CN108994430B - 镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法 - Google Patents

镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于异种钢焊接技术领域，具体涉及镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法。为了解决对小管径、大管壁的镍基合金钢和碳钢进行管道组对焊接时，焊缝背面存在高于0.45mm凸起的问题，本发明提出了一种镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法。该焊接方法包括以下步骤：步骤S1，进行待焊接管道之间的组对，将组对间隙控制在0～1mm，并且在组对坡口的背面充入保护气体；步骤S2，进行组对管道之间的打底焊接；步骤S3，进行组对管道之间的填充焊接；步骤S4，进行组对管道之间的盖面焊接。在本发明的方法中，通过对打底焊接采用分段式熔融焊接，并对焊接参数进行适应性调整，从而控制打底焊接中热输入量的分布，将焊缝背面凸起控制在0.45mm以内。

Description

镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法
技术领域
本发明属于异种钢焊接技术领域，具体涉及镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法。
背景技术
高温气冷堆是一种具有良好安全特性的***核电堆型。传热管是高温气冷堆蒸汽发生器的关键组成部分，起着承载流体和直接进行换热的作用，它对整个高温气冷堆的性能和安全可靠有着重大的影响。
目前，在对传热管中采用外径尺寸为19mm、壁厚为3mm的Incoloy 800H镍基合金钢和T22碳钢异种材料管道进行焊接时，由于Incoloy 800H镍基合金钢自身的焊接性能本来就差，而且又是针对小管径、大管壁的异种材料管道进行组对焊接，在焊接完成后极易出现焊缝内表面高于0.45mm的凸起现象，无法满足内壁凸起不超过内表面0.45mm的标准要求，进而影响着传热管焊接接头的质量和性能，无法保证整个施工进度的顺利进行。
发明内容
为了解决对小管径、大管壁的Incoloy800H镍基合金钢和T22碳钢进行管道组对焊接时，在焊接完成的焊缝背面存在高于0.45mm凸起的问题，本发明提出了一种镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法。该焊接方法包括以下步骤：
步骤S1，进行待焊接管道之间的组对，将组对间隙控制在0～1mm，并且在组对坡口的背面充入保护气体；
步骤S2，进行组对管道之间的打底焊接；沿圆周方向对坡口钝边进行分段熔融焊接形成熔透焊道，并且在整个熔融焊接过程中逐渐减小焊接电流；
步骤S3，进行组对管道之间的填充焊接；在完成打底焊接后，在打底焊道上进行填充焊接，直至完成整个圆周上的填充焊接；
步骤S4，进行组对管道之间的盖面焊接；在完成填充焊接后，进行一道或多道盖面焊接形成盖面焊道，直至完成整个焊接操作。
优选的，在所述步骤S1中，待焊接管道之间采用单V型的坡口，且该坡口的单边坡度为15°～25°。
优选的，在所述步骤S1中，完成待焊接管道的组对后，在组对间隙之间设置多个点固点，进行组对管道之间位置的固定。
进一步优选的，在所述步骤S1中，在组对管道的组对间隙之间设置3个点固点，分别位于对接接头的0°、135°和225°位置处。
优选的，在所述步骤S2中，分四段进行熔融焊接，依次分别为对接接头中的0°～90°段、90°～180°段、180°～270°段和270°～0°段；其中，
0°～90°之间的熔融焊接，焊接电流的峰值范围为95～115A、基值范围为42～62A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s；90°～180°之间的熔融焊接，焊接电流的峰值范围为88～108A、基值范围为39～59A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s；180°～270°之间的熔融焊接，焊接电流的峰值范围为83～103A、基值范围为36～56A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s；270°～0°之间的熔融焊接，焊接电流的峰值范围为82～102A、基值范围为36～56A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s。
进一步优选的，在分四段的熔融焊接过程中，对焊接电流的峰值和基值进行伴随性分段调节时，每段调节后，焊接电流值降低1～5A。
优选的，在所述步骤S3中，采用分段填充焊接，并且在整个填充焊接过程中逐渐减小焊接电流。
进一步优选的，在所述步骤S3中，分四段进行填充焊接，依次分别为对接接头中的45°～135°段、135°～225°段、225°～315°段和315°～45°段；其中，
45°～135°之间的填充焊接，焊接电流的峰值范围为86～106A、基值范围为33～53A，电压范围为9.0～10.0V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min；135°～225°之间的填充焊接，焊接电流的峰值范围为82～102A、基值范围为28～48A，电压范围为8.7～9.7V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min；225°～315°之间的填充焊接，焊接电流的峰值范围为79～99A、基值范围为28～48A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min；315°～45°之间的填充焊接，焊接电流的峰值范围为76～96A、基值范围为26～46A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min。
优选的，在所述步骤S4中，采用分段盖面焊接，并且在整个盖面焊接过程中逐渐减小焊接电流。
进一步优选的，在所述步骤S4中，分四段进行盖面焊接，依次分别为对接接头中的315°～45°段、45°～135°段、135°～225°段和225°～315°段；其中，
315°～45°之间的盖面焊接，焊接电流的峰值范围为88～108A、基值范围为35～55A，电压范围为8.6～9.7V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min；45°～135°之间的盖面焊接，焊接电流的峰值范围为85～105A、基值范围为32～52A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min；135°～225°之间的盖面焊接，焊接电流的峰值范围为83～103A、基值范围为33～53A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min；225°～315°之间的盖面焊接，焊接电流的峰值范围为82～102A、基值范围为30～50A，电压范围为8.7～9.7V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min。
采用本发明镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法，外径尺寸为19mm、壁厚为3mm的Incoloy 800H镍基合金钢和T22碳钢异种材料管道进行组对焊接时，具有以下有益效果：
1、采用本发明的方法时，通过对整个圆周方向的打底焊接进行分段熔融焊接，并且随着焊接的进行对焊接参数进行适应性调整，从而控制整个打底焊接过程中热输入量的分布，使焊接过程中产生的焊接熔滴达到所受重力和所受坡口钝边支撑力的平衡，从而在保证小管径、大壁厚镍基合金钢管道与碳钢管道之间组对焊缝质量的情况下有效控制焊缝的背面凸起量，使其满足凸起高度低于4.5mm的标准要求，进而满足传热管焊接接头的质量和性能要求，保证整个施工进度的顺利进行。
2、在本发明的方法中，通过对整个圆周方向的填充焊接和盖面焊接分别采用分段式焊接，并且对不同区域的焊接参数以及焊接起弧位置进行对应的调整控制，精准控制填充焊接和盖面焊接过程中对打底焊道的作用效果，避免对打底焊道产生过大作用力而形成焊缝的内陷，从而进一步保证最终焊缝的质量。
附图说明
图1为采用本发明的方法对Incoloy 800H镍基合金钢管道和T22碳钢管道进行组对焊接的流程示意图；
图2为在本发明的方法中待焊接管道之间组对的结构示意图；
图3为在本发明的方法中点固点在组对间隙内的分布示意图；
图4为在本发明的方法中进行分段打底焊接时的焊接顺序示意图；
图5为在本发明的方法中进行分段填充焊接时的焊接顺序示意图；
图6为在本发明的方法中进行分段盖面焊接时的焊接顺序示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细介绍
结合图1所示，采用本发明镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法，对外径尺寸为19mm、壁厚为3mm、坡口钝边厚度为0.5mm的Incoloy800H镍基合金钢管道和T22碳钢管道进行组对焊接时，具体操作步骤为：
步骤S1，进行待焊接管道之间的组对，将组对间隙控制在0～1mm，并且在组对坡口的背面充入保护气体。
结合图2所示，将Incoloy800H镍基合金钢管道和T22碳钢管道相向组对形成单V型坡口，其中坡口的单边坡度为20°，并且将整个圆周方向的组对间隙控制在0～1mm。
优选的，在完成Incoloy800H镍基合金钢管道和T22碳钢管道的组对后，在组对间隙之间还可以设置多个点固点，用于对Incoloy800H镍基合金钢管道和T22碳钢管道之间的位置关系进行固定，从而保证组对间隙的稳定性，保证后期焊接的质量和效果。
结合图3所示，沿组对间隙的圆周方向设有三个点固点，分别为位于对接接头0°处第一点固点1，位于对接接头135°处的第二点固点2以及位于待焊接管道225°处的第三点固点3。通过将三个点固点在整个圆周内进行对称设置，从而保证对待焊接管道进行点焊固定时作用力的均匀分布，保证对待焊接管道固定连接的稳定性。同样，也可以根据待焊接管道的直径尺寸、组对间隙尺寸以及坡口尺寸，在其他位置设置更多数量的点固点，保证对待焊接管道固定的稳定性。
此外，作为组对坡口的背面保护气体，既可以采用体积比为3:7的氩氦混合气，进行焊接过程中坡口背面的保护，同样，也可以根据施工现场情况以及焊接要求，选择纯氩气作为背面保护气体。
步骤S2，进行组对管道之间的打底焊接。对坡口钝边进行分段熔融焊接形成熔透焊道，并且在整个熔融焊接过程中逐渐减小焊接电流，有效地控制整个打底焊接过程中热输入量的分布情况，从而平衡熔池所受到的重力和支撑力，控制焊缝背面凸起的尺寸。
优选的，采用分段式进行打底熔融焊接。结合图4所示，将组对间隙沿圆周方向依次划分为0°～90°段、90°～180°段、180°～270°段和270°～0°段，并且按该划分顺序依次进行焊接完成整个圆周上的打底焊接。
其中，在0°～90°之间的熔融焊接中，焊接电流的峰值范围为95～115A、基值范围为42～62A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s。在90°～180°之间的熔融焊接中，焊接电流的峰值范围为88～108A、基值范围为39～59A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s。在180°～270°之间的熔融焊接中，焊接电流的峰值范围为83～103A、基值范围为36～56A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s。在270°～0°之间的熔融焊接中，焊接电流的峰值范围为82～102A、基值范围为36～56A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s。
进一步优选的，在分上述四段的熔融焊接过程中，对焊接电流的峰值和基值进行伴随性分段调节时，每段调节后，焊接电流值降低1～5A，从而对每段焊接中的热输入量进行最佳合理分配，从而保证整个圆周方向上焊缝的成型质量。同样，针对其他直径尺寸和壁厚尺寸的镍基合金钢和碳钢进行组对焊接时，也可以根据具体情况调整分段焊接的数量，以及不同焊接位置的电流值和不同段之间电流值的大小关系，从而达到对不同尺寸管道焊接的最佳焊缝成型效果。
步骤S3，进行组对管道之间的填充焊接。在完成步骤S2中的打底焊接后，在打底焊道上进行填充焊接，直至完成整个圆周方向上的填充焊接。
优选的，采用分段式进行填充焊接，并且在整个填充焊接过程中逐渐减小焊接电流。结合图5所示，将组对间隙沿圆周方向依次划分为45°～135°段、135°～225°段、225°～315°段和315°～45°段，并且按该划分顺序依次进行焊接完成整个圆周上的填充焊接。
其中，在45°～135°之间的填充焊接中，焊接电流的峰值范围为86～106A、基值范围为33～53A，电压范围为9.0～10.0V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min。在135°～225°之间的填充焊接中，焊接电流的峰值范围为82～102A、基值范围为28～48A，电压范围为8.7～9.7V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min。在225°～315°之间的填充焊接中，焊接电流的峰值范围为79～99A、基值范围为28～48A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min。在315°～45°之间的填充焊接中，焊接电流的峰值范围为76～96A、基值范围为26～46A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min。
步骤S4，进行组对管道之间的盖面焊接。在完成上述填充焊接后，进行一道或多道盖面焊接形成盖面焊道，直至完成整个焊接操作。
优选的，采用分段式进行盖面焊接，并且在整个盖面焊接过程中逐渐减小焊接电流。结合图6所示，将组对间隙沿圆周方向依次划分为315°～45°段、45°～135°段、135°～225°段和225°～315°段，并且按该划分顺序依次进行焊接完成整个圆周上的盖面焊接。
其中，在315°～45°之间的盖面焊接中，焊接电流的峰值范围为88～108A、基值范围为35～55A，电压范围为8.6～9.7V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min。在45°～135°之间的盖面焊接中，焊接电流的峰值范围为85～105A、基值范围为32～52A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min。在135°～225°之间的盖面焊接中，焊接电流的峰值范围为83～103A、基值范围为33～53A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min。在225°～315°之间的盖面焊接中，焊接电流的峰值范围为82～102A、基值范围为30～50A，电压范围为8.7～9.7V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min。
下面结合实施例和对比例对本发明的技术方案做进一步的效果对比
实施例一
首先，对位于2G位置，外径尺寸为19mm、壁厚为3mm、坡口钝边厚度为0.5mm的Incoloy800H镍基合金钢管道和T22碳钢管道进行单边坡度为20°的V型坡口加工，并且对两段管道进行组对，将圆周方向的组对间隙控制在0～1mm之间。接着，在组对间隙之间设置三个点固点对组对管道进行位置固定，三个点固点分别位于圆周方向的0°、135°和225°三个位置，同时在组对坡口的背面充入体积比为3:7的氩氦混合气作为背面保护气体。然后，采用表1所示焊接参数，对组对管道依次进行打底焊接、填充焊接和盖面焊接。其中，选用法国Polysoude公司的PS406全位置自动焊机，机头配置封闭式机头和卡钳式两种，分别用于打底焊接和填充盖面焊接，钨极采用抛光铈钨极，且钨极的直径为2.0mm、锥度为30°、平台直径为0～0.8mm，焊丝选用ERNiCr-3焊丝，且焊丝直径为0.8mm，焊接保护气体选用纯度为99.99％的氩气。
表1
Figure BDA0001790274320000091
Figure BDA0001790274320000101
完成全部焊接后，对实施例一中获得的焊接接头进行检测试验。其中，在焊缝的正面和背面均不存在裂纹、气孔、咬边、未熔合及夹渣等缺陷，在焊缝内部无裂纹及夹渣和气孔等超标缺陷，并且满足力学性能要求。同时，利用外径尺寸为12.1mm通球进行通球试验，试验通球可以顺利通过背部焊缝处，从而满足对焊缝背面凸起低于0.45mm的标准要求。
实施例二
采用与实施例一相同的方法对外径尺寸为19mm、壁厚为3mm、坡口钝边厚度为0.5mm的Incoloy800H镍基合金钢管道和T22碳钢管道进行组对焊接，其区别在于：待焊接管道处于5G位置，并且采用表2所示焊接参数分别打底焊接、填充焊接和盖面焊接。
表2
Figure BDA0001790274320000102
Figure BDA0001790274320000111
完成全部焊接后，对实施例二中获得的焊接接头进行检测试验。其中，在焊缝的正面和背面均不存在裂纹、气孔、咬边、未熔合及夹渣等缺陷，在焊缝内部无裂纹及夹渣和气孔等超标缺陷，并且满足力学性能要求。同时，利用外径尺寸为12.1mm通球进行通球试验，试验通球可以顺利通过背部焊缝处，从而满足对焊缝背面凸起低于0.45mm的标准要求。
对比例一
采用与实施例二相同的方法对外径尺寸为19mm、壁厚为3mm、坡口钝边厚度为0.5mm的Incoloy800H镍基合金钢管道和T22碳钢管道进行组对焊接，其区别仅在于：采用表3所示的焊接参数进行分别打底焊接、填充焊接和盖面焊接。
表3
Figure BDA0001790274320000112
Figure BDA0001790274320000121
完成全部焊接后，对对比例一中获得的焊接接头进行检测。虽然，利用外径尺寸为12.1mm通球进行通球试验，试验通球可以快速通过背部焊缝处，但是，由于在整个打底焊接中，0°～90°段的峰值电流值低于95A、基值电流值低于42A，90°～180°段的峰值电流值低于88A、基值电流值低于39A，180°～270°段的峰值电流值低于83A、基值电流值低于36A，270°～0°段的峰值电流值低于82A、基值电流值低于36A，这样在打底的熔融焊接过程中无法完全实现熔融焊接出现了局部未熔合现象，在焊缝背面存在未熔合缺陷。
对比例二
采用与实施例二相同的方法对外径尺寸为19mm、壁厚为3mm、坡口钝边厚度为0.5mm的Incoloy800H镍基合金钢管道和T22碳钢管道进行组对焊接，其区别仅在于：采用表4所示的焊接参数进行分别打底焊接、填充焊接和盖面焊接。
表4
Figure BDA0001790274320000122
Figure BDA0001790274320000131
完成全部焊接后，对对比例二中获得的焊接接头进行观察检测。虽然，焊缝的正面和背面均不存在裂纹、气孔、咬边、未熔合及夹渣等缺陷，焊缝内部无裂纹及夹渣和气孔等超标缺陷，并且满足力学性能要求。但是，由于在整个打底焊接中，0°～90°段的峰值电流值高于115A、基值电流值高于62A，90°～180°段的峰值电流值高于108A、基值电流值高于59A，180°～270°段的峰值电流值高于103A、基值电流值高于56A，270°～0°段的峰值电流值高于102A、基值电流值高于56A，从而导致焊缝背面形成了大尺寸的凸起，外径尺寸为12.1mm通球无法通过背部焊缝处，即焊缝背面凸起高于0.45mm，不满足标准要求。

Claims (6)

1.一种镍基合金钢与碳钢异种材料管道的焊接方法，其特征在于，该焊接方法包括以下步骤：
步骤S1，进行待焊接管道之间的组对，将组对间隙控制在0～1mm，并且在组对坡口的背面充入保护气体；
步骤S2，进行组对管道之间的打底焊接；沿圆周方向对坡口钝边进行分段熔融焊接形成熔透焊道，并且在整个熔融焊接过程中逐渐减小焊接电流；
步骤S3，进行组对管道之间的填充焊接；在完成打底焊接后，在打底焊道上进行填充焊接，直至完成整个圆周上的填充焊接；
步骤S4，进行组对管道之间的盖面焊接；在完成填充焊接后，进行一道或多道盖面焊接形成盖面焊道，直至完成整个焊接操作；
在所述步骤S1中，待焊接管道之间采用单V型的坡口，且该坡口的单边坡度为15°～25°；
在所述步骤S1中，完成待焊接管道的组对后，在组对间隙之间设置多个点固点，进行组对管道之间位置的固定；
在所述步骤S1中，在组对管道的组对间隙之间设置3个点固点，分别位于对接接头的0°、135°和225°位置处；
在所述步骤S2中，分四段进行熔融焊接，依次分别为对接接头中的0°～90°段、90°～180°段、180°～270°段和270°～0°段；其中，
0°～90°之间的熔融焊接，焊接电流的峰值范围为95～115A、基值范围为42～62A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s；90°～180°之间的熔融焊接，焊接电流的峰值范围为88～108A、基值范围为39～59A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s；180°～270°之间的熔融焊接，焊接电流的峰值范围为83～103A、基值范围为36～56A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s；270°～0°之间的熔融焊接，焊接电流的峰值范围为82～102A、基值范围为36～56A，峰值时间为0.20～0.26s，基值时间为0.36～0.42s。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在分四段的熔融焊接过程中，对焊接电流的峰值和基值进行伴随性分段调节时，每段调节后，焊接电流值降低1～5A。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用分段填充焊接，并且在整个填充焊接过程中逐渐减小焊接电流。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S3中，分四段进行填充焊接，依次分别为对接接头中的45°～135°段、135°～225°段、225°～315°段和315°～45°段；其中，
45°～135°之间的填充焊接，焊接电流的峰值范围为86～106A、基值范围为33～53A，电压范围为9.0～10.0V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min；135°～225°之间的填充焊接，焊接电流的峰值范围为82～102A、基值范围为28～48A，电压范围为8.7～9.7V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min；225°～315°之间的填充焊接，焊接电流的峰值范围为79～99A、基值范围为28～48A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min；315°～45°之间的填充焊接，焊接电流的峰值范围为76～96A、基值范围为26～46A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为325～335mm/min。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S4中，采用分段盖面焊接，并且在整个盖面焊接过程中逐渐减小焊接电流。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，在所述步骤S4中，分四段进行盖面焊接，依次分别为对接接头中的315°～45°段、45°～135°段、135°～225°段和225°～315°段；其中，
315°～45°之间的盖面焊接，焊接电流的峰值范围为88～108A、基值范围为35～55A，电压范围为8.6～9.7V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min；45°～135°之间的盖面焊接，焊接电流的峰值范围为85～105A、基值范围为32～52A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min；135°～225°之间的盖面焊接，焊接电流的峰值范围为83～103A、基值范围为33～53A，电压范围为8.5～9.5V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min；225°～315°之间的盖面焊接，焊接电流的峰值范围为82～102A、基值范围为30～50A，电压范围为8.7～9.7V，焊接速度为63～67mm/min，送丝速度为315～325mm/min。
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