CN107175421A - 一种预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺，该工艺包括以下步骤：在法兰的焊接面开坡口，对法兰进行焊前均匀预热使其升温至一定温度；再将法兰安装在双金属离心浇铸复合管的端部，采用点焊方式将法兰固定在双金属离心浇铸复合管上；然后对法兰与双金属复合管进行环焊连接。采用该工艺焊接的法兰能对复合管形成一定的压应力，这能有效地避免双金属复合管端部法兰焊接后因焊接残余应力引起的复合管层间分离的问题，极大地提高了双层双金属离心浇铸复合管道法兰连接接头的可靠性。

Description

一种预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺

技术领域

本发明涉及特种金属管材制备技术领域，具体涉及一种预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰焊接工艺。

背景技术

预压应力双金属离心浇铸复合管在疏浚、采砂、采矿、水泥等行业有着广泛的应用，是近年快速发展的一种特种金属管道。通常情况下，双金属离心浇铸复合管的内层由耐磨性和耐腐蚀性较高的高铬铸铁组成，脆硬性较大；而外层则由强韧性较高的不锈钢或低碳钢组成。这种异质双金属复合管的内、外层之间通常会存在一些离心浇铸过程中产生的夹杂，使得界面的结合性能较差。通常情况下，复合管在制备过程中都会采用一定的技术手段使外层对内层产生一定的压应力，从而避免双金属复合管内、外层之间分离或者开裂。总体而言，相比传统的单金属管材，双金属离心浇铸复合管因为兼具了强韧性大、耐磨性高和耐腐蚀性强的优点而具有更长的服役寿命。

由于制备工艺的限制，双金属复合管的单管长度有限，实际使用时需要在复合管的端部焊接法兰，然后再通过法兰将复合管连接起来。然而，采用传统工艺在双金属离心浇铸复合管的端部焊接法兰时，法兰与复合管间的焊缝在凝固冷却过程中会产生很大的拉应力，使得复合管的外层与内层之间产生分离甚至裂纹。这将降低复合管高铬铸铁内层的冲击抗性，从而极大地缩短双金属复合管的服役寿命。因此，在复合管端部焊接法兰时，尽可能的避免环焊缝对复合管外层产生拉应力是提高复合管服役寿命的关键。

发明内容

本发明的目的在于解决现有双金属离心浇铸复合管端部法兰焊接工艺中因接头残余应力导致的双金属层间分离或开裂问题，旨在提供一种新型预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰焊接工艺。

为了实现上述目的，本发明所设计的预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺，其特殊之处在于，包括以下步骤：

a、在法兰的焊接面开坡口，对法兰进行焊前预热使其升温至一定温度；

b、将法兰安装在双金属离心浇铸复合管的端部，采用点焊方式将法兰固定在双金属离心浇铸复合管上；

c、对法兰与双金属复合管进行环焊连接。

进一步地，所述步骤a中法兰焊前预热温度由下列关系式计算得出：

T_Y≥T+T_L

式中T_Y——法兰焊前预热温度；

T——法兰理论预热温度；

T_L——法兰装配、焊接过程中的温度降低值；

T₀——环境温度。

μ——刚度系数；

D——法兰内径；

α₁——复合管外层材料的热膨胀系数；

α₂——法兰的线膨胀系数；

q_w——单位长度焊缝热输入；

L₀——法兰外圆半径与内圆半径之差；

c——法兰比热容；

ρ——法兰密度；

A——法兰孔面积；

更进一步地，所述步骤a中法兰在焊前预热至T_Y后，适当以保证法兰均匀加热到预热温度，保温时间t，由下式计算得出：

t＝kδ

式中：t——预热保温时间单位：min；

k——保温系数单位：min/mm

δ——法兰厚度法兰厚度。

再进一步地，步骤b中预热后的法兰与复合管的安装间隙小于1.5mm。以利于法兰预热后的快速安装和定位，以减少法兰的温度降低，并能有效减少法兰安装时的偏心量。

再进一步地，步骤b和步骤c中的焊接方法可以为电弧焊、激光焊接和电子束焊接。

再进一步地，步骤c中环缝焊接结束后法兰的温度应高于法兰理论预热温度T。可保证焊接残余应力为压应力状态，有效防止复合管复合界面分离开裂，通过提高实际预热温度、快速焊接、法兰散热面覆盖保温材料等措施，保证法兰焊接结束后法兰的中部温度应高于理论预热温度T，以保证法兰热收缩对焊缝参数压应力作用。

本发明的优点在于：

1、法兰预热后再焊接能有效地降低接头的焊后残余拉应力甚至转变为压应力；

2、法兰预热后再套装至双金属复合管端部，法兰焊接冷却后收缩会对复合管施加一定的压应力，一方面能抵消焊缝凝固冷却过程中产生的拉应力，另一方面能增强复合管外层对内层的压应力，从而避免复合管内、外层之间分离或裂纹的产生。

3、法兰预热后再套装至双金属复合管端部，冷却后的法兰将箍紧双金属复合管，从而增加法兰的安装强度。

附图说明

图1是预压应力双金属离心浇铸复合管与法兰装配时焊缝位置示意图。

图中：预压应力双金属离心浇铸复合管1，法兰2，环形角焊缝3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

预压应力双金属离心浇铸复合管由高铬铸铁内层和不锈钢外层组成，法兰材质为20号钢，预压应力双金属离心浇铸复合管的外形尺寸及其与法兰之间的施焊部位示于图1。图中，预压应力双金属离心浇铸复合管1、法兰2、环形角焊缝3，预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺具体的施焊过程如下：

1、法兰理论预热温度计算：利用下式计算法兰理论预热问题T：

式中μ——刚度系数；

D——法兰内径；

α₁——不锈钢的热膨胀系数；

α₂——法兰的线膨胀系数；

q_w——单位长度焊缝热输入；

L₀——法兰焊前边宽；

c——法兰比热容；

ρ——法兰密度；

A——法兰内孔面积；

T₀——环境温度；

具体计算过程如下：

如图1所示，法兰内孔面积A：

A＝πDδ

＝π×800mm×50mm＝0.126m²

式中：D——法兰内径；

δ——法兰厚度

焊接线能量q_w：

式中：q_w——单位长度焊缝热输入，即焊接线能量

η——焊接热效率

U——电弧电压

I——焊接电流

v——焊接速度

法兰理论预热温度T：

本实施例中，取法兰装配、焊接过程中的温度降低值T_L＝100℃；则实际预热温度T_Y：

T_Y≥T+T_L＝285℃+100℃＝385℃

法兰装配、焊接过程中的温度降低值T_L，为了防止法兰预热失圆、弯曲变形和高温氧化，T_Y应不高于600℃。实际实施中，可通过快速装配定位、快速焊接、在法兰非焊接部位加保温措施等措施以减小T_L，进而降低实际预热温度T_Y。

(2)焊前处理

法兰和复合管在焊接预热前经机加工，并在法兰的焊接面加工焊接坡口，室温状态为过渡配合。在法兰为预热状态，复合管室温状态时其配合为间隙配合，间隙取1.5mm。

先对待焊法兰和预压应力双金属离心浇铸复合管进行焊前预处理，采用物理或化学方法清理法兰及复合管焊接面的油锈。将法兰放置于电炉中进行加热，升温速度为10℃/min，待温度升至385℃后保温50分钟，随后采用叉车取出法兰，并快速将法兰套装在复合管端部。

(3)装配施焊工艺

采用CO₂气体保护焊方法对法兰和复合管进行点焊固定，随后对法兰和复合管之间的前、后环形角焊缝同时施焊。其中角焊缝1选用的焊接电流为180-260A，电压为26-30V，焊接速度为16-20cm/min，焊接线能量为1.26-2.63×10⁶J/m；角焊缝2的焊接电流为160-180A，焊接电压为24-28V，焊接速度为18-22cm/min，焊接线能量为0.94-1.68×10⁶J/m，选用的焊丝型号均为H12Cr24Ni13Si。焊后对法兰与复合管端面进行打磨抛光处理，并采用应变片测量端面处不同部位的焊后应力。在焊缝外侧9mm处，测得的法兰上的应力范围为22.4MPa-44.7MPa；在焊缝内侧9mm处，测得复合管外层不锈钢上的应力范围为0.3MPa-1.2MPa，焊缝上的应力范围为22.7MPa-45.9MPa。

(4)焊后观察

采用本发明方法制备的复合管与法兰焊接接头，待法兰焊接完毕后，复合管内层和外层之间结合紧密，观察焊接处无裂纹即为合格。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (6)

1.一种预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

a、在法兰的焊接面开坡口，对法兰进行焊前预热使其升温至一定温度；

b、将法兰安装在双金属离心浇铸复合管的端部，采用点焊方式将法兰固定在双金属离心浇铸复合管上；

c、对法兰与双金属复合管进行环焊连接。

2.如权利要求1所述的预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺，其特征在于：所述步骤a中法兰焊前预热温度由下列关系式计算得出：

T_Y≥T+T_L

<mrow> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>D&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>q</mi> <mi>w</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>c</mi> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow>

式中T_Y——法兰焊前预热温度；

T——法兰理论预热温度；

T_L——法兰装配、焊接过程中的温度降低值；

T₀——环境温度。

μ——刚度系数；

D——法兰内径；

α₁——复合管外层材料的热膨胀系数；

α₂——法兰的线膨胀系数；

q_w——单位长度焊缝热输入；

L₀——法兰外圆半径与内圆半径之差；

c——法兰比热容；

ρ——法兰密度；

A——法兰孔面积。

3.如权利要求2所述的预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺，其特征在于：所述步骤a中法兰在焊前预热至一定温度后保温一段时间，所述保温时间由下式计算得出：

t＝kδ

式中：t——预热保温时间单位：min；

k——保温系数单位：min/mm

δ——法兰厚度法兰厚度。

4.如权利要求3所述的预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺，其特征在于：步骤b中预热后的法兰与复合管的安装间隙小于1.5mm。

5.如权利要求1～4中任一项所述的预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺，其特征在于：步骤b和步骤c中的焊接方法包括电弧焊、激光焊接和电子束焊接。

6.如权利要求1～4中任一项所述的预压应力双金属离心浇铸复合管端部法兰的焊接工艺，其特征在于：步骤c中环焊焊接结束后法兰的中部温度应高于法兰理论预热温度T。