一种具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法与流程

1.本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法。


背景技术：

2.焊接是一种广泛应用的加工工艺。焊接也称作熔接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。在焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。
3.在海洋工程建造领域中，焊接是关键技术，特别是在超深水大型海油平台的导管架建造中，环形封闭焊缝的拘束大、残余应力多，易出现横向裂纹。现有技术中已经提出了多种控制焊接应力和预防焊接裂纹的方法，但仍存在以下问题：
4.(1)现有控制焊接应力和预防焊接裂纹的方法，在实际使用时，存在较多局限性，从而不能很好地适应不同工件的焊接需求；
5.(2)现有控制焊接应力的方法在设计上仍存在缺陷，从而不能很好地控制焊接应力；
6.(3)现有预防焊接裂纹的方法，完成焊接后，焊接裂纹虽然有所减少，但仍存在焊接裂纹。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，用于解决现有控制焊接应力和预防焊接裂纹的方法，不能很好地适应不同工件的焊接需求和控制焊接应力，以及仍存在焊接裂纹的技术问题，从而达到提高焊接质量和控制焊接残余应力的目的。
8.为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
9.一种具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，包括以下步骤：
10.在焊接前，根据工件材料的强度、应力状态、焊接方法和焊接参数，确定预热温度和保温时间；
11.对所述工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接；
12.采用反复多道焊进行中途焊接，并预留有最后封堵分段，进行焊接；
13.在焊接过程中，对焊接区域进行实时温度监测，并根据实时温度数据，调节焊接参数，控制焊接温度和焊接速度；
14.在焊接后，对焊接接头进行冷却处理。
15.作为本发明优选的实施方式，在对所述工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接时，包括：
16.将所述环形大壁厚焊缝分为若干段，按顺序进行分段焊接，后焊分段为先焊分段
的应力释放孔。
17.作为本发明优选的实施方式，在采用反复多道焊进行中途焊接时，包括：
18.分段沿同一方向反复进行多层多道焊，所述分段的一端为自由端，所述自由端可自由收缩。
19.作为本发明优选的实施方式，所述多层多道焊为三层多道焊。
20.作为本发明优选的实施方式，所述最后封堵分段的尺寸范围为50-100mm。
21.作为本发明优选的实施方式，在预留有最后封堵分段，进行焊接时，包括：
22.采用smaw或者fcaw进行焊接，参数取工艺要求的下限值。
23.作为本发明优选的实施方式，在焊接前，还包括：
24.对所述工件材料进行表面清理和对接准备，检查焊接接头的符合度和间隙。
25.作为本发明优选的实施方式，对所述工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接时，包括：
26.先焊焊缝的前后端没有拘束，所述前后端可以自由收缩。
27.作为本发明优选的实施方式，对所述工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接时，包括：
28.采用smaw或者fcaw进行分段焊接。
29.作为本发明优选的实施方式，在采用fcaw进行分段焊接时的具体工艺参数，包括：
30.电极直径为1.2mm，焊接电流为210-240a，焊接电压为25-28v，热输入为1.0-2.0kj/mm。
31.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
32.(1)本发明所提供的方法可以有效地控制焊接残余应力，减小焊接接头的变形和裂纹的风险，提高焊接接头的质量和使用寿命；
33.(2)该残余应力控制和裂纹预防的方法还可以适应不同工件的焊接需求，能够在实际应用中取得较好的效果：
34.(3)本发明所提供的方法在提升焊接质量的同时也提高了工效，并缩短施工工期。
35.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
36.图1-是本发明实施例的卧式制造时加强环应力释放孔的设计和焊接顺序示意图；
37.图2-是本发明实施例的立式制造时加强环应力释放孔的设计和焊接顺序示意图；
38.图3-是本发明实施例的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法步骤图。
39.附图标号说明：1、大型钢管；2、加强环。
具体实施方式
40.本发明所提供的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，如图3所示，包括以下步骤：
41.步骤s1：在焊接前，根据工件材料的强度、应力状态、焊接方法和焊接参数，确定预热温度和保温时间；
42.步骤s2：对工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接；
43.步骤s3：采用反复多道焊进行中途焊接，并预留有最后封堵分段，进行焊接；
44.步骤s4：在焊接过程中，对焊接区域进行实时温度监测，并根据实时温度数据，调节焊接参数，控制焊接温度和焊接速度；
45.步骤s5：在焊接后，对焊接接头进行冷却处理。
46.本发明的方法通过将环形大壁厚焊缝分段焊接，并在分段的焊缝中设计焊接应力释放孔，再通过采用反复多道焊、封堵分段、适当的预热和保温、实时温度监测和冷却处理等措施，有效地控制焊接残余应力，减小焊接接头的变形和裂纹的风险，提高焊接接头的质量和使用寿命。同时本发明的方法还可采用复合焊接方式，以达到更好的焊接质量和控制焊接残余应力的效果。
47.在上述步骤s1中，根据工件材料和焊接工艺的实际选用情况，确定适当的预热温度和保温时间，使得工件材料在焊接过程中，温度均匀分布，从而减轻焊接过程中的应力集中。
48.在上述步骤s2中，在对工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接时，包括：
49.将环形大壁厚焊缝分为若干段，按顺序进行分段焊接，后焊分段为先焊分段的应力释放孔。
50.在上述步骤s3中，在采用反复多道焊进行中途焊接时，包括：
51.分段沿同一方向反复进行多层多道焊，分段的一端为自由端，自由端可自由收缩。
52.具体地，在进行多层多道焊时，保证分段的一端为自由端使得焊接残余应力可通过自由端进行释放，从而通过分段焊接的应力释放孔设计配合中途焊接的自由端设计，进一步控制焊接残余应力。
53.进一步地，多层多道焊为三层多道焊。
54.具体地，本发明在实施多层多道焊时，能在较大范围内调整热输入和焊接速度，从而能更好地控制焊接残余应力。另外，多层多道焊还具有热输入量小、有效降低缺陷的优点。多层多道焊的层间组织由于经过了多次的热输入，重熔之后晶粒变得细小均匀，原因在于底层的焊缝组织受到的纵向热输入不断增加，在后续焊缝的热作用下垂直生长，细小的晶粒提高了材料的硬度，从而提高焊缝的质量。
55.在上述步骤s3中，最后封堵分段的尺寸范围为50-100mm。
56.具体地，预留有最后封堵分段的作用在于：在最后一次分段焊接时，仍能保证分段的一端为自由端，从而使得最后一次分段焊接时所产生的热输入和热应力可以从最后封堵分段释放，从而控制焊接残余应力。一般预留的最后封堵分段越大，则能更好地释放焊接残余应力。但是最后封堵分段越大所产生的问题是：在完成分段焊接后，需要对最后封堵分段进行封堵焊接，此时最后封堵分段越大，则封堵焊接产生的热输入和热应力则会越大。而本发明通过将最后封堵分段的尺寸范围控制在50-100mm，从而既能保证分段焊接时的应力释放，又不会在进行封堵焊接时，产生过多的热输入和热应力。
57.在上述步骤s3中，在预留有最后封堵分段，进行焊接时，包括：采用smaw或者fcaw进行焊接，参数取工艺要求的下限值。
58.具体地，在焊接预留的最后封堵分段时，参数取工艺要求的下限值。在焊接的过程中，工艺参数设置得越高，产生的热输入和热应力则会越大，而本发明通过将参数取工艺要求的下限值，从而在保证满足焊接要求的情况下，减小热输入和热应力，降低总体残余应
力。
59.进一步地，在焊接前，还包括：对工件材料进行表面清理和对接准备，检查焊接接头的符合度和间隙。
60.在上述步骤s2中，对工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接时，包括：先焊焊缝的前后端没有拘束，前后端可以自由收缩。
61.具体地，本发明通过释放先焊焊缝的前后端，使得在整个焊接的过程中，应力的传递不会形成一个闭环，一直存在有应力释放的位置，从而有利于将焊接残余应力减小至最小。
62.在上述步骤s2中，对工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接时，包括：
63.采用smaw或者fcaw进行分段焊接。进一步地，在采用fcaw进行分段焊接时的具体工艺参数，包括：电极直径为1.2mm，焊接电流为210-240a，焊接电压为25-28v，热输入为1.0-2.0kj/mm。
64.进一步地，还可以采用saw+fcaw进行分段焊接。
65.具体地，手工电弧焊(smaw)是利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。手工电弧焊(smaw)以焊条和焊件作为两个电极，被焊金属称为焊件或母材。焊接时因电弧的高温和吹力作用使焊件局部熔化，在被焊金属上形成一个椭圆形充满液体金属的凹坑，这个凹坑称为熔池；随着焊条的移动熔池冷却凝固后形成焊缝；焊缝表面覆盖的一层渣壳称为熔渣；焊条熔化末端到熔池表面的距离称为电弧长度；从焊件表面至熔池底部距离称为熔透深度；手工电弧焊(smaw)具有工艺灵活、适应性强的特点，适用于各种金属材料不同结构及位置的焊接。由于手工电弧焊具有较强的灵活性，从而可以在焊接中根据实时温度数据，实时调节焊接参数，有效地控制焊接温度和焊接速度，从而减小焊接焊接区域的热应力。
66.fcaw(flux-coredarcwelding)，又被称为气体保护药带焊，是一种采用药带焊条的电弧焊接方法，属于一种电弧焊技术。fcaw的特点是在焊条内部添加金属氧化物，焊条外面有一层抗氧化剂，用电弧把金属熔化，一次完成焊接，因此，它是用电弧焊技术实现的一种自动化焊接方法，是一种无需外部气体保护的电弧焊技术。
67.fcaw焊接方法的基本原理，是使用电弧熔化焊带内的金属颗粒，并将其作为焊接的熔池，以消除焊接接头处的氧化物、杂质和其他材料，从而形成一个紧密的焊接接头。焊条本身是由一个金属外皮包裹的复合物，其中包含了金属氧化物和抗氧化剂。焊条被熔化时，金属氧化物充当了电弧的保护气体，从而实现了无需外部气体保护的焊接功能。
68.fcaw焊接方法的基本特点：高焊接速度、高效率、可以焊接各种材质、可以实现自动化焊接，在焊接时可以调整焊接电流、焊接电压，可以实现无缝焊接，从而在焊接过程中通过调整焊接电流和焊接电压，控制焊接残余应力。
69.fcaw焊接方法还具有以下的优势：
70.(1)可以实现自动化焊接，提高焊接效率；(2)可以实现无缝焊接；(3)焊接时可以调整焊接电流、焊接电压；(4)可以焊接各种材质，满足工业的多样化需求；(5)焊接速度快，效率高。
71.在上述步骤s4中，根据实时温度数据，实时调节焊接参数，可以有效地控制焊接温度和焊接速度，从而减小焊接区域的热应力。
72.在上述步骤s5中，在焊接结束后，对焊接接头进行适当的冷却处理，使得焊接区域
的温度逐渐降低，从而有效避免由于冷却速率过快导致的应力集中和裂纹产生。
73.进一步地，本发明方法还可以采用复合焊接方式，即将焊缝分段进行多种不同的焊接方法和焊接材料的组合，以达到更好的焊接质量和控制焊接残余应力的效果。
74.以下是本发明的一种实施例，仅供参考。实施例中提供的参数和工艺参数不应视为限制本发明的范围。
75.实施例(导管腿加强环焊接残余应力的控制以及焊接横向裂纹的预防)
76.1、工件准备：
77.准备大型钢管1和大壁厚加强环2，采用fcaw进行焊接，材料为dh36，管径为φ2800mm，壁厚为80mm，加强环厚度为60mm。
78.2、焊接工艺：
79.(1)对工件进行表面清理和对接准备，检查焊接接头的符合度和间隙；
80.(2)采用fcaw进行水平分段焊接，电极直径为φ1.2mm，焊接电流为210-240a，焊接电压为25-28v，热输入为1.0-2.0kj/mm；
81.(3)分段焊接：卧式制造时，将大型钢管1的加强环2的环形焊缝分为三部分(a段、b段以及c段)，其中c段约50mm作为最终的的应力释放孔。各个焊缝部分的焊接顺序如图1所示；在图1中，在焊接a段时，仍未焊接的b段和c段是a段的应力释放孔；当焊接b段时，仍未焊接的c段是b段的应力释放孔。另外，还可以进行立式制造，将环形焊缝为两段(d段和e段)，如图2所示，e段约50mm；在图2中，在使用埋弧焊进行d段焊接时，仍未焊接的e段是d段的应力释放孔，最后再使用二氧化碳气保护焊完成e段。
82.(3)采用反复多道焊进行中途焊接，每段焊接采用三层多道焊，其中一端为自由端可自由收缩，焊接残余应力可通过自由端进行释放；
83.(4)最后封堵分段预留50mm，采用fcaw进行焊接，参数取工艺要求的下限值，减小热输入和热应力，从而降低总体残余应力；
84.(5)在焊接前，根据工件材料的强度、应力状态、焊接方法和焊接参数等因素，确定适当的预热温度和保温时间，使工件温度均匀分布，减轻焊接过程中的应力集中；
85.(6)在焊接过程中，对焊接区域进行实时温度监测，并根据实时温度数据，调节焊接参数，控制焊接温度和速度，减小焊接区域的热应力；
86.(7)在焊接后，对焊接接头进行适当的冷却处理，使焊接区域温度逐渐降低，并避免出现冷却速率过快导致的应力集中和裂纹产生。
87.焊接效果：采用上述实施例的焊接方法，大型钢管1的焊缝表面光滑，无气孔、夹杂和缺陷。焊接接头没有出现变形和裂纹，焊接残余应力得到有效控制，满足设计要求。
88.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
89.(1)本发明所提供的方法可以有效地控制焊接残余应力，减小焊接接头的变形和裂纹的风险，提高焊接接头的质量和使用寿命；
90.(2)该残余应力控制和裂纹预防的方法还可以适应不同工件的焊接需求，能够在实际应用中取得较好的效果：
91.(3)本发明所提供的方法在提升焊接质量的同时也提高了工效，并缩短施工工期。
92.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所
要求保护的范围。

技术特征：
1.一种具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，包括以下步骤：在焊接前，根据工件材料的强度、应力状态、焊接方法和焊接参数，确定预热温度和保温时间；对所述工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接；采用反复多道焊进行中途焊接，并预留有最后封堵分段，进行焊接；在焊接过程中，对焊接区域进行实时温度监测，并根据实时温度数据，调节焊接参数，控制焊接温度和焊接速度；在焊接后，对焊接接头进行冷却处理。2.根据权利要求1所述的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，在对所述工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接时，包括：将所述环形大壁厚焊缝分为若干段，按顺序进行分段焊接，后焊分段为先焊分段的应力释放孔。3.根据权利要求1所述的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，在采用反复多道焊进行中途焊接时，包括：分段沿同一方向反复进行多层多道焊，所述分段的一端为自由端，所述自由端可自由收缩。4.根据权利要求3所述的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，所述多层多道焊为三层多道焊。5.根据权利要求1所述的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，所述最后封堵分段的尺寸范围为50-100mm。6.根据权利要求1或5所述的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，在预留有最后封堵分段，进行焊接时，包括：采用smaw或者fcaw进行焊接，参数取工艺要求的下限值。7.根据权利要求1所述的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，在焊接前，还包括：对所述工件材料进行表面清理和对接准备，检查焊接接头的符合度和间隙。8.根据权利要求1所述的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，对所述工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接时，包括：先焊焊缝的前后端没有拘束，所述前后端可以自由收缩。9.根据权利要求1所述的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，对所述工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接时，包括：采用smaw或者fcaw进行分段焊接。10.根据权利要求9所述的具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，其特征在于，在采用fcaw进行分段焊接时的具体工艺参数，包括：电极直径为1.2mm，焊接电流为210-240a，焊接电压为25-28v，热输入为1.0-2.0kj/mm。

技术总结
本发明公开了一种具有焊接残余应力控制和裂纹预防功能的方法，包括以下步骤：在焊接前，根据工件材料的强度、应力状态、焊接方法和焊接参数，确定预热温度和保温时间；对工件材料的环形大壁厚焊缝进行分段焊接；采用反复多道焊进行中途焊接，并预留有最后封堵分段，进行焊接；在焊接过程中，对焊接区域进行实时温度监测，并根据实时温度数据，调节焊接参数，控制焊接温度和焊接速度；在焊接后，对焊接接头进行冷却处理。本发明用于解决现有控制焊接应力和预防焊接裂纹的方法，不能很好地适应不同工件的焊接需求和控制焊接应力，以及仍存在焊接裂纹的技术问题，从而达到提高焊接质量和控制焊接残余应力的目的。制焊接残余应力的目的。制焊接残余应力的目的。


技术研发人员：王民锋 朱化学 韦生 黄存超 王志强 胡国民 赵马平 杨珣梁 孟祥义 李东 林长玖 张旭 李广军 刘金刚
受保护的技术使用者：中海福陆重工有限公司
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/7/7