艺，使其焊接工艺更加合理。

附图说明

图1为热处理工艺曲线。

图2为弧长控制系统结构图。

图3为力矩电机的工作原理图。

图4为弧压采样电路原理图。

图5为焊枪在坡口中的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

首先对15CrMo钢焊接性分析，15CrMo钢是一种具有较高强度的低合金钢，具有较高的耐磨性。其碳当量计算公式为：

Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.499

当Ceq>0.4时，其焊接性能较差。焊缝硬化趋势大，容易产生裂纹。为保证现场施工，必须合理选择合适的工艺参数，并严格进行焊前和焊后热处理。

加入Cr、Mo等合金元素可以改善15CrMo钢的性能，但同时也会使15CrMo钢的焊接性能下降。随着冷却速率的提高，焊接接头的组织会发生硬化，出现冷裂纹。约束应力、氢气、淬火组织是导致冷开裂的主要因素。

第一，约束应力：在施工中，当管道错位，椭圆过大时，必须进行强制安装和焊接。焊接后，焊缝将产生约束应力。如果存在小裂纹，则在约束应力作用下会产生裂纹。为了减少裂缝的发生，必须在施工现场进行严格检查，禁止强行焊接。

第二，氢气：造成氢气裂纹的主要原因是焊条不够干燥、焊接处不清洁、施工场地内的高湿度。在电弧的作用下，氢气被分解为氢，在熔池中溶解，并在冷却时向焊接及基材扩散，使焊接接头的塑性下降，产生裂缝。在进行焊接时，要有相应的记录。在进行焊接之前，焊工要认真地对焊缝进行抛光，避免在雨、雪等潮湿的环境中进行操作。

第三，淬火组织：15CrMo钢加入大量合金，增加了其凝固倾向，容易形成硬化马氏体，不仅降低了塑性，而且容易开裂。为了保证焊缝的机械性能，应严格控制焊接后的冷却速度。

本发明提供了一种15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，采用钨极氩弧焊作为基底，并填充包层；其中在选择焊料时，确保焊件的成分和性能与母材相似，并且在高温下具有一定的抗氧化性和耐热性，选择TIG-R31作为基材，并且选择R317电极用于填充和涂覆。焊接材料的化学成分和力学性能列于表1和表2中：

表1焊接材料的化学成分(％)

焊材牌号	C	Mn	Si	S	P	Cr	Mo	V	Ni	Cu
											TIG-R31	0.094	0.79	0.50	0.010	0.012	1.33	o.54	0.20	0.19	0.13
H08CrMoA	0.071	0.73	0.28	0.016	0.011	1.16	0.51	0.20	/	/

表2焊接材料的力学性能

焊材牌号	抗拉强(MPa)	屈服强(MPa)	20℃冲击试验(J)
				TIG-R31	651	549	184
H08CrMoA	670	535	173

在本实施例中，所述焊接工艺的试验包括：焊前准备、坡口预制与组对、焊前预热温度的选择、焊接和焊后热处理。

所述焊前准备包括：15CrMo钢的加工工艺为机械切削工艺。如果使用火焰切割，切割后必须100％穿透。使用前，应清除表面的铁锈和油脂，直至其具有金属光泽。电极在使用前必须在350℃的烘箱中烘烤1小时。

所述坡口预制与组对包括：V形斜面，斜面为55度。应清除溜槽侧面和距溜槽侧面20mm处的铁锈、油污、熔渣和其他有害杂质。定位焊缝的分布应均匀，定位焊接应按照正常焊接工艺参数进行。

所述焊前预热温度的选择包括：

根据热处理预热温度的经验公式：

式中：T₀为预热温度；[C]＝[C]_x+[C]_p；[C]_x为成份碳当量；[C]_p为尺寸碳当量；

根据焊接材料、连接方式、焊接环境、相关标准及实践经验，综合考虑焊接工艺，确定焊接前的预热温度为200℃。采用电加热的方法进行预热，中间距离250mm。应使用一种绝缘棉布与加热区域隔离100mm。

所述焊接包括：采用多层多点焊接工艺。达到预热温度后，必须立即进行焊接。雨天、湿度大于90％、大风天气时，必须保护焊接热场不受天气影响，否则应立即停止焊接。

在焊接时，应对各焊缝进行一次连续的焊接。如因任何原因而中断，则在250～300℃下加热40分钟，再继续焊接。二次焊接之前，要先观察裂纹，然后再进行加热。多层焊接时，层间的接缝要错开。焊接后，应在焊接后立即进行热处理。若不能马上进行热处理，则应在250～300℃的温度下进行40分钟的后热处理，再进行保温及缓慢降温。焊接位置为水平焊接，焊接规范参数见表3。

表3焊接规范

为了保证焊缝的收缩和防止应力集中，两个焊接点必须对称。在焊接过程中，要注意保护层间的温度，以避免焊缝金属过热、晶粒粗大、韧性下降。为防止因钢管的自重而产生的应力集中而产生的裂纹，需要在焊接前后和焊接期间提供可靠的支持。

所述焊后热处理包括：鉴于本项目工期短、工作量大，为节省焊后热环节，项目部决定焊后对焊缝进行热处理。在焊接过程中，使用柔性陶瓷电阻进行焊接，然后在焊接后进行焊接。选择合适的热处理温度是消除裂纹附近硬化和防止回火脆性的关键。根据现场施工条件和石油化工标准SH/T3501-2011，具体热处理工艺曲线见图1。

在本实施例中，还包括焊缝质量检验，所述焊缝质量检验包括焊缝的外观检查、焊缝的硬度检测、焊缝的无损检测、焊缝的力学性能和焊缝的力学性能。

其中，焊缝的外观检查为：焊接后，应及时清除焊渣和飞溅物，并进行目视检查。焊缝必须具有良好的外观和与母材的过渡。焊接表面无裂纹、气孔、夹杂物、凹坑、咬边等，完全符合现场要求。

焊缝的硬度检测为：采用SH/T3501-2011对焊缝及热影响区进行了硬度测定。根据规范，在15CrMo试验中，布氏硬度不得超过225，应选择布氏硬度试验。如果硬度试验失败，应再次进行热处理。

焊缝的无损检测为：根据JB4730规范，对钢管焊缝进行无损检测。焊接质量等级为2以上。焊接表面的渗水测试应该是I级以上。

焊缝的力学性能为：拉伸试验应符合GB/T228-2010标准，焊缝抗拉强度应为≥570MPa。弯曲试验应符合GB/T2653-2008标准，弯曲轴直径为40mm，弯曲角度为180°。当试件弯曲到一定角度时，其拉伸表面无任何超过3mm的裂纹或其他缺陷。冲击试验应符合GB/T229-2007标准，分别在焊缝和热影响区取样。应从每个区域抽取三个样本作为一组。冲击试验后，焊缝在室温下的吸收冲击能量平均值为98J，热影响区在室温下吸收冲击能量的平均值为164J，均符合标准要求。

在本实施例中，焊接工艺的操作要领包括：装配工艺、打底焊工艺和填充层焊接工艺。

其中，装配工艺为：背衬采用手工钨极氩弧焊，头部和V形缺口采用手工电弧焊。凹槽可以用1mm钝边加工成30度。坡口处理后，应检查坡口，确保其表面无任何缺陷。凹槽应使用角磨机打磨，使其呈现金属光泽，然后用磁粉检测其表面是否有裂纹。对接时间隙为4mm，焊接位置采用水平固定焊接。定位焊采用三点定位焊，分布均匀，每点固定长度18mm。点焊时，最好熔化钝边。点焊后，仔细检查。如果发现任何缺陷，应及时清理并重新点焊。

打底焊工艺为：焊接前加热150～250℃，检查是否漏气，减压器、风道、电线是否牢固，风道、水管是否畅通，电气、水表、流量计等仪表是否完好。第一层氩弧焊后壁采用95A电流，8L/min氩气流量，8mm喷嘴，7mm钨极延长。在焊缝背面焊接。为了确保焊接的有效性，焊口和焊件必须尽可能垂直，或尽可能大角度，并且电弧应绕成一个圆。引弧后，允许在没有任何焊丝的情况下完全熔化底部钝边，形成熔池。为确保后端成型，必须将熔化的电极送至罐底部。为避免焊接开始时出现裂纹，焊接开始时应缓慢进行，并应增加更多焊丝。焊枪和焊丝的温度应为70°。开始前，从仰焊位置逆时针焊接到平焊位置，以停止电弧。停止电弧时，为了避免焊接温度升高，并有利于后半部分的焊接，应尽量减少焊丝的填充。电弧熄灭后，电流将减少，焊枪将被切断，但气体供应将比原始位置晚3-5秒。顺时针焊接第二半环，然后在第一个半环的起点处绘制一条弧。焊接背衬层时，应一口气焊接每半圈。如果中断，原始焊缝的未熔化端应重新熔化并重叠5mm。通常，背衬层焊缝的厚度应为3mm左右，太薄会在手工电弧焊过程中导致烧穿。焊接到接口时，先停止添加焊丝，待原始焊缝末端熔化后，添加焊丝并在灭弧前填充熔池。

填充层焊接工艺为：填充层焊接采用焊条电弧焊，电流120A，焊条R307，焊条烘干。使用锯齿形或半月形移动电极。焊接过程中，电极角度与头部位置成85°。当电极在断开的两侧摆动时，由于中间的速度过快，会出现短暂的停顿，从而避免了焊接与基板接合处的夹角。焊接点应均匀，焊条应平整。填充方法为一次两层，填充高度应低于基材表面1mm，且凹槽边缘不应熔化，导致涂层不良。在引弧前，应先把焊条拉到电弧坑，再用普通的电弧焊接工艺。严禁在弧形凹槽上直接与电弧接触。焊接后，为了保暖和防冻，焊接后必须使用石棉胶带进行绑扎。最后，对焊接表面进行自检。焊接质量合格后进行焊接。焊后热处理温度为650～700℃，保温时间在40分钟内。热处理后应进行100％射线照相检查，底片应达到I级。最后，对试件的拉伸、弯曲、背弯、冲击等力学性能进行测试，各项指标均符合规定要求。试件评定为合格。

在本实施例中，管道自动切割精度控制技术采用弧长调节系统，其硬件组成为：采样电路、数控电路、力矩电机、减速机和焊接电源。其控制系统的结构如图2所示。

其中，数控电路基于80C552单片机，配有8K程序存储器R0M和32K存储器RAM；有6个8位输入/输出端口：～P端口P0和P2是地址数据汇合端口；P是具有8个通道的10位A/D转换端口；P.P端口和P4端口可用于系统扩展或直接切换控制，专用引脚F除外；其具有两个DAC1210，采用0～5V的输出电压，对焊接电流和电弧长度进行控制，从而实现对电机转速的调整；PP工作在位置控制模式，用于控制电机的启动和停止、同步通信、水和气体切换；所有位置控制端口和驱动电路之间采用光电隔离。

其控制原理为：力矩电机是一种特殊的马达，其力学特性优良，转速范围广。其优点是转速低，转矩大，过载能力强，响应快，线性好，转矩波动小。力矩电机的主轴输出的是恒定的力矩，而非恒力。在弧长调节控制中，PWM模式用于控制转矩电机。位置控制利用电弧的电压实现电弧长度的间接控制。当在单个芯片上收集电弧电压偏差时，使用特定的控制算法来控制PWM芯片TL494的输出脉冲的工作周期。电源将其速度控制为转矩电机电枢上的电压，并使用位置控制模式来控制电弧长度(即位置控制1)。力矩电机的工作原理如图3所示。

在本实施例中，弧长调节控制采用霍尔电压传感器测量电弧电压信号；使用的霍尔元件为LV-25，匝数比K为10000：2000，隔离电压为6KV，输入端子的额定电流为10MA；当测量电压时，限流电阻器R串联连接在输入端以将输入端的电压信号转换为电流信号，并且输出端的电流通过测量电阻器WIND转换为电压信号；输入电流I0和输出电流，

I₀＝I₁/k (1)

U₀/R＝U_m/R_mk (2)

U_m＝(R_mk/R)U₀ (3)

焊接电压信号采集电路如图4所示。在霍尔元件的输入端并联两个电阻值不同的限流电阻R1和R2，R1在引弧过程中导通，测量电压范围为O～80V；弧长控制过程切换至R2，测量范围为0～30V；设计了截止频率为100Hz的滤波电路，并增加了一些保护措施。

在本实施例中，采用线性PID控制器，通过电弧长度和电弧电压的线性关系，实现对电弧长度的自动调整；数据的收集，评估和控制都是通过电脑完成的；弧长的控制做到小幅度的、高速的速度控制，PID控制的最佳方程式是：

式中，e(t)为控制器输入信号；u(t)为控制器输出信号；K_P为控制器放大系数；T_I为控制器积分时间常数；T_D为控制器微分时间常数；

用矩形积分取代连续积分的PID基本方程是：

转化为增量式PID方程是：

上述公式由计算机程序实现，从而达到PID控制的目的；在纯比例的控制下，放大系数逐渐增加，直到系统具有恒定振幅振荡；在全位置焊接中，首先要解决的问题是避免钨电极和工件之间的短路；因此，在调整过程中，需要快速调整焊枪以离开工件，同时将过冲距离调整得尽可能接近；因此，当在两个方向上调整弧长时，应假定不同的增强因子，并相应地减小工件周围的增强因子；同时，在相同的输入功率下，由于不同焊接位置的重力，转矩电机的转速不同，即不同焊接位置下的最优PID参数不同；因此，在实际情况下，有必要相应地调整PID控制的放大倍数。

在15CrMo厚壁管道的全位置TIG焊接控制系统中，利用计算机通过A/D转换对电弧电压进行采样和比较，然后控制电机的正向和反向旋转，从而保持电弧长度(电弧电压)，以保持稳定的长度。同时，采用PID调节技术，保证了电弧电压的控制精度。

试验选用12CRLM OV钢管。管壁8＝35mm，直径D＝400mm，电弧电压U h＝10V，焊接电流I＝60A，氩气流量Q＝8IJmin。当系统处于恒定振幅振荡时，测量放大系数R＝4.5和振荡周期T R＝0.205S。选择控制度0＝1.5，采样周期＝O。02S，并从方程(6)得到：

Δu(k)＝K_p[3.4e(k)-5.4e(k-1)+2.2e(k-2)] (7)

考虑到弧长偏差的最大公差，实验结果具有良好的控制精度和控制效果，满足实际管道全位置TIG焊的焊接工艺要求。

在本实施例中，管道自动打坡口技术中焊缝收缩的影响为：当热丝TIG焊的壁厚超过20mm时，在根部焊接几层时，应使用窄间隙焊炬气体保护罩进行保护。为了确保钨电极和金属罩之间的绝缘，罩通常具有一定的厚度；这样，在焊接时，机罩端部的凹槽宽度应满足机罩厚度的要求，以防止机罩接触凹槽或被卡住。坡口设计应确保钨极、气体保护层和坡口在焊接到不同深度时不会发生碰撞。

在连续焊后，随着焊缝的收缩，槽宽逐渐变窄。经多层焊接后，其收缩效果明显。因此，在进行边坡设计时，应充分考虑到一定的收缩角，从而使斜坡具有较好的斜率。窄间隙槽角度不能太小(太小气罩容易卡住)，也不能太大(太大会失去窄间隙的含义)。经过大量试验，15CrMo厚壁管道(＞30mm)的窄间隙坡口角为2.5°。

焊层底部宽度的影响为：焊接层的底部宽度是指第一密封焊接层的宽度。它与坡口角度相匹配，以确定每层焊缝的宽度。本文使用的窄间隙罩的厚度为8mm，因此焊接层底部的宽度应略大于此值。经过大量试验总结和测量，焊接层的底部宽度为9.0～10.0mm。

焊接层的底部宽度由三部分组成；①底部圆弧过渡半径R一般为1.5～2.0mm；②钝边的突出长度一般为2.5mm；③对接间隙一般为1.0mm(焊丝直径以0.8mm为准)。因此，焊接层底部的宽度为(1.5+2.5)×2+1.0＝9.0或(2.0+2.5)×2+1.0＝10.0，即9.0～10.0mm。

对根部熔透的控制为：设计的钝边厚度为2.5mm，对接间隙为1.0mm(焊丝直径以0.8mm为准)。热丝TIG焊可以独立地精确控制线能量和沉积速率，因此根部容易穿透。然而，由于采用了全位置焊接工艺，要使其成为所有位置的理想熔透并不容易。为了获得均匀熔透的焊缝，本文将根部焊道逐个分解为孤立的焊点，并将焊缝视为每个焊点的叠加。如果每个焊接点被穿透，则整个焊缝被穿透，因此根部层的穿透被转化为每个孤立点的穿透控制。对于特定的坡口类型和匹配参数，很容易找到单个熔透点的焊接参数。为了获得整个焊缝的熔透，必须控制焊接速度。假设焊接速度为V(mm/min)，则：

V＝60×(D-b) (8)

式中：D为熔池的直径(mm)；b为熔池的重叠长度(mm)。

上述公式表明，如果可以确定熔池的尺寸和两个熔池的重叠长度，并且焊枪以一定的速度V移动，则可以获得具有良好熔深的焊缝。熔池的大小与电弧电压(电弧长度)有关。确定电弧电压，可以测量熔池的大小，并且可以自行设置熔池的重叠长度。重叠部分越长，焊缝越密。

在焊接试验中，本文使用焊枪稍微停留在脉冲电流的峰值，以形成一定的熔池，这样可以穿透根部，同时进给焊丝；然后，当脉冲基值电流到达时，焊枪根据设定的焊接速度V向前移动，送丝量减少；下一个脉冲参数周期与此相同。重复上述步骤，形成均匀熔透的连续焊缝。

由于重力和表面张力对不同位置的熔池有不同的影响，为了获得均匀的熔透，可以连续调整一些电气参数以满足焊接过程中的要求。

对坡口边缘未熔合的控制为：

将把多层单道焊改为多层双道焊。在焊接每道焊道时，焊枪会略微向坡口侧偏转一定角度，以有意识地改善坡口和焊缝连接处的熔合。如图5所示。

综上，焊接是一项专业性很强的技术工作，具有特殊的技术指导规范。焊接质量直接关系到整个施工项目的质量。不同材料的母材有不同的焊接方法和要求。

为了提高15CrMo厚壁钢管在焊接和热处理过程中的焊接性能，一是必须保证焊前预热温度，降低冷却速度，避免焊缝组织的形成；二是确保焊接支架牢固，伸缩自如，无自重，无收缩裂缝；三是使用适当的线性能量进行焊接。为避免晶粒尺寸过大，焊接能量不得过大；四是厚壁钢管必须在适当的温度(715-15℃)下进行焊后热处理。

发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，采用钨极氩弧焊作为基底，并填充包层；其中在选择焊料时，确保焊件的成分和性能与母材相似，并且在高温下具有一定的抗氧化性和耐热性，选择TIG-R31作为基材，并且选择R317电极用于填充和涂覆。

2.根据权利要求1所述的15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，所述焊接工艺的试验包括：焊前准备、坡口预制与组对、焊前预热温度的选择、焊接和焊后热处理。

3.根据权利要求2所述的15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，所述焊前预热温度的选择为200℃，并采用电加热的方法进行预热，中间距离250mm，使用一种绝缘棉布与加热区域隔离100mm，所述焊接中采用多层多点焊接工艺，达到预热温度后，必须立即进行焊接。

4.根据权利要求1所述的15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，还包括焊缝质量检验，所述焊缝质量检验包括焊缝的外观检查、焊缝的硬度检测、焊缝的无损检测、焊缝的力学性能和和焊缝的力学性能。

5.根据权利要求4所述的15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，所述焊缝的硬度检测为采用SH/T3501-2011对焊缝及热影响区进行了硬度测定，在15CrMo试验中，布氏硬度不得超过225，选择布氏硬度试验，如果硬度试验失败，再次进行热处理。

6.根据权利要求1所述的15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，所述焊接工艺的操作要领包括：装配工艺、打底焊工艺和填充层焊接工艺。

7.根据权利要求1所述的15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，所述焊接工艺中的管道自动切割精度控制技术采用弧长调节系统，所述弧长调节系统包括采样电路、数控电路、力矩电机、减速机和焊接电源；数控电路基于80C552单片机，配有8K程序存储器R0M和32K存储器RAM；有6个8位输入/输出端口：～P端口P0和P2是地址数据汇合端口；P是具有8个通道的10位A/D转换端口；P.P端口和P4端口可用于系统扩展或直接切换控制，专用引脚F除外；其具有两个DAC 1210，采用0～5V的输出电压，对焊接电流和电弧长度进行控制，从而实现对电机转速的调整；PP工作在位置控制模式，用于控制电机的启动和停止、同步通信、水和气体切换；所有位置控制端口和驱动电路之间采用光电隔离。

8.根据权利要求7所述的15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，弧长调节控制采用霍尔电压传感器测量电弧电压信号；使用的霍尔元件为LV-25，匝数比K为10000：2000，隔离电压为6KV，输入端子的额定电流为10MA；当测量电压时，限流电阻器R串联连接在输入端以将输入端的电压信号转换为电流信号，并且输出端的电流通过测量电阻器WIND转换为电压信号；输入电流I0和输出电流，

I₀＝I₁/k (1)

U₀/R＝U_m/R_mk (2)

U_m＝(R_mk/R)U₀ (3)

在霍尔元件的输入端并联两个电阻值不同的限流电阻R1和R2，R1在引弧过程中导通，测量电压范围为O～80V；弧长控制过程切换至R2，测量范围为0～30V；设计了截止频率为100Hz的滤波电路。

9.根据权利要求8所述的15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，采用线性PID控制器，通过电弧长度和电弧电压的线性关系，实现对电弧长度的自动调整；数据的收集，评估和控制都是通过电脑完成的；弧长的控制做到小幅度的、高速的速度控制，PID控制的最佳方程式是：

式中，e(t)为控制器输入信号；u(t)为控制器输出信号；K_P为控制器放大系数；T_I为控制器积分时间常数；T_D为控制器微分时间常数；

用矩形积分取代连续积分的PID基本方程是：

转化为增量式PID方程是：

上述公式由计算机程序实现，从而达到PID控制的目的；在纯比例的控制下，放大系数逐渐增加，直到系统具有恒定振幅振荡；在全位置焊接中，首先要解决的问题是避免钨电极和工件之间的短路；因此，在调整过程中，需要快速调整焊枪以离开工件，同时将过冲距离调整得尽可能接近；因此，当在两个方向上调整弧长时，应假定不同的增强因子，并相应地减小工件周围的增强因子；同时，在相同的输入功率下，由于不同焊接位置的重力，转矩电机的转速不同，即不同焊接位置下的最优PID参数不同；因此，在实际情况下，有必要相应地调整PID控制的放大倍数。

10.根据权利要求1所述的15CrMo厚壁合金钢管道自动切割焊接工艺，其特征在于，所述焊接工艺中的管道自动打坡口技术包括对根部熔透的控制和对坡口边缘未熔合的控制；其中，对根部熔透的控制为：设计的钝边厚度为2.5mm，对接间隙为1.0mm，焊丝直径以0.8mm为准；热丝TIG焊能独立地精确控制线能量和沉积速率，因此根部容易穿透；然而，由于采用了全位置焊接工艺，要使其成为所有位置的理想熔透并不容易；为了获得均匀熔透的焊缝，将根部焊道逐个分解为孤立的焊点，并将焊缝视为每个焊点的叠加；如果每个焊接点被穿透，则整个焊缝被穿透，因此根部层的穿透被转化为每个孤立点的穿透控制；对于特定的坡口类型和匹配参数，很容易找到单个熔透点的焊接参数；为了获得整个焊缝的熔透，必须控制焊接速度；假设焊接速度为V(mm/min)，则：

V＝60×(D-b) (8)

式中：D为熔池的直径(mm)；b为熔池的重叠长度(mm)。

上述公式表明，如果能确定熔池的尺寸和两个熔池的重叠长度，并且焊枪以一定的速度V移动，则获得具有良好熔深的焊缝；熔池的大小与电弧电压(电弧长度)有关；确定电弧电压，能测量熔池的大小，并且能自行设置熔池的重叠长度，重叠部分越长，焊缝越密；在焊接试验中，使用焊枪稍微停留在脉冲电流的峰值，以形成一定的熔池，这样能穿透根部，同时进给焊丝；然后，当脉冲基值电流到达时，焊枪根据设定的焊接速度V向前移动，送丝量减少；下一个脉冲参数周期与此相同；重复上述步骤，形成均匀熔透的连续焊缝；由于重力和表面张力对不同位置的熔池有不同的影响，为了获得均匀的熔透，能连续调整一些电气参数以满足焊接过程中的要求；所述对坡口边缘未熔合的控制为：把多层单道焊改为多层双道焊，在焊接每道焊道时，焊枪会略微向坡口侧偏转一定角度，以有意识地改善坡口和焊缝连接处的熔合。