球墨鑄鐵焊接法蘭管焊縫質量工藝探索及研究

賈振波，尹 建

（黃石新興管業有限公司，湖北 黃石 435005）

近年來國外市場對焊接球墨鑄鐵法蘭管（簡稱焊接法蘭管）的需求量呈快速上升趨勢，球墨鑄鐵焊接法蘭管目前廣泛應用于水利行業中的泵站、檢查井、排泥井等領域中。為徹底解決焊接法蘭管焊縫強度不足和內應力無法消除的實際問題。我們針對焊縫質量開展了相關的工藝試驗和研究。

1 產品介紹

本產品具有管體2，管體2兩端連接有法蘭盤1，法蘭盤1上均開有若干均布的螺栓安裝孔3，將法蘭盤1連接在管體2的兩端時要保證兩者過盈配合，同時內壁預留一部分，內、外焊接連接，即構成了產品。

2 工藝探索與研究

2.1 法蘭坡口及焊縫設計

法蘭盤頸部倒角機加原角度為45°，因其陡峭在焊接外焊縫時會出現焊縫窄、熔深淺等質量隱患，極易出現外焊縫開裂。為避免此隱患，調整法蘭坡口角度（見下表）并進行焊縫設計，采用多層多道焊，其最大的優點在于單道焊的熱輸入明顯降低，同時不同道次之間起到預熱和緩冷退火的作用，特別適用于對組織性能敏感的材料。

圖1 焊接法蘭管產品示意圖

表1 法蘭坡口及焊縫設計

2.2 自動焊電機和焊接工藝參數調整。

改逆變電機為脈沖電焊機。焊接工藝參數改進前，未科學有效的制定出電流、電壓、擺動幅度、擺動速度、轉臺轉速等相互匹配的參數，致使焊縫出現氣孔、夾渣等質量隱患，為避免此隱患，通過現場試驗跟蹤得出一組可靠數據；中大口徑焊接法蘭管外焊縫易出現開裂現象。

針對現在焊接方面存在的問題，經過系統分析，討論制定了以下幾方面工作內容。

（1）焊接擺動器

目前我們的焊接擺動器為“鐘擺型”，主要影響就是前端成弧形擺動且擺幅兩側加速、減速、變向所用時間占整個擺動周期比例偏大，導致焊縫邊緣熔深較大、法蘭坡口熔化塌陷、焊縫兩側較厚、易出現咬邊缺陷、焊縫寬度不足等問題。

把擺動器改為螺桿驅動的“直擺型”，垂直擺動且速度不變，兩側變向較快，焊縫寬度較大（DN100管件焊縫跨度＞15mm）、熔深較小、焊縫兩側成型漂亮，無咬邊和熔化塌陷等問題。

表2 “鐘擺型”和“直擺型”特點對比

主要工作：將現有的“鐘擺型”擺動器改進為“直擺型”擺動器，結合焊接工藝參數，試驗制定不同規格管件焊接的擺動幅度和頻率參數。

（2）焊接電源

之前所用焊接電源為普通微降特性的逆變電源，焊接電流隨焊接電壓增加成微降特性。一方面焊接穩定性較差、焊縫飛濺較大，焊縫成型不美觀；另一方面焊接熱輸入也較大，對母材影響影響較大。

把焊接電源為改脈沖電源，較小的焊接電流即可實現較好的射滴過渡，焊接過程平穩、飛濺較小，大大降低焊接變形和應力。

表3 焊接電源對比

（3）隨焊加熱工藝調整

目前在用的隨焊加熱裝置存在：（1）火焰不夠集中，加熱部位太寬；（2）燃氣利用率低；（3）單火焰加熱效率太低。

圖2 改進加熱裝置示意圖

改進后的加熱裝置見如圖2所示，考慮到剛熱裝配結束時法蘭溫度較高而管子溫度較低，改進裝置采用3個火焰槍進行加熱，2個加熱焊縫處的直管段，1個加熱法蘭。裝置位于管子下方，可以保證火焰挺度和加熱效果。

（4）工藝參數調整（如表4）

2.3 緩冷、退火工藝調整

焊接本身就是一個高溫熔煉過程，因焊接溫度與車間溫差較大，焊縫易出現裂紋等缺陷，為避免隱患，通過現場試驗采用保溫罩可減少裂紋；光管退火可消除焊縫應力并可降低焊縫開裂現象，因焊縫應力的存在一直是造成焊縫開裂的主要原因之一；管件焊接完畢后，要立即進行焊縫緩冷，放入保溫緩冷爐內進行焊縫緩冷，保溫2-4小時，如圖3所示。

表4

圖3 緩冷工藝示意圖

所有不帶內襯并經過焊接的管件均進行去應力退火，把焊接法蘭管放入退火爐內，入爐溫度＜300℃，爐溫升值550-600℃后保溫1-1.5h，爐冷至200℃以下出爐，如圖4所示。

圖4 退火工藝示意圖

2.4 試驗驗證

（1）制作專用試驗夾具，對工藝優化后的焊縫強度進行檢測，驗證了新工藝的可行性。

圖5 性能試驗夾具示意圖

圖6 性能試驗裝配圖

試驗夾具如圖5和圖6所示，試驗時將10mm寬試樣緊靠在右側開槽處，小樣試樣法蘭部分用螺栓緊固在剛性厚板上，試驗時一側拉住夾具一側拉住試樣。

利用試樣的拉伸斷裂強度去評判管子單位長度法蘭的焊縫抗拉強度，從而估算出整個法蘭管的抗拉強度。最后用整個法蘭管的抗拉力和3倍的PFA內壓力時的軸向力去比較；

要求 ：F斷裂≥3*PFA*πD2/（4*πD）

（2）開展了焊接工藝評定，本項目依據ASME焊接工藝評定標準，開展焊接工藝評定相關工作，聯系第三方必維（BV）認證有限公司資質人員進行現場見證，本項目球墨鑄鐵焊接法蘭管開展的相關工作和技術文件，均符合ASME工藝評定要求，并得到第三方BV公司認可，擁有球墨鑄鐵焊接法蘭管焊接工藝規程。

2.5 試驗結論

本項目致力于研發球墨鑄鐵焊接法蘭管質量改進，一方面，提高了球墨鑄鐵焊接法蘭管焊縫內、外在質量的可靠性；另一方面，提升了企業享譽國內外品牌和形象。本項目實施后，球墨鑄鐵焊接法蘭管質量異議大幅度降低，初步解決了焊縫強度低、開裂問題，焊縫成型及外觀質量也得到大大提高，球墨鑄鐵法蘭管在市場中得到了廣泛的應用。