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柔性衬垫辅助GMAW打底焊新工艺研究

柔性衬垫辅助GMAW打底焊新工艺研究

作者：孔康骞天津大学

学位级别：硕士

随着我国南海油气资源开发步伐的加快,深水海洋平台用立管和张力腿的环焊缝焊接面临着巨大的挑战。传统上管道环焊缝一般采用带铜滑块的内对口器实现高效的全自动MIG焊接作业。但该技术存在铜滑块烧损、焊缝渗铜以及打底焊道背面成形不... 详细信息

随着我国南海油气资源开发步伐的加快,深水海洋平台用立管和张力腿的环焊缝焊接面临着巨大的挑战。传统上管道环焊缝一般采用带铜滑块的内对口器实现高效的全自动MIG焊接作业。但该技术存在铜滑块烧损、焊缝渗铜以及打底焊道背面成形不良,易于形成“台阶”状焊道等问题,无法完全满足深水海洋平台立管及张力腿的焊接要求。本文尝试将一种柔性衬垫置于工件和铜滑块之间,起到阻止铜滑块烧损并改善焊缝背面成形的目的,为提升深水海洋平台关键焊接质量提供了一种有益探索。首先,对带柔性衬垫的GMAW打底焊过程进行了有限元模拟计算,研究了衬垫厚度和热物性参数对焊接温度场的影响规律。结果表明,柔性衬垫对焊接温度场的影响非常明显,典型隔热材料的柔性衬垫只需要0.5 mm厚就可以使铜滑块表面的峰值温度由700℃降低到80℃以下;在本文研究的参数范围内,柔性衬垫材料的厚度、密度和比热容的变化对焊接温度场的影响都很小,而热导率会明显影响焊缝的冷却速度和温度梯度,进而影响焊缝的微观组织和性能;柔性衬垫还可以使焊根的t增大为无柔性衬垫时的10倍左右,大大降低了焊根的冷却速度,并使背面熔宽变得更宽、更均匀。其次,对选取的几种典型的衬垫材料进行了模拟焊接试验。结果表明,使用合适的柔性衬垫后,打底焊道背面熔宽变得均匀一致,很好地验证了模拟结果发现的规律;金相分析结果表明,柔性衬垫的使用改变了打底焊道柱状晶的生长方向;从打底焊道背面成形来看,柔性衬垫的使用有效减小了焊趾过渡角,过渡更圆滑。在所测试的5种典型的柔性衬垫材料当中,一种硅酸铝陶瓷纤维纸表现出较好的综合性能,可以获得圆滑过渡的焊趾、均匀的背面熔宽以及较好的表面成形效果。本研究的初步结果表明,采用一层很薄的柔性衬垫可以有效避免铜滑块的烧损并改善了焊根的背面成形,但其对焊接接头的疲劳性能等关键性能指标的影响还需要进一步的深入分析研究。

关键词：全自动焊管道打底焊柔性衬垫数值模拟根部成形

基于FEM的管道全自动打底焊用柔性衬垫的研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2021年第3期54卷 289-294页

作者：程方杰孔康骞武少杰李为卫天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津市现代连接技术重点实验室天津300350 中国石油管材研究所西安710077

在海底管线铺设时的环焊缝全自动焊过程中,一般采用带铜衬垫的内对口器配合大热输入焊接参数进行强制成形.由于高温熔池直接和刚性铜衬垫接触,焊根背面不能形成圆滑过渡的焊趾,应力集中较为严重;同时铜衬垫也烧损严重,存在焊缝渗铜和夹... 详细信息

在海底管线铺设时的环焊缝全自动焊过程中,一般采用带铜衬垫的内对口器配合大热输入焊接参数进行强制成形.由于高温熔池直接和刚性铜衬垫接触,焊根背面不能形成圆滑过渡的焊趾,应力集中较为严重;同时铜衬垫也烧损严重,存在焊缝渗铜和夹铜的风险,需要不定期进行更换.针对铜衬垫所存在的上述问题,本研究提出在铜衬垫表面再放置一层很薄的耐高温柔性衬垫材料,以避免铜衬垫与高温熔池的直接接触.基于有限元方法(FEM),使用有限元软件ABAQUS系统研究了柔性衬垫的厚度及材料的热导率、比热容等关键热物性参数对焊接温度场的影响规律以及衬垫对焊道背面成形的特殊作用.模拟结果表明,柔性衬垫的存在使得铜衬垫表面的峰值温度从700℃大幅下降至90℃以下,但其厚度对焊接温度场的影响很小;柔性衬垫的密度和比热容对焊接温度场的影响也很小;但柔性衬垫的热导率会明显影响熔池的大小、冷却速度及温度梯度的分布,进而对焊道的成形以及接头的组织和性能造成影响.模拟和试验结果都表明,合适的柔性衬垫材料可以大大降低铜衬垫表面的峰值温度,避免其烧损,同时还可以有效改善根部焊道的背面成形,使得铜衬垫作用下形成的周期性宽窄不均的背面熔宽变得均匀,且焊趾过渡也变得圆滑.

关键词：全自动焊管道打底焊根部成形铜衬垫有限元方法

N2对不锈钢GTAW焊缝铁素体含量和组织演变过程的影响

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2020年第8期53卷 809-813页

作者：程尚华张一琪邵珠晶孔康骞程方杰天津大学材料科学与工程学院天津300350 蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司蓬莱265607 天津市现代连接技术重点实验室天津300350

在不锈钢的焊接中,控制焊缝金属中的铁素体含量对于防止出现热裂纹、保证焊缝耐蚀性能和力学性能都有着重要的作用.在不锈钢中氮是强烈的奥氏体化元素,通过在保护气体中加入N2的方法向焊缝过渡氮元素从而调控焊缝中的铁素体含量是一种... 详细信息

在不锈钢的焊接中,控制焊缝金属中的铁素体含量对于防止出现热裂纹、保证焊缝耐蚀性能和力学性能都有着重要的作用.在不锈钢中氮是强烈的奥氏体化元素,通过在保护气体中加入N2的方法向焊缝过渡氮元素从而调控焊缝中的铁素体含量是一种简单可行的技术思路.本研究采用实时调整气体配比技术配制不同配比的Ar-N2混合气作为保护气体,对304L奥氏体不锈钢和2205双相不锈钢进行了GTAW多层多道焊接试验.分析研究了保护气体中的N2添加量对奥氏体不锈钢焊缝金属中铁素体含量的影响以及对双相不锈钢焊缝金属中的相比例和微观组织的演变规律.结果表明,对304L不锈钢,保护气中加入0.5%~1.0%的N2能够将焊缝中平均铁素体数FN有效控制在3~7范围内.对2205双相不锈钢,打底焊时保护气中加入3.0%的N2能够有效促进一次奥氏体的形成并抑制二次奥氏体的析出;填充和盖面焊则应减少保护气中的N2含量或用纯Ar作为保护气才能保证焊缝的整体相比例在合理范围内.该研究工作对推广动态气体配比技术在不锈钢焊接生产中的应用提供了前期的理论基础.

关键词：不锈钢铁素体数相比例 Ar-N2混合保护气组织演变

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制氢转化炉炉管老化机理与焊接修复研究进展

焊接 2018年第9期 20-25,66页

作者：李松林张淑华孔康骞曹逻炜程方杰天津大学材料科学与工程学院 300350 航天科工深圳(集团)有限公司电气研究院 518048 中国特种设备检测研究院北京100029

制氢转化炉作为石化装置关键静设备,由于服役条件复杂,在服役过程中炉管常常发生失效。以典型炉管材料为对象,结合炉管材料的金相组织与焊接性能,对材料的老化机理以及焊接修复技术的研究成果和发展现状进行了总结梳理,重点介绍了炉管... 详细信息

制氢转化炉作为石化装置关键静设备,由于服役条件复杂,在服役过程中炉管常常发生失效。以典型炉管材料为对象,结合炉管材料的金相组织与焊接性能,对材料的老化机理以及焊接修复技术的研究成果和发展现状进行了总结梳理,重点介绍了炉管材料金相组织的演变过程及其对焊接性能的影响、常用焊接方法、异种钢焊接工艺和性能恢复技术的研究情况,最后归纳了炉管材料焊接修复面临的主要问题及解决方法。

关键词：转化炉管组织演变异种钢焊接性能恢复