球墨铸铁焊接法兰管焊缝质量工艺探索及研究

贾振波，尹 建

（黄石新兴管业有限公司，湖北 黄石 435005）

近年来国外市场对焊接球墨铸铁法兰管（简称焊接法兰管）的需求量呈快速上升趋势，球墨铸铁焊接法兰管目前广泛应用于水利行业中的泵站、检查井、排泥井等领域中。为彻底解决焊接法兰管焊缝强度不足和内应力无法消除的实际问题。我们针对焊缝质量开展了相关的工艺试验和研究。

1 产品介绍

本产品具有管体2，管体2两端连接有法兰盘1，法兰盘1上均开有若干均布的螺栓安装孔3，将法兰盘1连接在管体2的两端时要保证两者过盈配合，同时内壁预留一部分，内、外焊接连接，即构成了产品。

2 工艺探索与研究

2.1 法兰坡口及焊缝设计

法兰盘颈部倒角机加原角度为45°，因其陡峭在焊接外焊缝时会出现焊缝窄、熔深浅等质量隐患，极易出现外焊缝开裂。为避免此隐患，调整法兰坡口角度（见下表）并进行焊缝设计，采用多层多道焊，其最大的优点在于单道焊的热输入明显降低，同时不同道次之间起到预热和缓冷退火的作用，特别适用于对组织性能敏感的材料。

图1 焊接法兰管产品示意图

表1 法兰坡口及焊缝设计

2.2 自动焊电机和焊接工艺参数调整。

改逆变电机为脉冲电焊机。焊接工艺参数改进前，未科学有效的制定出电流、电压、摆动幅度、摆动速度、转台转速等相互匹配的参数，致使焊缝出现气孔、夹渣等质量隐患，为避免此隐患，通过现场试验跟踪得出一组可靠数据；中大口径焊接法兰管外焊缝易出现开裂现象。

针对现在焊接方面存在的问题，经过系统分析，讨论制定了以下几方面工作内容。

（1）焊接摆动器

目前我们的焊接摆动器为“钟摆型”，主要影响就是前端成弧形摆动且摆幅两侧加速、减速、变向所用时间占整个摆动周期比例偏大，导致焊缝边缘熔深较大、法兰坡口熔化塌陷、焊缝两侧较厚、易出现咬边缺陷、焊缝宽度不足等问题。

把摆动器改为螺杆驱动的“直摆型”，垂直摆动且速度不变，两侧变向较快，焊缝宽度较大（DN100管件焊缝跨度＞15mm）、熔深较小、焊缝两侧成型漂亮，无咬边和熔化塌陷等问题。

表2 “钟摆型”和“直摆型”特点对比

主要工作：将现有的“钟摆型”摆动器改进为“直摆型”摆动器，结合焊接工艺参数，试验制定不同规格管件焊接的摆动幅度和频率参数。

（2）焊接电源

之前所用焊接电源为普通微降特性的逆变电源，焊接电流随焊接电压增加成微降特性。一方面焊接稳定性较差、焊缝飞溅较大，焊缝成型不美观；另一方面焊接热输入也较大，对母材影响影响较大。

把焊接电源为改脉冲电源，较小的焊接电流即可实现较好的射滴过渡，焊接过程平稳、飞溅较小，大大降低焊接变形和应力。

表3 焊接电源对比

（3）随焊加热工艺调整

目前在用的随焊加热装置存在：（1）火焰不够集中，加热部位太宽；（2）燃气利用率低；（3）单火焰加热效率太低。

图2 改进加热装置示意图

改进后的加热装置见如图2所示，考虑到刚热装配结束时法兰温度较高而管子温度较低，改进装置采用3个火焰枪进行加热，2个加热焊缝处的直管段，1个加热法兰。装置位于管子下方，可以保证火焰挺度和加热效果。

（4）工艺参数调整（如表4）

2.3 缓冷、退火工艺调整

焊接本身就是一个高温熔炼过程，因焊接温度与车间温差较大，焊缝易出现裂纹等缺陷，为避免隐患，通过现场试验采用保温罩可减少裂纹；光管退火可消除焊缝应力并可降低焊缝开裂现象，因焊缝应力的存在一直是造成焊缝开裂的主要原因之一；管件焊接完毕后，要立即进行焊缝缓冷，放入保温缓冷炉内进行焊缝缓冷，保温2-4小时，如图3所示。

表4

图3 缓冷工艺示意图

所有不带内衬并经过焊接的管件均进行去应力退火，把焊接法兰管放入退火炉内，入炉温度＜300℃，炉温升值550-600℃后保温1-1.5h，炉冷至200℃以下出炉，如图4所示。

图4 退火工艺示意图

2.4 试验验证

（1）制作专用试验夹具，对工艺优化后的焊缝强度进行检测，验证了新工艺的可行性。

图5 性能试验夹具示意图

图6 性能试验装配图

试验夹具如图5和图6所示，试验时将10mm宽试样紧靠在右侧开槽处，小样试样法兰部分用螺栓紧固在刚性厚板上，试验时一侧拉住夹具一侧拉住试样。

利用试样的拉伸断裂强度去评判管子单位长度法兰的焊缝抗拉强度，从而估算出整个法兰管的抗拉强度。最后用整个法兰管的抗拉力和3倍的PFA内压力时的轴向力去比较；

要求 ：F断裂≥3*PFA*πD2/（4*πD）

（2）开展了焊接工艺评定，本项目依据ASME焊接工艺评定标准，开展焊接工艺评定相关工作，联系第三方必维（BV）认证有限公司资质人员进行现场见证，本项目球墨铸铁焊接法兰管开展的相关工作和技术文件，均符合ASME工艺评定要求，并得到第三方BV公司认可，拥有球墨铸铁焊接法兰管焊接工艺规程。

2.5 试验结论

本项目致力于研发球墨铸铁焊接法兰管质量改进，一方面，提高了球墨铸铁焊接法兰管焊缝内、外在质量的可靠性；另一方面，提升了企业享誉国内外品牌和形象。本项目实施后，球墨铸铁焊接法兰管质量异议大幅度降低，初步解决了焊缝强度低、开裂问题，焊缝成型及外观质量也得到大大提高，球墨铸铁法兰管在市场中得到了广泛的应用。