（材料加工工程专业论文）连续管板板对接焊工艺研究.pdf

中文摘要 专业：材料加工工程 硕士生：杨晨晖( 签名) 盔笼超坚 指导教师：石凯( 签名) 厶i 夕 摘要 本文以用于生产连续管的c t s 0 钢板作为研究对象，对连续管的使用工况和c t 8 0 的性能特点进行了研究分析，重点分析了s t t 焊接方法在连续管板一板对接焊中应用的 可行性。同时就焊缝形变热处理工艺、焊缝性能之间的相互关系展开研究，开发出适合 应用工艺参数。研究结果表明： ( 1 ) c t s 0 板材。主要以铁素体和珠光体组成。热处理是c t s 0 应用于连续管生产 的必要工序。 ( 2 ) s t t 工艺。试验表明，s t t 方法的特点主要在于热输入小，形成的焊缝组织 较为细密。 ( 3 ) 连续管板一板对接焊接方法。试验表明，s t t 应用于连续管板一板对接焊具有一 定的可行性，但并不成熟。 ( 4 ) 形变热处理规范。试验表明，c t 8 0 母材采用加热至7 7 0 0 c 保温2 0 s ，空冷至 4 0 0 0 c 并通过水雾控制冷却工艺可获得最佳的力学性能；对于采用s t t 方法施焊的c t s 0 焊接接头，采用加热温度7 5 0 0 c - - 8 5 0 0 c 之间，以焊缝余高1 0 0 为下压量控制要素的形 变热处理工艺可获得最优的焊接接头。 ( 5 ) 形变热处理工艺的特点和机理。形变热处理工艺的最显著特点便在于其能够破 碎焊缝晶粒。该工艺主要通过对晶粒的破碎作用改善焊接接头的性能。在实施该工艺的 过程中，加热温度是关键。 关键词：连续管焊接形变热处理焊接接头性能 论文类型：应用研究 ( 本文得到宝鸡石油钢管有限责任公司的资助) l i 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： c o i l e dt u b i n gp l a t e p l a t eb u t tw e l d i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h a b s r j 王a c i i nt h i sp a p e r , a sar e s e a r c ho b j e c to fc t s 0 ，t h eu s eo fc o i l e dt u b i n gc o n d i t i o n sa n dc t 8 0 t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sf o rt h er e s e a r c ha n da n a l y s i s ， a n a l y s i so fk e ya p p r o a c h w e l d i n go f t h es t ti nar o wo ft h ep l a t e p l a t eb u t tw e l d i n go ft h ef e a s i b i l i t yo fa p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m ed e f o r m a t i o no nt h ew e l dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p e r f o r m a n c e so ft h es t u d y , s u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s 1 1 1 e r e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) c t s 0p l a t e c t s 0s t e e lm a i n l yc o m p o s i t i o nb yf e r r i t ec o m p o n e n ta n dp e a r l i t e c t s 0 h e a tt r e a t m e n ti su s e df o rt h ep r o d u c t i o no ft h en e c e s s a r yp r o c e s s e s ( 2 ) s t tp r o c e s s e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，s t tm e t h o do fb e a ti n p u ti s t h em a i n c h a r a c t e r i s t i co fs m a l l t h ef o r m a t i o no fam o r ed e t a i l e dw e l do r g a n i z a t i o n ( 3 ) c o i l e dt u b i n gp l a t e p l a t eb u t tw e l d i n gm e t h o d e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，s t ta p p l i e d f o rt h eb o a r d b o a r db u t tw e l d i n gt h ef e a s i b i l i t yo fac e r t a i n ，b u tn o tr i p e ( 4 ) d e f o r m a t i o nb e a tt r e a t m e n tp r o c e s sn o r m s e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，c t s 0b a s em e t a l u s e dh e a t e dt o7 7 0oci n s u l a t i o n2 0s ，a i r - c o o l e dt o4 0 0 oc a n dc o n t r o lt h r o u g ht h em i s t c o o l i n gp r o c e s sw i l lb et h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；s 耵m e t h o du s e df o rw e l d i n gt h e c t 8 0w e l d e dj o i n t s ，at e m p e r a t u r e7 5 0 oc 8 5 0oc ，a n du n d e rp r e s s u r et o10 0 f o rt h e c o n t r o lo fe l e m e n t so f t h ed e f o r m a t i o nh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sw i l lb et h eb e s tw e l d e d j o i n t s ( 5 ) h e a tt r e a t m e n to fd e f o r m a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s m h e a tt r e a t m e n t o fd e f o r m a t i o no ft h em o s tn o t a b l ef e a t u r ei st h a ti tc a ns i g n i f i c a n t l yw e l dt h eb r o k e ng r a i n t 1 1 i sp r o c e s so fg r a i n , i tm a i n l yt h r o u g ht h eb r o k e nr o l et oi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f w e l d e dj o i n t s 1 1 1 ei m p l e m e n t a t i o no ft h et e c h n o l o g yi nt h ep r o c e s so fh e a t i n gt e m p e r a t u r ei s t h e k e y k e y w o r d s ：c o i l e dt u b i n g ，w e l d i n g ，t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t ，w e l d e dj o i n t p e r f o r m a n c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yb a o j ip e t r o l e u ms t e e lp i p ec o ，l t d ) i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：2 峨 日期：撕蔓劲 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：逝 导师签名：芝弘主尘 日期：锄i 墨叠 日期：立星：笸：g 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 连续管概述 连续管( c o i l e dt u b i n g ，简称c t ) 又称挠性油管、蛇形管或盘管，是相对于用螺纹 连接下井的常规油管而言的，是卷绕在卷筒上拉直后直接下井的长油管。其操纵设备称 连续管作业机。作业机包括5 大部分，即引导和下入装置( 包括注入头和导向拱) 、油 管缠绕滚筒、防喷装置、液压动力驱动装置和控制系统，其工作装置见图1 1 。制造连续 管的材料主要有碳钢、调质钢、钛合金钢、纤维复合材料等。 目前全球拥有的连续管作业设备超过1 4 0 0 多台套，连续管技术的应用也从单纯的修 井作业发展到钻井、完井、测井以及增产作业领域。预计未来l o 年，其应用将更加广泛。 在国际上现已将连续管生产以及在采油和钻井中的应用作为一个现代油田技术水平的标 士 2 ，! 一 。 与传统的一般油管作业技术相比，连续管作业技术的主要优点在于： 乱作业速度快、效率高。应用连续管作业与常规方法相比缩短修井时间一半以上，设 备移运、安装快捷，节省并费用。 b 作业范围广，除用于多种常规修井作业外，与其他设备配套还可进行特殊的井下作 业。 c 设备操作集中、方便，自动化程度高。应用连续管作业可大大减轻工人的劳动强度。 d 作业安全可靠，可带压连续进行作业。在避免因压井而伤害地层同时，亦可用作输 油管线瞄。 图1 - 1 连续管作业机的组成示意图 连续管工作的工况条件恶劣，受力情况复杂。绕于卷筒上，油管要产生屈服变形利； 两安石油大学硕士学位论文 在下井作业的过程中将要不断地承受弯曲、矫直、扭转、挤压、内压、颗粒磨损、流体 冲刷等作用一1 。所以连续管的主要失效形式是疲劳断裂。而疲劳断裂最容易发生在焊缝 处凹1 。因此对焊接的质量要求较高，对母材本身强度和韧性也有着很高的要求。 连续管主要生产工艺是：钢板开卷、矫平、钢板切钢带、形成连续带钢、焊缝探伤、 钢带绕在滚筒上、成形、焊接、直焊缝探伤、清除外毛刺、焊缝热处理、定径、切断、 盘卷、整体试压等。连续管的焊接对成形也有要求，其焊高不能太高。连续管工作时装 在作业车上，如果焊高过高，装入作业车时就会出现问题。同时内成形也要好，内部形 成过多的毛刺会影响工程的生产效率。因此钢带焊接是制管生产中的重要关键技术，该 技术的研发直接影响到产品生产的可行性和质量。 1 1 2 连续管生产研究的国内外现状 连续管迄今为止已经历了4 0 多年的发展经历。在此期间，由于材料的韧性强度不够 和焊接接头性能等问题，其发展有着“停滞”的阶段。但近些年来，随着材料技术的新 发展和制管技术的新发展，连续管制造质量不断提高。目前，连续管市场主要由国外少 数几家公司垄断，美国优质油管公司( q u a l i t yt u b i n gi n c ，简称q t i ) 和精密管技术公司 ( p r e c i s i o nt u b et e c h n o b g y ，简称p t t ) 产品占市场的6 0 埔1 。相对而言，连续管制造及 应用技术在国外发展较为成熟，但对国内来说仍旧属于一个全新的领域。我国引进和利 用连续管作业技术始于2 0 世纪7 0 年代。国内开展连续管技术和装备研究与开发则始于2 0 世纪9 0 年代初，其主要由中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所承担。但总体应 用情况不如人意，并未反映和显示此技术的真实水平和特点。对于连续管的生产我国研 究开发工作虽然一直在进行中，但由于国外技术封锁使对其核心技术仍未能很好掌握h 。 出于对技术的垄断以及对商业机密的保护，相关文献中对连续管生产制造的焊接、 热处理等工艺的披露极少比。同时，国内在连续管和作业车的制造方面亦均属空白，在 研究上也只限于理论探索。石油大学、青岛建筑工程学院等对连续管的受力、疲劳及可 靠性进行了研究，吉林石油管理局申请了“油井多功能复合连续管”专利，但没有形成 产品；江汉机械研究所、石油大学对连续管作业车及其配套装置进行了探讨；西安石油 大学开展了连续管的管一管焊的研究，但对板一板的研究工作尚未开始。因此，该项目就 国内而言属于一个全新的开发研究工作，这也就导致了该项目相关资料的严重匮乏。 1 2 板一板对接焊在连续管生产中的意义 1 2 1 连续管的生产工艺 国内尚无连续管的生产厂家。经考察，国外连续管板连续管的工序如下： a 先通过控制轧制，轧制出所需要的钢板。 b 将钢板纵剪成以连续管直径为宽度，长度为1 0 0 0 m 的钢板条，通过4 5 0 斜焊将钢板条 做板一板对接焊。在经过碾压焊缝做形变热处理以改善焊缝性能。 c 对焊接区进行打磨、清扫和无损探伤检验，以确保焊接区无缺陷。 2 第一章绪论 d 将焊好的钢板卷管，然后采用高频电子加热滚焊做直缝焊接。 e 焊后对焊缝进行清理。随后对焊缝进行热处理，其后盘管。 f 将成形的管子作时效处理，消除应力。 g 水压内涨试验。 h 包装入库。 1 2 2 板板对接焊在连续管生产中的意义 由以上连续管的生产工艺过程可知，连续管板一板对接焊属于连续管生产的基础工 序。板一板对接焊质量的好坏直接影响到连续管质量、性能的可靠性。同时，在连续管生 产过程中，板一板对接焊也是工时长、工艺繁琐、成本较高的工序之一。因此，合理的板 一板对接焊工艺不仅是保障连续管产品品质的基础，同时也是连续管生产中降低产品成本 的决定性因素。 1 2 3 板板对接焊接方法 应用于制造连续管的钢材，其壁厚通常介于1 9 0 5 - 7 6 2 0 m m 之间。这种厚度钢材 的焊接在通常意义上属于薄板焊接。一般应用于薄板焊接的方法主要有：t i g 、m i g 、 m a g 、s t t 、等离子、激光焊等诸多方法u 。通过与国外的技术交流以及薄板焊接的相 关资料可以了解到，t i g 、s t t 、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等方法应用于连续管板 一板对接焊工艺均具有可行性。 1 2 4 形变热处理工艺简介 形变热处理工艺是将压力加工与热处理结合起来的金属热处理工艺瞄。利用形变热 处理，可以同时达到成形和改善显微组织的双重目的，使工件获得优异的强度和韧性， 大幅度地改善工艺性能和使用性能，充分发挥金属材料的潜力，提高零件质量和寿命。 形变热处理自2 0 世纪5 0 年代初期开始研究以来，应用的范围日益扩大。它不仅可 用于各种碳素结构钢、合金结构钢，还可用于工具钢、不锈钢、耐热钢、高温合金，以 及以铝、镁、钛、铜等为基的有色金属合金。这种工艺可以采用各种热变形、温变形、 冷变形成形方法，如锻、轧、挤压、拉拔等整体压力加工，旋压、摆动辗压、强力喷丸 等表面或局部形变。形变热处理主要用于形状简单、截面变化和加工余量不大的工件。 形变热处理的工艺方法很多，主要有高温形变热处理和低温形变热处理两大类。 1 3目的、意义及课题来源 1 3 1 课题研究目的、意义 连续管技术现已成为世界油气工业技术研究与应用中一个热点。在国际上以将连续 管生产以及在采油和钻井中的应用作为一个现代油田技术水平的标志。目前，中国石油 天然气总公司已经把连续管的生产和应用列为“十一五”规划重点科研项目。它对我国 打破一些国家在此领域的垄断，提升我国油气开发技术水平具有及其重要的作用。连续 管的生产是这个项目的基础和前提部分。 3 两安石油大学硕。 = 学位论文 由于制造连续管用的钢带每卷的长度通常为几百米，而连续管作业的深度是几千米， 钢厂生产过程中很难提供如此长的钢带，必须在制造中采用板一板对接焊将钢带连接起 来，并将板一板对接焊的焊接接头无缝化，形成性能一致的长钢带，以满足和达到作业要 求的连续管长度。因而，连续管用钢带的板一板对接焊技术以及其优异的焊接接头质 量是连续管制造生产的基础和质量的保证，是连续管生产中重要的关键技术引。 对于连续管板一板对接焊工艺的研究是具有重大工程应用和理论研究价值的。本文通 过对连续管用钢板开展s t t 板一板对接焊工艺的研究，探讨s t t 在连续管板一板对接焊 中应用的可行性及适用性，并对焊后焊缝形变热处理工艺对焊缝组织性能的影响加以讨 论，为连续管的板一板对接焊方法及工艺提供可靠的和有价值的试验数据。 1 3 2 课题创新点 连续管板板对接焊的研究是一项全新的开发研制工作。主要有： a 本课题属于国内首次对连续管板一板对接焊的研究。 b 在国内外首次就s t t 焊接方法在续管板一板对接焊工艺中的适用性展开研究。 c 焊接方法、焊接工艺、热处理工艺、质量控制等内容的综合研究。 d 在国内首次就平板对接焊缝接头的形变热处理工艺展开研究。 1 3 3 课题来源 该课题是中国石油天然气集团公司( c n p c ) 重大项目连续管技术与装备研制 中的一部分。 1 4 主要研究内容及总体方案 1 4 1 主要研究内容 本课题以用于连续管制造的c t s 0 板材作为研究对象，以连续管使用的必备性能指 标为研究目标，对s t t 方法应用于连续管板一板对接焊的可行性展开了重点研究工作。 同时对c t s 0 母材以及以s t t 方法施焊的c t 8 0 板一板对接焊接接头的热处理、形变热处 理工艺展开了相关的研究和讨论。在项目研究工作的基础上，通过现场试验，得到了s t t 方法并不能够切实满足连续管板一板对接焊工艺要求的结论。此外，通过对c t 8 0 母材及 焊接接头的热处理、形变热处理工艺试验，验证了c t 8 0 热处理工艺参数，并形成了具 有可操作性、性能可靠并拥有自主知识产权的焊接接头形变热处理工艺。 a 通过对c t 8 0 组织及化学成分的观察和分析，确定c t s 0 的焊接性。 b 通过对c t 8 0 母材轧制供货状态及热处理后力学性能的试验，掌握c t s 0 的主要特 性与指标。 c 以目标对象的工况条件、性能要求、形状尺寸为基础，确定焊接方法，配置相关的 设备。 d 对s t t 焊机展开工艺试验，掌握s t t 焊接方法主要工艺参数对焊缝成形的影响。 e 对c t 8 0 进行s 1 v r 焊接工艺试验及焊接工艺评定，确定焊接工艺参数。同时采用多 4 第一章绪论 种力学性能评定、组织分析等手段，对焊接工艺及检验方法进行评价、检验、调整和筛 选，形成性能稳定、可靠、具有可操作性的焊接工艺和质量控制技术。 对采用s t t 方法焊接的c t 8 0 焊接接头进行形变热处理工艺处理，确定形变热处理 工艺参数对焊缝组织与力学性能的影响。并在此基础上确定切实可行的形变热处理工艺 参数。 1 4 2 总体方案 从大的方面来讲，该课题研究主要可分为s t t 焊接方法在连续管板一板对接焊工艺中 的适用性，以及焊后焊接接头形变热处理两大部分。前者包含有焊接工艺选择、s t t 焊 接工艺参数对成形的影响、焊接工艺参数对采用s t t 方法施焊的c t 8 0 板材焊接接头成形 的影响、焊接接头的组织性能几大部分。后者包括c t s 0 母材热处理工艺研究、焊缝的形 变热处理工艺研究两部分。 对于焊接方法而言，本课题属于连续管板一板对接焊工艺研究大课题总的组成部分， 因此焊接方法采用s t t 焊接。t i g 、m i g 、m a g 以及等离子焊等方法将在本单位或协作 单位以后的研究工作中相继展开。而上文所述的其他的几个研究内容将通过一系列的工 艺性试验已取得相应的试验数据及最优值。 1 5 本章小结 连续管技术现己成为世界油气工业技术研究与应用中一个热点。在国际上以将连续 管生产以及在采油和钻井中的应用作为一个现代油田技术水平的标志。目前，中国石油 天然气总公司已经把连续管的生产和应用列为“十一五”规划重点科研项目。它对我国 打破一些国家在此领域的垄断，提升我国油气开发技术水平具有及其重要的作用。 在连续管的生产中板一板对接焊是其基础。这种焊接属于薄板焊接。可应用于连续管 板一板对接焊工艺的焊接方法主要有t i g 、s t t 、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等。本 课题开展的便是s t t 在连续管板一板对接焊中应用的可行性研究。 为改善焊缝的组织和力学性能，在连续管板一板对接焊中焊后应做形变热处理。焊缝 形变热处理工艺是通过碾压工艺与热处理工艺相结合对焊缝组织加以改善的一种处理工 艺。 两安石油大学硕士学位论文 第二章s t t 及形变热处理相关技术 2 1引言 通过与国外相关技术人员的交流我们可以了解到，国外应用于连续管板一板对接焊工 艺的焊接方法主要有t i g 、m a g 、等离子焊接等焊接方法u 。但在同时，作为一种经济、 高效的薄板焊接方法，s t t 焊接方法是否能够应用于连续管板一板对接焊工艺是一个值得 探讨的问题。若其具有可行性，则能够大幅度的降低焊接工时，节约生产成本。 此外，通过对国外生产厂家的考察，形变热处理工艺是连续管板一板对接焊生产过程 中必不可少的工艺之一。 2 2s t t 及其相关 2 2 1s t t 电源工作原理 s t t 电源是基于短路液桥表面张力过渡理论，利用逆变焊机的高速可控性，采用波 形控制的一种新型逆变电源，其输出根据电弧的瞬间要求产生u 引。采用该种形式的电源 可减少飞溅，保证焊缝成形。普通碳钢焊接时，一般采用1 0 0 c 0 2 保护气叩1 。不锈钢焊 接时，一般采用富氩混合气体作为保护气。s t t 电源工作于短路过渡方式，其电流输出 是受电弧状态控制的，如图2 1 所示。 u | 、 厂 划 二 t t m s i崩锄 一 i - l + 旺 j b 王 一 一 r l 。i 二 b 焊接电诡波形 图2 - 1 表面张力过渡及汀t 电源波形示意图 图中i o 为最低短路电流；i l 为基值电流；1 2 为短路初值电流；1 3 为短路峰值电流；1 4 为燃弧峰值电流；u o 为燃弧电压；w 为燃弧脉冲宽度；t d 为拖尾时间。 t 0 t l 为基值电流段，基值电流根据焊丝材料、直径以及送丝速度来决定，一般为 5 0 1 0 0 a ，使焊丝端部维持个1 2 倍焊丝直径的熔滴，其作用是提供电弧燃烧和熔滴 长大的能量。 6 第二章s t t 及形变热处理相关技术 t l t 2 为液桥形成段，在基值电流下，焊丝端部熔滴在表面张力作用下形成近似球 状，熔滴一接触熔池，电压探测器提供一个短路信号，此时基值电流约在7 5 0 岬时间内 减小到1 0 a ，熔池表面张力开始吸引熔滴从焊丝向熔池过渡，形成液体小桥。 t 2 - t 3 为颈缩段，电流迅速上升，使短路桥产生较大的电磁收缩力，以加快液桥收 缩。 t 3 t 4 为表面张力过渡段，将电流在几个微秒内降至十几安培，使短路液桥依靠表 面张力的作用熔断并过渡到熔池中。 t 4 - t 5 为燃弧段，过渡完成后，施加时间约为l 2 s 的大电流等离子助推过程，以 增加电弧的燃烧功率，有利于改善焊缝成形。 t 5 t 6 为回复阶段，在该段中电流衰减到基值，为下一个周期做准备u 制。 2 2 2s t t 焊接方法简介 s t t 是美国林肯公司上世纪9 0 年代开发的以新型电源控制、熔化极气体保护焊、 半自动焊接方法。它利用波形控制电源，进行焊丝熔滴表面张力过渡。与传统的平特性 输出的气体保护焊电源不同，s t t 逆变电源通过对焊接电流波形的控制，在百万分之几 秒的时间内，配合熔滴短路过渡的形态，改变电流、电压的输出，从而对整个热输入量 进行控制。适用于碳钢、不锈钢的焊接，并能使用多种保护气体。具有根焊速度快、焊 缝正背面成形好、焊接缺陷易控制、飞溅少、容易操作等特点，非常适合管道的根焊焊 接，尤其适合大口径管道环缝全自动焊工艺的根焊。在我国西气东输管道工程中得到广 泛的引进和应用。 s t t 焊接工艺具有下列主要特点： a s t t 焊是一种低氢焊接工艺。c 0 2 气体有一定的去氢作用，另外氧化性气氛在焊接 条件下对碳元素有一定的烧损。因而，有利于保证焊接的韧性和降低冷脆倾向； b 精确的热输入控制以减少变形和烧穿。在留有间隙的情况下，可有效地减少管道根 焊焊道的未熔合缺陷； c 根焊单面焊双面成型，位置适应性强。焊缝背面成形平整，与t i g 相似，仰焊部位 过渡圆滑，不需打磨； d 基本不产生熔渣和飞溅，焊接时的层间清理和焊后的表面清理要比焊条电弧焊容易 得多。 e 效率较高。s t t 焊接效率是t i g 焊的3 5 倍，是s m a w 焊的1 5 - 2 倍。 热输入量较低，熔合比较小。 g 焊丝品种较少。 2 3 形变热处理相关技术 形变热处理是将压力加工与热处理结合起来的金属热处理工艺。利用形变热处理， 可以同时达到成形和改善显微组织的双重目的，使工件获得优异的强度和韧性，大幅度 西安石油人学硕：b 学位论文 地改善工艺性能和使用性能，充分发挥金属材料的潜力，提高零件质量和寿命8 | 。 形变热处理自2 0 世纪5 0 年代初期开始研究以来，应用的范围日益扩大。它不仅可 用于各种碳素结构钢、合金结构钢，还可用于工具钢、不锈钢、耐热钢、高温合金，以 及以铝、镁、钛、铜等为基的有色金属合金。这种工艺可以采用各种热变形、温变形、 冷变形成形方法，如锻、轧、挤压、拉拔等整体压力加工，旋压、摆动辗压、强力喷丸 等表面或局部形变。形变热处理主要用于形状简单、截面变化和加工余量不大的工件。 形变热处理的工艺方法很多，主要有高温形变热处理和低温形变热处理两大类。 2 3 1 高温形变热处理 又可分为高温形变淬火、高温形变等温淬火和高温形变正火等。 高温形变淬火：将钢件加热到a c 3 以上( 9 5 0 - 1 2 5 0 。c ) 热锻或热轧，然后在水或油中 急剧冷却，达到淬火目的。这种方法适用于低碳、中碳碳素结构钢和各种低合金结构钢， 能够提高钢的强度，改善塑性、韧性，减小回火脆性的敏感性，提高在环境低温下的脆 断抗力，己在多种调质锻件上获得应用。 高温形变等温淬火：将高温加热和产生形变之后的钢件，置于热浴中保持足够时间， 使之发生等温转变。在珠光体温度区域等温转变后可以获得细密的片层状珠光体组织， 从而提高钢的强度和韧性。在贝氏体区域进行等温转变则可使强度提高得更多。这种工 艺可用于钢丝、螺钉等金属制品和零件。 高温形变正火：使高温形变后的钢料在吹风、喷水或喷雾的情况下冷却，以获得较 细的铁素体加珠光体组织，从而在提高材料强度的同时降低脆性转变温度。这种工艺主 要用于低碳低合金高强度钢。应用越来越广泛的控制轧制就是采取这种方式旧引。 2 3 2 低温形变热处理 可区分为低温形变淬火、低温形变等温淬火等。 低温形变淬火：将钢料加热到正常的奥氏体化温度，然后在5 0 0 6 0 0 0 c 间停留，待 内外温度均匀后立即进行形变量为6 0 - 9 0 的形变，随之淬冷。这种方法适用于合金元 素含量较高、过冷奥氏体孕育期较长的钢种，如热模具钢等，可以在几乎不损失塑性的 条件下得到很高( 达2 9 4 m p a ) 的抗拉强度。 温形变等温淬火：可用于含合金元素略低的钢种。首先将钢料加热至奥氏体化温度， 然后在下贝氏体区域进行形变，随之淬冷。采用低温形变等温淬火后，工件可以得到中 等强度和较好的韧性m 。 2 3 3 焊缝的形变热处理工艺 焊缝的形变热处理工艺是近年来逐渐发展起来，应用于改善焊缝宏观、微观组织性 能的一种新型工艺。其主要原理在于掌握适当的热处理温度，辅助以碾压力对焊缝进行 工艺性处理，以达到消除焊接应力、，改善显微组织，最终达到预期宏观力学性能的一种 工艺方法。 对焊缝实施碾压的过程争。碾篮力以振动形式施加，称为冲击碾压形变热处理工艺； 墨 第二章s t t 及形变热处理相关技术 碾压力以无振动方式施加，则称为形变热处理工艺。哈尔滨工业大学开展了冲击碾压形 变热处理工艺的研究工作，机械电子工业部哈尔滨焊接研究所开展了摩擦焊焊接接头形 变热处理的方法及装置的研究，而本课题则针对的是无振动方式的形变热处理工艺。 2 4 本章小结 s t t 焊接技术的核心是采用了s t t 电源。该电源是基于短路液桥表面张力过渡理论， 利用逆变焊机的高速可控性，采用波形控制的一种新型逆变电源，其输出根据电弧的瞬 间要求产生。c 0 2 气体保护焊的电源采用s t t 控制技术能极大的改善焊接过程中飞溅过 大的弊端，充分发挥c 0 2 气体保护焊的效能。目前，该技术的应用越来越广泛。 形变热处理是将压力加工与热处理结合起来的金属热处理工艺。利用形变热处理， 可以同时达到成形和改善显微组织的双重目的，使工件获得优异的强度和韧性，大幅度 地改善工艺性能和使用性能，充分发挥金属材料的潜力，提高零件质量和寿命。该工艺 不仅可以改善金属母材的组织性能，对焊缝组织性能的改善同样具有良好的作用。 9 西安石油大学硕士学位论文 第三章试验用板材的组织和力学分析 3 1引言 考虑到连续管使用工况条件下的复杂性，同时在使用过程中要反复经历弯曲、校 直塑性变形的特殊工况，因此对制造用钢材的强度、塑性力学性能指标要求较高。用 于制造连续管钢材的性能指标见表3 1 。 表3 1 制造连续管钢材的期望性能指标 本课题试验中所采用的钢c t 8 0 板材，是由北京钢铁研究总院研制，武汉钢铁( 集 团) 公司生产的新型材料。由北京钢铁研究总院提供的资料可知，轧制状态的c t s 0 用于制造连续管，相应的热处理工艺是必备的步骤。这方面的情况将在下文的相关章 节阐述。 同时，在为了掌握s t t i 艺参数与焊缝成形关系而展开的工艺试验中，直接采用 c t 8 0 板材从经济方面考虑是不明智的。为此，应选择相应的替代材料。本课题选择了 q 2 3 5 作为焊接试验中的替代材料。其原因在于q 2 3 5 的延伸率与制造连续管钢材所期 望的指标相近似，同时作为一种应用广泛的钢材其性能指标能够较为全面的掌握，以 及以经济方面的角度来考虑。 3 2 焊接母材的主要力学性能 3 2 1 q 2 3 5 板材的主要力学性能 q 2 3 5 板材的化学成分及力学性能分别见表3 2 和表3 3 。 表3 2 试验用q 2 3 5 板材的化学成分( ) 表3 - 3 试验用q 2 3 5 板材的力学性能 3 2 2 c t 8 0 板材的主要力学性能 c t s 0 板材的化学成分及力学性能分别见表3 - 4 和表3 5 。 表3 - 4 试验用c t 8 0 板材的化学成分( ) cs ipsc un ic fm et iva ia i sw ebc an 01 5 203 3 407 90 0 l l0 0 0 701 9 8 00 0 704 6 901 500 1 3 0 0 0 1 00 40 0 3 300 2 700 0 0 100 0 1 50 0 0 6 8 1 0 两安石油大学硕士学位论文 同时，获得粒状贝氏体组织是保障强度必需的技术手段。 3 4 本章小结 c t 8 0 作为国内一种用于连续管生产制造的新型贝氏体钢材，配合合理的处理工 序，其主要性能可达到预期中替代进口连续管以及钢材的目的。 c t 8 0 钢材的显微组织主要为等轴铁素体+ 粒状贝氏体。其优良的强韧性是通过冶 金设计来实现的，这种冶金设计主要包括两部分：一部分是合金化设计，即在钢中加 入多种微量的能显著影响微观组织性能的合金元素；另一部分是制造轧制，即通过控 轧和再热过程，使微量合金元素充分发挥作用。 除冶金因素外，c t 8 0 的强韧化机制主要在于粒状贝氏体组织控制、组织超细化、 等轴组织匹配、以及马奥岛控制几方面。 除等轴铁素体组织外，强度均达n c t 8 0 的要求，塑性较好；获得粒状贝氏体组织 是保障强度必需的技术手段；同时，获得粒状贝氏体组织是保障强度必需的技术手段。 1 2 第四章c t 8 0 的焊接性分析 第四章c t 8 0 的焊接性分析 4 1引言 材料的焊接性分析是制定合理的焊接方案的基础。金属材料的焊接性是指金属是否 能适应焊接加工而形成完整的，具备一定使用性能的焊接接头的特性。金属焊接性的概 念包括两方面内容：一是工艺焊接性，即金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是使 用焊接性，即焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。通常，金属焊接工艺过 程简单而接头质量高、性能好，就称作焊接性好；反之，焊接性就差。影响材料焊接性 的因素很多，主要有材料、结构、工艺及服役环境等四类因素。 金属的焊接性的评价和确定主要有两种方法：一种是直接采用焊接试验的方法来确 定金属的焊接性；另一种是通过分析金属的化学成分、物理特性、相图特点、热处理状 态、焊接工艺条件等，间接地在某种程度上评价金属的焊接性。对于新材料、新结构、 新工艺往往是两种方法同时采用，首先通过被焊金属材料的特性进行间接的焊接性分析， 再通过对被焊材料进行焊接性试验来评价其焊接性。 本试验在材料焊接性分析方面主要考察其工艺焊接性，就是看焊接过程中电弧是否 稳定，飞溅大小，是否存在焊接工艺缺陷，如咬边、错边、气孔、裂纹、未融合( 焊缝 之间焊缝金属与母材之间) 、未焊透等。 4 2 金属的焊接性 金属焊接性的概念包括两方面内容：一是工艺焊接性，即金属在焊接加工中是否容 易形成缺陷；二是使用焊接性，即焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。通 常，金属焊接工艺过程简单而接头质量高、性能好，就称作焊接性好；反之，焊接性就 差。影响材料焊接性的因素很多，主要有材料、结构、工艺及服役环境等四类因素。 金属的焊接性的评价和确定主要有两种方法，一种是直接采用焊接试验的方法来确 定金属的焊接性，另一种是通过分析金属的化学成分、物理特性、相图特点、热处理状 态、焊接工艺条件等，间接地在某种程度上评价金属的焊接性。 对于新材料、新结构、新工艺往往是两种方法同时采用，首先通过被焊金属材料的 特性进行间接的焊接性分析，再通过对被焊材料进行焊接性试验来评价其焊接性。 间接评价金属焊接性中最常用的是通过分析金属的化学成分判断材料的冷裂纹敏感 性和热裂纹敏感性。 4 2 1 冷裂纹敏感性 钢材的焊接冷裂纹一般是在焊后冷至m s 点附近或更低的温度区间逐渐产生的，它 主要发生在低合金钢的焊接热影响区( h 舵) 中。钢的化学成分对焊接热影响区的淬硬 及冷裂倾向有直接影响，钢中一些合金元素的加入虽然满足了钢的强度，然而却不同程 西安石油大学硕士学位论文 度地增加了焊接热影响区的淬硬倾向和裂纹的敏感性，尤其是碳对冷裂敏感的影响最为 显著。用来评定冷裂纹的方法有很多，如碳当量法、焊接裂纹敏感指数法及斜y 形坡口 焊接裂纹试验法等，其中碳当量法是最常用的间接评定焊接性的方法，它是把钢中各种 元素对淬硬、冷裂及脆化等的影响折合成碳的相当含量，记做c e q ，以评价材料焊接热 影响区冷裂倾向的大小。一般碳当量c e q 越大，h a z 冷裂倾向也越大、焊接性越差，经 验表明碳当量c e q t 0 4 0 时，材料将产生淬硬组织、易引起h a z 冷裂。公式4 1 是国际 焊接学会( i i w ) 的碳当量公式；公式4 2 是日本w e j 标准规定的碳当量公式1 。采用 上述公式计算出的材料c e q 如表4 1 。 国际焊接学会l l w 的碳当量c e q 计算公式： c e ( 1 1 w ) _ c + 警+ c r + i m o + v + n _ + c u ( ) ( 4 - 1 ) f + 1 厂 该式主要适用于中、高强度的非调质低合金高强度钢( 6 b = 5 0 0 一- 9 0 0m p a 。当板厚小 于2 0m m ，c e ( i i w ) 5 9 时，可以避 免结晶裂纹。c t s 0 的化学成分计算得出的m n s 比值大于1 0 0 ，远远高于避免结晶裂纹 发生的要求值，因此，具有较好的抗热裂性能，热裂纹倾向小。 4 3 焊接方法 开展本课题的目的在于对生产工艺的考察和检验，同时对连续管生产中可能产生的 问题加以研究分析。因此，对于连续管板一板对接焊生产过程中可能采用的包括焊接和形 变热处理工艺在内的各种工艺方法加以研究。焊接方法方面，应有计划有步骤的分别开 展t i g 、s t t 、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等方法应用于连续管板一板对接焊生产的 研究工作。 本课题属于连续管生产工艺研究中的一部份，从时间和工作量角度考虑，焊接方法 选用了s t t ，并参照对比了t i g 焊。包括t i g 焊在内的其他焊接方法将由西安石油大学 材料科学与工程学院以及宝鸡石油钢管有限责任公司等协作单位同时或在今后的进程中 完成。 4 3 1s t t 焊接方法的选用 s t t 焊的主要特点在于应用了s t t 控制电源的活性气体或惰性气体保护焊。该焊接 方法属于半自动焊。与其他焊接方法相比较，s t t 焊控制参数相对较多，但在工艺参数 确定后主要被控制量为电量和机械量，易于实现自动化和微机控制。 4 3 2 单面焊双面成形试验 为了保证焊缝成形光滑平整，消除焊缝根部成形缺陷缝，必须采用单面焊双面成形 工艺。单面焊双面成形工艺主要用于薄板，焊接时，焊缝背面处于自由状态，当焊缝全 部焊透时，要求熔池将完全依靠熔化金属跟熔池壁之间的表面张力得到承托保持稳定， 并在熔化金属凝固后获得良好的背面焊缝成形。 两安石油大学硕士学位论文 4 3 3 焊接热输入 焊接功率参数的重要作用是决定了焊接的热输入量。这种作用用单位长度焊缝上焊 接热源输入的能量来描述，称之为线能量或焊接线能量( e ) 。它是焊接电流( i ) 、焊接 电压( u ) 和焊接速度( v ) 在焊接过程中热输入的综合反映指标。 焊接线能量的基本公式： e ：i u ( j c m )( 4 3 ) 1 ， 同样的焊接结构，选用不同的焊接线能量，将会得到不同的焊接热循环。如果焊接 线能量过小，冷却速度增大，将有可能促使由于粗晶区组织中马氏体比例的增加而降低 焊接接头的韧性，导致焊缝和h a z 出现裂纹和撕裂；若焊接线能量过大，高温停留时 间增加，冷却速度过于缓慢时，又易于在焊缝和h a z 形成晶粒粗大的组织甚至产生魏 氏体组织，降低接头强度和抗裂性。因此必须对焊接功率参数进行优化并严格控制，以 保证焊缝质量n 明。 4 3 4 焊接工艺参数 s t t 电源既不是下降特性也不是平特性电源，参数及作用如下： a 送丝速度。控制熔敷效率，同时对电弧长度有一定的影响。 b 基值电流。控制焊缝形状，提供焊缝总体热输入量的控制。基值电流太大会造成滴 状过渡和形成大的熔滴，这样会使飞溅增大。太小会引起焊丝抖动，也会使焊缝金属的 润湿性变差。这和一个标准平特性电源在较低电压时的结果是相似的。基值电流的大小 与保护气体相关：西( c 0 2 ) = 1 0 0 时，基值电流应比富氩混合气体时小一些。 c 峰值电流。控制电弧长度与“电弧压缩”控制相似。峰值电流的作用是建立电弧长 度和保证较佳的熔化。峰值电流大时会引起电弧瞬间变宽，同时增加了电弧长度【1 4 】。如 果峰值电流设置太大，会形成滴状过渡，太小时会引起电弧不稳和焊丝抖动。实际焊接 时，峰值电流的设置应满足最小的飞溅和熔池搅动作用。1 0 0 c 0 2 保护时，峰值电流应 比富氩混合气体时大一些，而且电弧长度应长一些，以减少飞溅。 d 焊接速度。焊接速度对熔深和熔宽均有明显的影响，焊接速度增加时，从焊缝的热 输入和热传导角度来看，焊缝的熔深和熔宽都会减小。 e h o t s t a r t ( 热起弧) 。设置热起弧控制可以提高起弧的成功率；在焊缝起始点将增加 2 0 5 0 的电流，保证有足够的热输入以补偿因工件温度较低而散失的热量。当旋钮 设置最大档1 0 时，增加的电流将持续4 s 。 t a i l o u t ( 拖尾) 。提供附加电弧热量而不致熔滴变得太大。根据需要给电弧增加热量 而不增加电弧长度。这样可以允许较高的焊接速度，提高润湿性。一般来说拖尾增加， 电弧在熔池上