一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法

1.本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法。


背景技术：

2.随着能源利用效率的日益提高，石化、核电等承压设备也越来越朝着大型化方向发展，例如大型厚壁加氢反应器、大型核电蒸汽发生器等。为提高内壁层抗腐蚀能力，往往在内壁堆焊一层不锈钢或耐蚀合金。其中，对于圆筒体内壁堆焊，由于结构拘束的限制，堆焊后不会产生较大的残余变形；而对于管板堆焊，现有技术通常采用逐圈堆焊的方法，堆焊温度分布极不均匀，产生温差应力，造成管板中心与周边的膨胀或收缩量不同，堆焊后往往会产生较大的锅底变形，管板中心变形最大，不均匀的堆焊残余变形保证管板平面度和对焊层厚度，给后期加工制造造成很大影响，直接影响设备的正常使用。目前，为解决上述问题，对于管板堆焊变形的控制主要是采用管板中心预变形、管板周向均布拉筋板、管板叠置交替堆焊等措施。这些措施虽然能有效降低堆焊变形，但仍然会产生一定的残余变形，后续加工仍然需要对管板进行精加工、磨平等操作，且精加工量、磨平量相对较大，不仅导致工作量大，且影响管板结构完整性。因此，提出一种更加有效的管板堆焊变形控制方法对大型承压设备的可靠性制造具有重要意义。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，通过对堆焊方法进行改进，降低管板焊接残余应力及变形。
4.本发明采用的技术方案为：
5.一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，其特征在于，通过堆焊方式在管板表面焊接形成堆焊层，且堆焊层包括过渡层及面层，所述面层覆盖于过渡层上方；
6.具体步骤如下：
7.(1)堆焊过渡层
8.所述过渡层厚度为2～3mm，包括中间部分及外围部分，首先采用手工堆焊方式堆焊所述过渡层的中间部分，然后采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述过渡层的外围部分；
9.(2)堆焊面层
10.所述面层厚度为3～4mm，包括中间部分及外围部分，首先采用手工堆焊方式堆焊所述面层的中间部分，然后采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述面层的外围部分。
11.进一步地，所述步骤(1)中采用手工堆焊方式堆焊所述过渡层的中间部分时的具体焊接操作为：以手工焊条堆焊方式在所述过渡层的中间部分250～350mm直径范围沿蛇形
路径进行焊接；
12.焊接工艺为：焊接电压20～25v，焊接电流160～200a，焊接速度为10～20cm/min，焊丝直径为2～5mm。
13.进一步地，所述步骤(1)中采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述过渡层的外围部分时的具体焊接操作为：以带极堆焊方式在所述过渡层的外围部分沿双道螺旋焊接路径同时对向由内往外焊接，形成两条螺旋焊道，且两条螺旋焊道的焊接工艺相同；
14.焊接工艺为：焊接电压25～30v，焊接电流1000～1300a，焊接速度为25～35cm/min，带极堆焊的带极宽度通过管板径厚比确定。
15.进一步地，所述步骤(2)中采用手工堆焊方式堆焊所述面层的中间部分时的具体焊接操作为：以手工焊条堆焊方式在所述面层的中间部分350～450mm直径范围沿蛇形路径进行焊接；
16.焊接工艺为：焊接电压25～30v，焊接电流180～220a，焊接速度为15～25cm/min，焊丝直径为2～5mm。
17.进一步地，所述步骤(2)中采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述面层的外围部分时的具体焊接操作为：以带极堆焊方式在所述面层的外围部分沿双道螺旋焊接路径同时对向由外往内焊接，形成两条螺旋焊道，且两条螺旋焊道的焊接工艺相同；
18.焊接工艺为：焊接电压28～32v，焊接电流1100～1300a，焊接速度为25～35cm/min，带极堆焊的带极宽度通过管板径厚比确定。
19.进一步地，带极宽度的计算公式为：
[0020][0021]
其中，w为带极宽度，mm，η为管板径厚比，η＝d/t，d为管板直径，t为管板壁厚。
[0022]
进一步地，所述堆焊层设置至少一层。
[0023]
进一步地，所述堆焊层设置两层及两层以上，且层与层之间以相反的堆焊路径交替进行焊接。
[0024]
本发明的有益效果为：
[0025]
本发明所提供的一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，通过对堆焊方法进行改进，降低管板焊接残余应力及变形，焊接完成后，降低了对管板进行磨平或精加工等操作的工作量，提高了管板结构的完整性。
附图说明
[0026]
为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本发明的管板堆焊示意图；
[0028]
图2为传统方法的管板堆焊示意图；
[0029]
图3为传统方法与本发明方法堆焊后所得到的管板变形示意图；
[0030]
图4为传统方法与本发明方法堆焊所得到的管板表面堆焊变形曲线图，(a)为传统方法，(b)为本发明；
[0031]
图5为传统方法与本发明方法堆焊所得到的管板中心沿厚度方向的堆焊残余应力分布图。
具体实施方式
[0032]
本发明提供了一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]
下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0034]
参照图1，本实施例以12cr1mov材料的大型管板为例进行堆焊，步骤如下：
[0035]
(1)堆焊过渡层
[0036]
所述过渡层厚度为2mm，材料为e309，包括中间部分及外围部分。
[0037]
首先以手工焊条堆焊方式在所述过渡层的中间部分300mm直径范围沿蛇形路径进行焊接(即该范围内手工堆焊的焊接行进方向呈蛇形方向，比如，第一道焊从左到右，第二道焊从右到左，第三道接着从左到右，直至完成该范围焊接)，其焊接工艺为：焊接电压24v，焊接电流180a，焊接速度为16cm/min，焊丝直径为4mm；
[0038]
然后以带极堆焊方式在所述过渡层的外围部分沿双道螺旋焊接路径同时对向由内往外焊接，形成两条螺旋焊道，且两条螺旋焊道的焊接工艺相同，其焊接工艺为：焊接电压28v，焊接电流1150a，焊接速度为30cm/min，带极堆焊的带极宽度通过管板径厚比确定。另外，在焊接过渡层的外围部分时，在管板最边缘处，不方便采用带极堆焊时，可采用手工焊条堆焊，且手工堆焊时的工艺参数与手工堆焊过渡层的中间部分时的工艺参数相同。
[0039]
(2)堆焊面层
[0040]
所述面层厚度为3mm，材料为e308，包括中间部分及外围部分。
[0041]
首先以手工焊条堆焊方式在所述面层的中间部分400mm直径范围沿蛇形路径进行焊接，其焊接工艺为：焊接电压26v，焊接电流190a，焊接速度为18cm/min，焊丝直径为4mm；
[0042]
然后以带极堆焊方式在所述面层的外围部分沿双道螺旋焊接路径同时对向由外往内焊接，形成两条螺旋焊道，且两条螺旋焊道的焊接工艺相同，其焊接工艺为：焊接电压30v，焊接电流1200a，焊接速度为30cm/min，带极堆焊的带极宽度通过管板径厚比确定。另外，在焊接面层的外围部分时，在管板最边缘处，不方便采用带极堆焊时，可采用手工焊条堆焊，且手工堆焊时的工艺参数与手工堆焊面层的中间部分时的工艺参数相同。
[0043]
上述带极堆焊时，具体可采用带极埋弧堆焊，带极宽度通过管板径厚比确定，具体计算公式为：
[0044][0045]
其中，w为带极宽度，mm，η为管板径厚比，η＝d/t，d为管板直径，t为管板壁厚。
[0046]
另外，上述过渡层及面层堆焊过程中，还设置过渡层的预热温度为150℃，过渡层
堆焊完后紧接着进行面层堆焊，焊道层间温度控制在100℃以内，焊道间搭接量为5～7mm。
[0047]
采用abaqus软件按照上述焊接工艺参数模拟直径为4000mm，壁厚为50～400mm的大型管板(12cr1mov材料)堆焊，且堆焊的过渡层及面层均为一层，将其与传统方法的变形量进行对比，研究其变形程度，如下表1所示。
[0048]
上述传统方法是指逐圈沿环形路径堆焊方法，如图2所示，且采用传统方法堆焊时，也是分为过渡层及面层(均为一层)，过渡层及面层的中间部分采用手工堆焊，外围部分采用带极埋弧堆焊，且传统方法的过渡层及面层的焊接工艺参数与本实施例相同，不同之处在于传统方法中过渡层及面层的中间部分焊接路径为沿同方向顺序堆焊，过渡层及面层的外围部分焊接路径为沿环形路径逐圈堆焊。
[0049]
表1
[0050][0051][0052]
通过上述表1可以看出，本发明的大型管板堆焊方法与传统方法相比，能够在堆焊阶段有效控制堆焊变形，实现大型管板堆焊残余应力与变形原位调控，且随管板径厚比的增大，堆焊变形量逐渐降低，变形降低百分比稳定在30％左右。上述表1中变形降低量为管板边缘区域最大变形量差值。
[0053]
另外，为便于更直观地对比，取上述经abaqus软件模拟得到的直径为4000mm、壁厚为100mm的大型管板(12cr1mov材料)的管板堆焊变形示意图及堆焊残余应力分布进行对比分析，如图3-5所示。
[0054]
如图3所示为传统方法与本发明方法堆焊所得到的管板变形示意图，从该图中可以看出，采用传统方法所得到的管板轴向变形呈现明显的锅底状，在管板边缘区域变形达到最大，为56.48mm，而采用本发明方法管板变形相对较小，尤其管板边缘区域堆焊变形大大降低，最大为40.75mm。
[0055]
如图4所示为传统方法与本发明方法堆焊所得到的管板表面堆焊变形曲线图，从该图中可以看出，本发明的堆焊方法所得到的管板表面变形小，且变形相对均匀。
[0056]
如图5所示为传统方法与本发明方法堆焊所得到的管板中心沿厚度方向的堆焊残余应力分布，从该图中可以看出，本发明方法所得到的管板的残余应力分布均匀性得到改善，且堆焊层表面以及堆焊层与母材界面处的残余应力也大大降低。证明了本发明方法调控堆焊变形及残余应力的有效性。
[0057]
实施例2
[0058]
本实施例取3组12cr1mov材料的大型管板进行实际堆焊，管板直径为4000mm，壁厚为100mm，径厚比为40，3组管板试样的焊接工艺如下表2所示。
[0059]
表2
[0060][0061][0062]
本实施例中通过上述堆焊方法制备得到的管板变形小，通过检测，管板磨平及精加工量相对较小，管板磨平及精加工工作量相比传统方法能降低一半，不仅提高了管板结构的完整性，且还提高了工作效率。
[0063]
需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
[0064]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，其特征在于，通过堆焊方式在管板表面焊接形成堆焊层，且堆焊层包括过渡层及面层；具体步骤如下：(1)堆焊过渡层所述过渡层包括中间部分及外围部分，首先采用手工堆焊方式堆焊所述过渡层的中间部分，然后采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述过渡层的外围部分；(2)堆焊面层所述面层包括中间部分及外围部分，首先采用手工堆焊方式堆焊所述面层的中间部分，然后采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述面层的外围部分。2.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，其特征在于，所述步骤(1)中采用手工堆焊方式堆焊所述过渡层的中间部分时的具体焊接操作为：以手工焊条堆焊方式在所述过渡层的中间部分250～350mm直径范围沿蛇形路径进行焊接；焊接工艺为：焊接电压20～25v，焊接电流160～200a，焊接速度为10～20cm/min，焊丝直径为2～5mm。3.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，其特征在于，所述步骤(1)中采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述过渡层的外围部分时的具体焊接操作为：以带极堆焊方式在所述过渡层的外围部分沿双道螺旋焊接路径同时对向由内往外焊接，形成两条螺旋焊道，且两条螺旋焊道的焊接工艺相同；焊接工艺为：焊接电压25～30v，焊接电流1000～1300a，焊接速度为25～35cm/min，带极堆焊的带极宽度通过管板径厚比确定。4.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用手工堆焊方式堆焊所述面层的中间部分时的具体焊接操作为：以手工焊条堆焊方式在所述面层的中间部分350～450mm直径范围沿蛇形路径进行焊接；焊接工艺为：焊接电压25～30v，焊接电流180～220a，焊接速度为15～25cm/min，焊丝直径为2～5mm。5.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述面层的外围部分时的具体焊接操作为：以带极堆焊方式在所述面层的外围部分沿双道螺旋焊接路径同时对向由外往内焊接，形成两条螺旋焊道，且两条螺旋焊道的焊接工艺相同；焊接工艺为：焊接电压28～32v，焊接电流1100～1300a，焊接速度为25～35cm/min，带极堆焊的带极宽度通过管板径厚比确定。6.根据权利要求3或5任一项所述的一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，其特征在于，带极宽度的计算公式为：
其中，w为带极宽度，mm，η为管板径厚比，η＝d/t，d为管板直径，t为管板壁厚。7.根据权利要求1所述的一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，其特征在于，所述堆焊层设置至少一层。8.根据权利要求7所述的一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，其特征在于，所述堆焊层设置两层及两层以上，且层与层之间以相反的堆焊路径交替进行焊接。

技术总结
本发明公开了一种基于焊接残余应力与变形原位调控的大型管板堆焊方法，通过堆焊方式在管板表面焊接形成堆焊层，且堆焊层包括过渡层及面层；具体步骤如下：(1)堆焊过渡层：所述过渡层包括中间部分及外围部分，首先采用手工堆焊方式堆焊所述过渡层的中间部分，然后采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述过渡层的外围部分；(2)堆焊面层：所述面层包括中间部分及外围部分，首先采用手工堆焊方式堆焊所述面层的中间部分，然后采用带极堆焊方式沿对称双道螺旋焊接路径堆焊所述面层的外围部分。本发明通过对堆焊方法进行改进，降低管板焊接残余应力及变形，焊接完成后，降低了对管板进行磨平或精加工等工作量，提高了管板结构的完整性。结构的完整性。结构的完整性。


技术研发人员：罗云 蒋文春 张尧 谷文斌 杨滨 王金光 胡希海 彭伟
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/12