CN117733484A - 深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，包括如下步骤：S1、对料坯进行加热处理；S2、对料坯进行整形处理；S3、料坯导向孔处理；S4、料坯锻压成阀体毛坯处理，得到带内孔的阀体毛坯；S5、阀体毛坯内孔壁堆焊处理。本发明的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法在阀体内部表面进行堆焊，使阀体具有双金属性能，延长阀体使用寿命的同时降低了生产成本。在料坯上挤压形成锥形导向孔，能避免料坯成型过程中的挤压变形问题，提高阀体本身的机械性能和防腐性。采用2层焊接，保证产品防腐蚀性能要求，同时保证焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，属于焊接技术领域。
背景技术
镍基625合金具有优异的耐腐蚀性能，被广泛用于制造航空发动机零部件、宇航结构部件、深海采油和化工设备等领域，深海采油阀在深水下环境工作，最深可达3000m，受海流和油气流冲蚀，同时承受外在交变应力的作用，深海采油阀阀体内部接触富含泥浆、H2S和CO2等腐蚀介质，工作环境恶劣复杂，工作压力高，油气开采时通常内压高达15000psi(103.488kpa)甚至更高，工作温度低，最低为零下50℃左右。
特殊的工作环境要求，其必须具备耐腐蚀性能同时具有防裂性能；通常采用不锈钢为基体，在阀体内部表面堆焊镍基625合金，使阀体具有双金属性能，延长阀体使用寿命的同时降低了生产成本。
生产实践发现导致深海采油阀体内孔堆焊不合格因素很多，如阀体本身强度、致密性不够、堆焊预热不足、焊接保温或回火不及时等等。而镍基625合金在内孔堆焊过程中存在焊缝熔敷金属流动性差、熔深浅、热裂纹敏感性高等特点；容易产生气孔、未焊透、热裂纹等缺陷，内孔堆焊时熔融的液态金属由于没有焊接坡口的约束而会向低处流动导致堆焊厚度不均，产生形变，焊接难度大。深海采油阀阀体基体的刚性大，在内孔表面堆焊时热输入大，堆焊过程中容易产生焊接应力，堆焊层受不锈钢基体的熔融金属影响会降低堆焊层的硬度和耐磨性能，使的堆焊层无法满足使用需求。
因此，需要一种深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
一种深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，包括如下步骤：
S1、对料坯进行加热处理：将料坯放置在加热炉内进行加热，加热温度为639-700℃，保温时间为t1，将一次加热处理的料坯放置在高压扭转装置内向下压粗至高径比为0.85，径向扭转360～720°，退火1-5h，所述料坯为棒料；
S2、对料坯进行整形处理：将步骤S1得到的料坯放置在加热炉内进行二次加热处理，加热温度1270℃，将二次加热处理的料坯放置在圆弧砧座上进行滚圆冲锻操作，径向变形量为15～25%；
S3、料坯导向孔处理；将步骤S2得到的料坯放入高压扭转装置内，向下压粗至高径比为0.75，径向扭转360～720°并在料坯的上表面挤压导向孔，退火1-5h；
S4、料坯锻压成阀体毛坯处理：将步骤S3得到的料坯放入加热炉内进行三次加热处理，加热温度为639-700℃，保温时间为t2，将三次加热处理的料坯放入多向模锻内进行冲模得到带内孔的阀体毛坯；
S5、阀体毛坯内孔壁堆焊处理：将步骤S4得到的阀体毛坯放入加热炉内进行四次加热处理，加热温度为639-700℃，保温时间为t3，随着加热炉冷却至360℃保温2h，在所述阀体毛坯的内孔焊接第一层堆焊层，对所述第一层堆焊层进行表面处理后，再将所述阀体毛坯加热到639℃保温12h，随着加热炉冷至380℃后焊接第二层堆焊层，随后空冷，对内孔进行打磨处理。
更进一步的，步骤S1中t1=a1*D1+b1，D1为工件有效尺寸，a1为加热系数，b1为附加时间。本发明中b1为10-20分钟。
更进一步的，步骤S4中t2=a2*D2+b2，D2为工件有效尺寸，a2为加热系数，b2为附加时间。本发明中b2为10-20分钟。
更进一步的，步骤S5中t3=a3*D3+b3，D3为工件有效尺寸，a3为加热系数，b3为附加时间。本发明中b3为10-20分钟。
更进一步的，步骤S1中料坯为F22不锈钢棒料。以不锈钢为基体，F22材料不锈钢棒料其成分表如表1所示（执行标准：ASTM A182），一种在 12CrMoV 钢的基础上通过添加Cr，Mo等合金元素的改进型钢种，属于低合金铬钼耐热钢，相当于国标的12Cr2Mo1。F22材料不锈钢棒料具有优异的焊接性能，较高的淬透性和较好的低温冲击韧性，满足较厚的工件全厚度上硬度、强度和冲击韧性。
更进一步的，步骤S5中在所述阀体毛坯的内孔采用气体保护焊接第一层堆焊层。
更进一步的，步骤S5中将所述阀体毛坯设置在卡盘上在所述阀体毛坯的内孔焊接第一层堆焊层和第二层堆焊层，所述卡盘沿所述阀体毛坯的内孔轴中心线做圆周运动，所述阀体毛坯的内孔从开口到底部依次包括圆柱侧壁a区域、圆弧面b区域和底部平面c区域，对圆柱侧壁a区域焊接时，所述阀体毛坯横向设置，圆柱侧壁与水平面平行；对圆弧面b区域焊接时，所述阀体毛坯倾斜设置，圆弧面与水平面相切；对平面底部c区域焊接时，所述阀体毛坯竖向设置，底部平面与水平面平行。采用分区域2层焊接，保证产品防腐蚀性能要求，同时保证焊接质量。
更进一步的，步骤S1中所述棒料的两端通过卡爪固定在高压扭转装置内部，高压扭转装置下部和上部的扭转方向相反。
更进一步的，步骤S3中所述料坯的底部通过卡爪固定在所述高压扭转装置下部，所述高压扭转装置上部设置有导向孔成型装置，所述高压扭转装置上部通过旋转相对下部向下移动。
更进一步的，步骤S3中所述导向孔为锥形导向孔。
更进一步的，步骤S5中焊接采用镍基625合金焊条。在阀体内部表面堆焊镍基625合金，使阀体具有双金属性能，延长阀体使用寿命的同时降低了生产成本。
有益效果：本发明的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法在阀体内部表面进行堆焊，使阀体具有双金属性能，延长阀体使用寿命的同时降低了生产成本。在料坯上挤压形成锥形导向孔，能避免料坯成型过程中的挤压变形问题，提高阀体本身的机械性能和防腐性。采用2层焊接，保证产品防腐蚀性能要求，同时保证焊接质量。
附图说明
图 1为本发明的流程工艺图；
图 2 为F22材料不锈钢基体在1270°下经过不同时间的扭转工艺和后续退火的晶界取向差图；其中，(a) 原样；(b) 退火10分钟；(c)退火1小时；(d)退火3小时；(e)退火6小时；(f)退火12小时；
图 3为锻压成阀本体的金相图；
图 4为第二层堆焊层的金相图；
图 5为第一层堆焊层和锻压成阀本体焊接部的金相图。
实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图1，本发明提出的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，包括以下步骤：
S1、对F22材料不锈钢工件厚度为100mm棒料进行加热处理；将料坯放置在加热炉内进行加热，加热温度为639℃得到回火索氏体，保温时间t=aD+b，所述t为回火保温时间(min)；D为工件有效尺寸(mm)；a为加热系数(min/mm)；b为附加时间10-20分钟；
t=aD+b=(1.0-1.5)×100+(10-20)=(110-170)min=(1.8-2.8)h，t取中值为2h。
将料坯放置在高压扭转装置内向下压粗至高径比为0.85，径向扭转360～720°，退火2h；
高温回火温度范围为639-700℃，可取中值670℃，当回火温度为639℃时，“孕育期”最短，保持最佳性能的同时最节能。
所述F22材料不锈钢棒料其成分表如表1所示（执行标准：ASTM A182），一种在12CrMoV 钢的基础上通过添加Cr， Mo等合金元素的改进型钢种，属于低合金铬钼耐热钢，相当于国标的12Cr2Mo1。F22材料不锈钢棒料具有优异的焊接性能，较高的淬透性和较好的低温冲击韧性，满足较厚的工件全厚度上硬度、强度和冲击韧性。
表 1 F22材料化学成分
表 2 F22材料化学成分（续）
F22碳当量：Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15=0.97%
料坯随着高压扭转装置的向下施压，高压扭转装置在料坯的横截面上施加扭矩，使得料坯轴向压缩的形变的同时发生切向扭转形变形成塑性形变，过程中料坯内部金属挤压扭转向内塌缩，料坯内部微空隙、疏松、裂纹等被压实，料坯的内部的金属致密性和连续性得以提高，挤压扭转通过料坯内外铸态金属组织趋向均匀，使力学性能得以显著的提高；而且由于挤压扭转使料坯金属组织均匀致密降低了残余内应力，消除了内部缺陷导致的应力集中；
S2、对料坯进行整形处理；将步骤S1处理过的料坯放置在加热炉内重新加热，加热温度1270℃，将料坯放置在圆弧砧座上进行滚圆冲锻操作，径向变形量为15～25%；
S3、料坯导向孔处理；将步骤S2处理的料坯放入高压扭转装置内，内向下压粗至高径比为0.75，径向扭转360～720°并在料坯的上表面挤压锥形导向孔，退火1-5h；本发明采用在料坯上挤压形成锥形导向孔，能避免料坯成型过程中的挤压变形问题，受高压扭转装置挤压扭转时料坯内部的金属微观组织结构致密性和连续性得以提高，提高其机械性能和防腐性；
如图2所示，扭转过程引起的高密度位错形成了许多再结晶形核位点，而再结晶核由于1h退火时间短而仅形成细小的奥氏体晶粒，细小的奥氏体晶粒随着退火时间从10min增加到1h首先增加，并在退火时间1h时达到峰值，从而提高F22材料不锈钢料坯本体的抗晶间腐蚀性能。另外，经过变形热处理后，形成大量孪晶晶界，有助于耐蚀性能的提高。
S4、将步骤S3处理的料坯放入加热炉内重新加热，加热温度639-700℃保温2h，将料坯放入多向模锻内进行冲模得到内孔圆柱体阀体毛坯；
S5、料坯锻压成阀体毛坯处理；将步骤S3处理的料坯放入加热炉内重新加热，加热温度639-700℃保温为2h，将料坯放入多向模锻内进行冲模得到内孔圆柱体阀体毛坯；使阀体毛坯表面温度与心部温度保持一致，可以消除堆焊阶段因加热产生的热应力和因组织转变产生的组织应力；通过机械手取出阀体毛坯安装在转动卡盘上，在阀体毛坯内孔采用气体保护焊接第一层2.2mm堆焊层，处理堆焊层表面后，再将阀体毛坯加热到639℃保温12h，随着加热炉冷至380℃后焊接第二层4.2mm堆焊层，随后空冷，对内孔进行打磨处理。第一层堆焊层用于将堆焊层和阀体基体深度熔合，第一层堆焊层内会渗入阀体基体的熔融金属成分，会影响堆焊层的防腐性能，经第二层堆焊层和第一层堆焊层熔合不受阀体基体熔融金属成分的影响，在厚度上满足产品防腐蚀性能要求。
由图3-5所示，阀基体和堆焊层均无裂纹，堆焊不存在未熔合、气孔等，均符合产品使用要求。
本实施例中，Ar气体保护焊接在焊接阀体毛坯内孔，采用镍基焊条，焊条直径为3.2mm，卡盘圆周转动速度为140mm/min顺时针圆周转动，焊接电流250A，送丝速度为1800mm/min，保护气体量为25L/min；焊枪起焊点为内孔底部垂直中心线的3°位置处，由于焊接阀体毛坯内孔随着卡盘转动，起焊点堆焊处镍基焊条转化为液态金属随卡盘转动到底部中心线水平位置处凝固，可以有效避免堆焊时熔融的液态金属由于没有焊接坡口的约束而会向低处流动导致堆焊厚度不均，产生形变。
本实施例中，步骤S4中气体保护焊接采用Ar气体，采用镍基焊条，通过机械手取出阀体毛坯安装在转动卡盘上，卡盘沿着内孔轴中心线做圆周转动，转动速度为140mm/min顺时针圆周转动，焊接电流200A，25L/min；焊枪起焊点为横切面圆底部垂直中心线的3位置处送丝速度为1800mm/min，保护气体量为；所述卡盘圆周转动速度和焊接电流成正比。
本实施例中，骤S4中气体保护焊接随着焊接圆柱内壁a区域，卡盘同时沿着内孔轴中心线做圆周转动，使圆柱内壁a区域底部和水平线重合。由图1可知，a区域为圆柱体阀体内孔的内壁，此处区域焊接过程，由于焊接熔池液态金属在不同的空间位置所受力不同而引起熔池流动性不同，使焊接成型的厚度和焊缝外形都会产生变化；当局部堆焊厚度不均时容易产生焊接应力，影响产品质量。
本实施例中，步骤S4中气体保护焊接随着焊接圆弧b区域，卡盘转动角度随着堆焊推进角度变化，使圆弧b区域和水平线相切，同时沿着内孔轴中心线做圆周转动。由图1可知，圆弧b区域在焊接过程中不仅存在内壁a区域的横向高度问题，还会涉及纵向角度问题。此时在堆焊过程中不仅要控制内孔轴中心线做圆周转动还的控制转盘角度使焊接点在圆弧b区域和水平线保持相切。
本实施例中，步骤S4中气体保护焊接随着焊接内孔底部c区域，卡盘转动角度随着堆焊推进角度变化使底部c区域和水平线保持重合，同时沿着内孔轴中心线做圆周转动；由图1可知，底部c区域堆焊时，卡盘从水平状态转化成垂直状态，使底部c区域和焊枪保持水平平行转动。
本实施例中，步骤S1中，料坯为F22材料不锈钢棒料；不锈钢棒料在200吨、扭矩2300Nm的高压扭转装置中，棒料两端部通过卡爪固定在高压扭转装置内部，高压扭转装置下部和高压扭转装置上部的扭转方向相反。高压扭转装置在料坯的横截面上施加扭矩，使得料坯轴向压缩的形变的同时发生切向扭转形变形成塑性形变；需要说明的是，根据料坯的大小可选择一次步骤S1或多次步骤S1。
本实施例中，步骤S3中，棒料底部通过卡爪和高压扭转装置下部固定，高压扭转装置上部相对底部旋转向下。通过高压扭转装置上部相对底部旋转向下使得内孔形成为挤压成型，避免了冲压冲孔导致金属裂纹。由图1可知，棒料冲压过程中内孔变大，用于作为阀体内孔，内孔下端多余部分用于堆焊时便于卡盘固定，内孔堆焊完毕后切除多余部分。
Claims (10)
1.一种深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对料坯进行加热处理：将料坯放置在加热炉内进行加热，加热温度为639-700℃，保温时间为t1，将一次加热处理的料坯放置在高压扭转装置内向下压粗至高径比为0.85，径向扭转360～720°，退火1-5h，所述料坯为棒料；
S2、对料坯进行整形处理：将步骤S1得到的料坯放置在加热炉内进行二次加热处理，加热温度1270℃，将二次加热处理的料坯放置在圆弧砧座上进行滚圆冲锻操作，径向变形量为15～25%；
S3、料坯导向孔处理；将步骤S2得到的料坯放入高压扭转装置内，向下压粗至高径比为0.75，径向扭转360～720°并在料坯的上表面挤压导向孔，退火1-5h；
S4、料坯锻压成阀体毛坯处理：将步骤S3得到的料坯放入加热炉内进行三次加热处理，加热温度为639-700℃，保温时间为t2，将三次加热处理的料坯放入多向模锻内进行冲模得到带内孔的阀体毛坯；
S5、阀体毛坯内孔壁堆焊处理：将步骤S4得到的阀体毛坯放入加热炉内进行四次加热处理，加热温度为639-700℃，保温时间为t3，随着加热炉冷却至360℃保温2h，在所述阀体毛坯的内孔焊接第一层堆焊层，对所述第一层堆焊层进行表面处理后，再将所述阀体毛坯加热到639℃保温12h，随着加热炉冷至380℃后焊接第二层堆焊层，随后空冷，对内孔进行打磨处理。
2.如权利要求1所述的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，步骤S1中t1=a1*D1+b1，D1为工件有效尺寸，a1为加热系数，b1为附加时间。
3.如权利要求1所述的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，步骤S4中t2=a2*D2+b2，D2为工件有效尺寸，a2为加热系数，b2为附加时间。
4.如权利要求1所述的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，步骤S5中t3=a3*D3+b3，D3为工件有效尺寸，a3为加热系数，b3为附加时间。
5.如权利要求1所述的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，步骤S1中料坯为F22不锈钢棒料。
6.如权利要求1所述的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，步骤S5中在所述阀体毛坯的内孔采用气体保护焊接第一层堆焊层。
7.如权利要求1所述的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，步骤S5中将所述阀体毛坯设置在卡盘上在所述阀体毛坯的内孔焊接第一层堆焊层和第二层堆焊层，所述卡盘沿所述阀体毛坯的内孔轴中心线做圆周运动，所述阀体毛坯的内孔从开口到底部依次包括圆柱侧壁a区域、圆弧面b区域和底部平面c区域，对圆柱侧壁a区域焊接时，所述阀体毛坯横向设置，圆柱侧壁与水平面平行；对圆弧面b区域焊接时，所述阀体毛坯倾斜设置，圆弧面与水平面相切；对平面底部c区域焊接时，所述阀体毛坯竖向设置，底部平面与水平面平行。
8.如权利要求1所述的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，步骤S1中所述棒料的两端通过卡爪固定在高压扭转装置内部，高压扭转装置下部和上部的扭转方向相反。
9.如权利要求1所述的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，步骤S3中所述料坯的底部通过卡爪固定在所述高压扭转装置下部，所述高压扭转装置上部设置有导向孔成型装置，所述高压扭转装置上部通过旋转相对下部向下移动。
10.如权利要求1所述的深海采油阀体防腐镍基625材料堆焊内孔的制造方法，其特征在于，步骤S5中焊接采用镍基625合金焊条。
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