CN104400200A - 一种高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法，包括：1）选择管道材料为20号碳素钢，直径219mm，壁厚14～16mm；2）管道焊前处理；3）管道装夹；4）设定焊接参数：伸出长度75～85mm，闪光留量21～24mm，顶锻留量4～7.5mm，闪光始速0.16～0.30mm/s，闪光止速1.15～1.55mm/s，闪光电流4.8～7.2kA，顶锻速度30～35mm/s，顶锻力9.5～11MPa，带电顶锻时间0.1～0.5s，夹紧力11～12MPa；5）焊缝毛刺清除。本发明工艺焊接时间短，焊接效率高，接头质量满足要求，可促使锅炉管道安装焊接由“氩弧焊+气保焊”发展为更加高效的闪光对焊技术，应用前景广泛。

Description

一种高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺方法，特别是涉及了一种高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法。

背景技术

在高压锅炉管道对接施工中，目前主要采用的焊接方法是“氩弧焊+气护焊”。该方法焊接高压锅炉大直径大壁厚管道时，要求管子全周对口均匀；坡口型式需采用复合型或Ｕ型坡口，增加了焊接施工程序，生产效率低，生产成本高。然而，先进的闪光对焊技术对管道坡口要求很低，且不需要焊材即可一次焊接成型，焊接时间短，生产效率高，大大降低生产成本。

在国外尤其是前苏联，闪光对焊技术广泛用于油气运输管道焊接，所焊管道直径为Φ1420m，壁厚为20mm，焊接时间只需约5min。国内在20世纪90年代，初步研究低压锅炉钢管连续闪光焊接，针对的管道规格为Φ32mm x 3mm（12CrMoV钢）和Φ51mm x 3mm（10号碳素钢），焊接时间只需要几秒钟。这表明闪光对接技术的焊接效率远远高于半自动气体保护焊方法，生产效率非常高，对管道建设具有重要意义。然而，闪光焊接工艺参数包括伸出长度、闪光留量、顶锻留量、闪光电流、闪光速度、顶锻速度、顶锻压力、夹紧压力、二次空载电压等，参数复杂而多变，每更换一次材料或者对接截面积发生变化，其焊接工艺参数都需要重新选择和优化。上述公开的管道闪光焊接工艺要么针对油气长输大直径大壁厚管道，要么针对低压锅炉小直径薄壁管道，不能用于大容量高压锅炉采用的直径为Φ219mm，壁厚为14～16mm的20号碳素钢管道闪光对焊，其工艺需要重新开发，但目前尚未见到相关报道。随着锅炉容量越来越大，压力越来越高，其对大直径大壁厚管道的需求量也越来越大，因此，开发相应的闪光焊工艺必将有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种适用于焊接高压锅炉用直径为219mm、厚度为14～16mm的管道，能有效降低生产成本，满足锅炉大容量、高质量快速发展需求的高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法，所焊管道的材料为20号碳素钢，直径为219mm，壁厚为14～16mm，其特点是该焊接工艺包括如下步骤：A）对两待焊管道进行焊前处理；B）管道装夹；C）焊接工艺参数设定；D）闪光；E）顶锻；F）保压；G）焊缝毛刺清除；其中，焊接工艺参数设定为：各待焊管道伸出长度L₁为75～85mm，闪光留量为21～24mm，顶锻留量为4～7.5mm，闪光初始速度为0.16～0.30mm/s，闪光终止速度为1.15～1.55mm/s，闪光电流为4.8kA～7.2kA，顶锻速度为30～35mm/s，顶锻力为9.5～11MPa，带电顶锻时间为0.1～0.5s，夹紧力为11～12MPa，二次电压为6～7V，焊接时间为185～230s。

其中，上述各待焊管道焊前处理的工艺包括：对各待焊管道的待焊端面开坡口角度a为10^o±2^o；对各待焊管道的外圆面进行打磨，打磨长度L₂为从坡口的外缘处沿管道轴向向外打磨300mm以上。

上述管道装夹的工艺包括：两待焊管道的待焊端面平行间隙b₁为1～2mm；两待焊管道的内壁错位间隙 b₂＜1mm。

上述焊缝毛刺清除是在焊接后立即采用推刀机械去除焊缝外部毛刺，并采用等离子清渣技术清除焊缝内部毛刺，保证焊缝内外余高不超过1.5mm。

本发明与现有技术相比，具有如下显著的效果：

本发明提供了一种快速焊接直径为219mm、厚度为14～16mm的高压锅炉管道的闪光焊接工艺方法，焊接时间只有185～230s，与常用“氩弧焊+气保焊”方法相比，大大缩短了焊接时间，提高了焊接效率，降低了生产成本，促进了锅炉产品的更新换代。本发明还提出了焊前处理及装夹工件规范要求，使通电后的闪光阶段端面间液态过梁***均匀，横截面上的烧损量均匀一致，达到工件两端面上适合的温度加热带，为顶锻创造良好的条件。本发明采用正交回归设计方法，设计最佳的闪光留量与顶锻留量及闪光电流、闪光速度与顶锻速度相配合的焊接规范，在焊接过程中解决了焊接时易出现焊接灰斑的质量问题，提高了接头的强度和韧性。本发明还根据电极及夹紧装置的结构，确定了顶锻力和夹紧力的关系为1:1.1，解决了因电极、夹紧装置磨损或工件尺寸偏差而造成夹紧不牢，顶锻时打滑的难点，并控制了夹紧时管道易变形的难题，提高了接头的连接强度。本发明还提出焊后立即进行焊缝毛刺清除要求，特别是焊缝内部毛刺清除，为无损检测提供良好的条件，解决了闪光焊锅炉管道接头毛刺难清除，造成管道易堵塞、不耐腐蚀等长期困扰其使用的技术难题。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明管道待焊端面坡口角度的结构示意图。

图2是本发明待焊管道打磨长度的结构示意图。

图3是本发明装夹后两管道待焊端面平行间隙的结构示意图。

图4是本发明装夹后两管道内壁错位间隙的结构示意图。

图5是本发明管道闪光焊接结构示意图。

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明所述的高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法，主要由待焊管道焊前处理、管道装夹、焊接工艺参数设定、闪光、顶锻、保压、焊缝毛刺清除等步骤组成。

A）待焊管道焊前处理：对待焊管道开坡口，角度a为10^o±2^o（如图1所示），以减少刚开始焊接时的接触面积，增加管口的毛糙度。为了得到高强度和质量稳定的接头，必须对管道进行焊前处理，将待焊管长度L₂（如图2所示）的外圆面打磨至出现金属光泽，以保证管道与电极在装夹时的接触面积，满足管道与电极间的导电性。打磨长度L₂根据闪光焊设备电极的大小以及待焊管道伸出长度L₁确定（如图5所示），且打磨方式为从坡口的外缘处沿管道轴向向外打磨，超过300mm即可。闪光焊接刚开始时，管口越毛糙越有利于闪光。由于端面凹凸不平，两管口相接触时仅少数几个点接触，接触面积小，电流密度大，使接触面周围的金属立即被加热到沸腾温度使之***闪光。这部分热量随即延管壁往后传递，管子不断进给，又产生新的***闪光区域，最后产生连续稳定闪光。

B）管道装夹：在装夹过程中需要保证两管道待焊端面具有一定的平行间隙，该平行间隙b₁为1～2mm（如图3所示）。间隙过大，管道端面无法接触，电流无法通过，导致焊接无法进行。间隙过小，过梁截面积增大而不再***，无法闪光。合适的间隙使管道两端面间过梁***均匀，横截面上的烧损量均匀一致，管道两端面上的温度分布带适宜。管道在装夹后两管道内壁错位间隙b₂必须小于1mm（如图4所示），保证接头的同轴度、机械性能和焊后焊渣的对称性。

C）焊接工艺参数设定：在焊接作业前，必须进行焊接工艺参数的设定，把一系列参数做最佳组合，以保证接头达到所需的机械强度性能。在工艺参数设定时，应根据管道不同形状和截面积来选择伸出长度，然后对伸出长度进行合理分段成闪光留量和顶锻留量，同时在选择伸出长度时，应严格考虑动夹具前进时的起始位置，以得到一个所需的闪光初始速度和闪光终止速度及顶锻速度，并通过控制推动动夹具前进时的气缸压力，得到一个所需的顶锻力。管道的夹紧力是通过控制液压***的压力来实现的。

待焊管道伸出长度L₁是控制闪光留量、顶锻留量、管道两端面温度合理分布和接头塑性变形的一个重要参数，而闪光速度是一个保证闪光强烈和稳定的重要参数，特别是闪光后期速度过小会产生闪光中断，接头易产生氧化膜夹渣，而速度过快，会使管道两端面的过热带过窄，增加塑性变形的困难，接头强度下降。顶锻开始时，动夹具突然高速前进使端口间隙缩小，过梁截面增大而不再***，闪光停止，顶锻结束时，在管道端面区域获得适当的塑性变形，促进焊缝再结晶过程。在有电顶锻时，需严格控制时间，以免接头产生过烧缺陷。闪光电流取决于管道的截面面积和闪光所需要的电流密度。闪光阶段的电流并不是一个常数，存在一定的波动。根据所焊高压锅炉管道直径为219mm、厚度为14～16mm的截面积及其材料物理特性，利用正交回归方法优化，确定如下工艺：

伸出长度L₁        75～85mm；

闪光留量          21～24mm；

顶锻留量          4～7.5mm；

闪光初始速度      0.16～0.30mm/s；

闪光终止速度      1.15～1.55mm/s；

闪光电流          4.8kA～7.2kA；

顶锻速度          30～35mm/s；

顶锻力            9.5～11MPa；

带电顶锻时间      0.1～0.5s；

夹紧力            11～12MPa；

二次电压          6～7V；

焊接时间          185～230s。

D）闪光：如图5所示，在闪光对焊机1的电极2之间施加焊接电压，所述待焊管道一3的待焊端面与待焊管道二4的待焊端面上的细小接触点由于有电流通过形成接触电阻并发热，这些接触点的金属被快速熔化，形成连接两端金属的液态过梁。这些液态过梁在电热-力共同作用下***，高速向外喷射形成闪光。

E）顶锻：闪光结束后，焊接机头右侧移动端带动右侧的夹紧机构5快速前进，在顶锻力的作用下将待焊管道一3和待焊管道二4撞击在一起，管道两端面之间的熔融金属和金属氧化物被挤出，两接触端面处材料产生塑性变形。此时的顶锻速度越快越好以防止端面金属氧化。顶锻力则以保证能挤出接口内的液态金属和接头产生一定的塑性变形为标准。顶锻力过小，则变形不足，接头强度下降；顶锻力过大，则变形量过大，晶纹弯曲严重，降低接头冲击韧性。因此，所述管道的顶锻速度大于30mm/s，顶锻力选择9.5～11MPa。

F）保压：在焊缝两端压力下保持一定时间，使材料经过冶金结合，形成焊缝。

G）焊缝毛刺清除：焊缝毛刺影响焊接管道的使用，特别是管道内部毛刺易造成管道堵塞、接头耐腐蚀性下降等问题，因此闪光焊保压结束后，趁焊缝未完全冷却前立即采用外部推刀机械去除焊缝外表毛刺，并采用等离子清渣技术清除焊缝内部的毛刺，保证焊缝内外余高不超过1.5mm。

如下表所示，本发明提供的三项实施例均采用同一工艺流程，即：待焊管道焊前处理、管道装夹、焊接工艺参数设定、闪光、顶锻、保压、焊缝毛刺清除。

工艺规范为：焊前将待焊管道的一端表面打磨出金属光泽，长度L₂为300mm；端面开坡口，角度a为10^o±2^o。装夹后两管道待焊端面平行间隙b₁为1～2mm；两管道内壁错位间隙 b₂＜1mm。二次电压为6.6V。其它不同工艺条件分别如下表所示：

工艺参数	实施例一	实施例二	实施例三
				1. 伸出长度	75mm	80 mm	85 mm
2. 闪光留量	21mm	22.4 mm	24 mm
				3.顶锻留量	4mm	6 mm	7.5 mm
4. 闪光初始速度	0.16mm/s	0.20 mm/s	0.30 mm/s
				5. 闪光终止速度	1.15mm/s	1.35 mm/s	1.55 mm/s
6. 闪光电流	4.8kA	6kA	7.2kA
				7. 顶锻速度	30mm/s	33 mm/s	35 mm/s
8. 顶锻力	9.5MPa	10 Mpa	11 Mpa
				9. 带电顶锻时间	0.1s	0.3s	0.5s
10. 夹紧力	11MPa	11.5 MPa	12 MPa

上述方法焊接成形的管道接头拉伸强度高于母材，且延性断裂于母材，接头侧弯180°无裂纹，焊接质量良好，达到GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》以及API1104-2008《管线钢焊接技术规范》标准规定。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (4)

1.一种高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法，所焊管道材料为20号碳素钢，直径为219mm，壁厚为14～16mm，其特征在于该焊接工艺包括如下步骤：A）对两待焊管道进行焊前处理；B）管道装夹；C）焊接工艺参数设定；D）闪光；E）顶锻；F）保压；G）焊缝毛刺清除；其中，焊接工艺参数设定为：各待焊管道伸出长度L₁为75～85mm，闪光留量为21～24mm，顶锻留量为4～7.5mm，闪光初始速度为0.16～0.30mm/s，闪光终止速度为1.15～1.55mm/s，闪光电流为4.8kA～7.2kA，顶锻速度为30～35mm/s，顶锻力为9.5～11MPa，带电顶锻时间为0.1～0.5s，夹紧力为11～12MPa，二次电压为6～7V，焊接时间为185～230s。

2.根据权利要求1所述的高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法，其特征在于上述各待焊管道焊前处理的工艺如下：

对各待焊管道的待焊端面开坡口角度a为10^o±2^o；

对各待焊管道的外圆面进行打磨，打磨长度L₂为从坡口的外缘处沿管道轴向向外打磨300mm以上。

3.根据权利要求1所述的高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法，其特征在于上述管道装夹的工艺如下：

    两待焊管道的待焊端面平行间隙b₁为1～2mm；

    两待焊管道的内壁错位间隙 b₂＜1mm。

4.根据权利要求1所述的高压锅炉管道的闪光对焊工艺方法，其特征在于上述焊缝毛刺清除是在焊接后立即采用推刀机械去除焊缝外部毛刺，并采用等离子清渣技术清除焊缝内部毛刺，保证焊缝内外余高不超过1.5mm。