复合钢管自动mig对接焊技术研究theautomaticmigweldofcompositesteelpiperesea
摘 要摘 要不锈钢与碳钢的复合管因为同时具有两种钢的特性有着价格低廉，并且耐腐蚀性好、适用性广的特点而被广泛应用于石油输送、西气东输、以及许多其他的民用工程，因此具有很高的研究价值。本文先将对以往普通焊接方法下的复合管试样进行分析试验研究，发现了热影响区焊缝的硬度梯度，分析了其中的原因是由于受到热输入的影响，不锈钢中的Cr元素因为吸引C元素而导致C的转移，进而使焊接接头熔合区的C元素分布产生梯度分布。为了解决热输入过大的不良因素，本次试验最终决定采取热输入量小的工艺如选取使用大坡口，以减少热输入，采用手工TIG焊、309L不锈钢焊丝进行封焊，手工TIG焊、309L不锈钢焊丝打底，CO2 气体保护焊、316L不锈钢焊丝过渡焊，CO2 气体保护焊、H08A焊丝进行填充盖面焊。完成了对复合钢管316L不锈钢和20号碳钢的对接。并且在蔡氏光学金相显微镜、数显维氏显微硬度计等仪器的帮助下对焊接接头进行了微观组织成分分析和力学性能变化分析。通过多组实验的对比比较，结果发现了在对复合管进行焊接时，减少热输入量可以有效地降低焊缝熔合区的硬度的梯度变化。为以后焊接复合管提供了科学的参考依据。关键词 不锈钢复合管；热输入；焊缝组织；力学性能
Keyword Stainless steel; Hotinput; Microstructure of the weld?; Mechanical property 目录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 复合钢管的介绍 1
1.3 国内外复合管的发展现状 3
1.3.1 国外复合管的发展现状 3
1.3.2 国内复合管的发展现状 3
1.4 焊接材料的发展 4
1.5 研究内容 5
第二章 复合管的焊接性 7
2.1 引言 7
2.2 复合管的冶金可焊性 7
2.3 316L不锈钢的焊接性分析 8
2.3.1 316L不锈钢 8
2.3.2 316L不锈钢晶间腐蚀 9
2.4 20钢的化学成分 10
2.5 316L不锈钢/20钢的焊接性 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.6 寻找316L/20钢复合管焊缝薄弱点 11
2.7 本章小结 13
第三章 焊接实验准备和过程 14
3.1 引言 14
3.2 试样的制作 14
3.3 坡口的设计 15
3.4 焊接工艺的确定 15
3.4.1 焊接工艺参数 15
3.4.2 焊丝化学成分 16
3.5 焊接方法的确定 17
3.5.1 二氧化碳的气体保护焊接 17
3.5.2 CO2气体保护焊的优点 19
3.6 焊接设备的选择 19
3.6.1 机器人焊接 19
3.6.2 机器人本体 20
3.6.3 机器人控制柜 21
3.7 使用焊接机器人开始焊接 22
3.8 本章小结 22
第四章 焊后试样的分析处理 24
4.1 引言 24
4.2 焊缝金相的观察 24
4.3 焊后显微硬度测试 25
4.4 分析显微金相组织 26
4.4.1 熔合区的显微金相图 26
4.4.2 焊缝处金相分析 27
4.5 显微硬度试验 29
4.5.1 碳钢焊缝的显微硬度分析 29
4.5.2 不锈钢焊缝的显微硬度分析 30
4.5.3 焊缝区的硬度分析 30
4.6 本章小结 31
结 论 32
致 谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
双金属复合管是用两种金属管材料复合而成的，所以其具备两种材料的特性，单金属管在管道运输时常常因为耐腐蚀性差或者是硬度不够而导致管道发生破裂，很难有廉价的单金属管道能够兼备耐腐蚀性好和硬度高的优点。然而复合管在输送液体的过程中可以适应压力大、温度高及腐蚀性强、磨损大的环境。与单材质金属管相比，工艺性良好，并且可以大大节省材料，降低织造材料成本。不锈钢复合管是异种钢管运用机械复合的方法用压力使得管壁产生焊点从而组合成为新的材料，它同时有不锈钢的耐磨性和抗腐蚀性，以及碳素钢良好的抗冲击性及抗弯曲能力。复合管的使用深深地贯彻着国家节能减材的原则。在21世纪初我国首次给不锈钢复合管颁布了新的标准，使得我们在复合管的材料挑选，质量的检验等方面都有了一整套严格规范的管理，使得不锈钢能够有标准可以依循。而因为外表美观、价格低廉的优点[1]，不锈钢复合管如今已经被普遍的推广在石油运输、西气东输、架桥维护、装车零件以及其他的机械领域。
1.2 复合钢管的介绍
将不锈钢作为复合管内壁是我国近几年才兴起的复合钢管，这种以不锈钢填充内壁的复合管在拥有不锈钢的耐腐蚀性的同时还有着碳钢的高强度的特性，十分对口于输送腐蚀性高的难以用碳钢完成的天然气或是石油，然而不锈钢为内壁的复合管进行焊接时在两种钢材的连接处时长会发生预计不到的焊接缺陷如：有夹杂[2]，焊缝接头不稳定容易产生裂纹。不锈钢复合管是将不锈钢和碳钢或者不锈钢进行异种钢焊接或是经过机械复合而形成的新的材料，它可以分成基层和覆层。基层一般是不锈钢母材，它可以使得复合管具有良好的耐腐蚀能力，而覆层则一般是碳钢，它的作用则大多是起构件作用和覆盖[3]不锈钢层，减少不锈钢受到外在的应力作用而变形。目前不锈管复合钢管多运输不利于管内壁（常常具有腐蚀性）的流体。而不锈钢复合管中的内壁恰恰就是拥有者耐腐蚀性的不锈钢材料。而外在的碳钢相对于不锈钢是十分低廉的产品，因此不锈钢复合管不仅可以大幅增加管道的耐腐蚀性[4]，又减少了不锈钢的使用量[56]，也因此降低了复合管的产品成本。基于以上的优点，使得不锈钢复合管得到了越来越多的应用。在复合钢管的生产方面存在着许许多多的制造方法。不锈钢复合管的制造工艺有很多，而其中最常用的复合方法有：热挤压法、冷成型法、焊接法[7]和离心铸造法[8]。
(1) 冷成型法。冷成型法是将不锈钢使用超过金属弹性极限[9]的力使不锈钢改变形状，然后将内层的模型旋转压进碳钢型模内，接着利用不锈钢的塑性变形，来达到让不锈钢附着在碳钢上的目的，最后通过机械方法进行再固定不锈钢，是不锈钢处于碳钢基线内这种方法的好处是不产生废料，但是对于焊接来说，两种金属之间没有粘合点[10]，很容易产生脱裂。
(2) 热挤压法。热挤压方法[11]是将金属加热到一定的温度使不锈钢和碳钢能够发生变形，然后对板状的不锈钢和碳钢进行弯曲，然后进行连接，于是便做出了内壁不锈钢外层碳钢的复合管，也可以是已经成型的单相管再堆叠一层管材，这种方法容易产生碳化和脱氧的加热缺陷，对于复合材料有一定的影响。
(3) 离心铸造法。离心铸造法[12]是在已经存在模具的情况下，将模具进行旋转，然后依次浇入金属液，金属液体由于受到离心力会紧贴外层结构。很容易能够获得双金属复合管，这种方法下的复合管异材连接可以达到晶界连接[67]，然而此种方法成本过高，在对不锈钢复合管使用时反而得不偿失。
Keyword Stainless steel; Hotinput; Microstructure of the weld?; Mechanical property 目录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 复合钢管的介绍 1
1.3 国内外复合管的发展现状 3
1.3.1 国外复合管的发展现状 3
1.3.2 国内复合管的发展现状 3
1.4 焊接材料的发展 4
1.5 研究内容 5
第二章 复合管的焊接性 7
2.1 引言 7
2.2 复合管的冶金可焊性 7
2.3 316L不锈钢的焊接性分析 8
2.3.1 316L不锈钢 8
2.3.2 316L不锈钢晶间腐蚀 9
2.4 20钢的化学成分 10
2.5 316L不锈钢/20钢的焊接性 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.6 寻找316L/20钢复合管焊缝薄弱点 11
2.7 本章小结 13
第三章 焊接实验准备和过程 14
3.1 引言 14
3.2 试样的制作 14
3.3 坡口的设计 15
3.4 焊接工艺的确定 15
3.4.1 焊接工艺参数 15
3.4.2 焊丝化学成分 16
3.5 焊接方法的确定 17
3.5.1 二氧化碳的气体保护焊接 17
3.5.2 CO2气体保护焊的优点 19
3.6 焊接设备的选择 19
3.6.1 机器人焊接 19
3.6.2 机器人本体 20
3.6.3 机器人控制柜 21
3.7 使用焊接机器人开始焊接 22
3.8 本章小结 22
第四章 焊后试样的分析处理 24
4.1 引言 24
4.2 焊缝金相的观察 24
4.3 焊后显微硬度测试 25
4.4 分析显微金相组织 26
4.4.1 熔合区的显微金相图 26
4.4.2 焊缝处金相分析 27
4.5 显微硬度试验 29
4.5.1 碳钢焊缝的显微硬度分析 29
4.5.2 不锈钢焊缝的显微硬度分析 30
4.5.3 焊缝区的硬度分析 30
4.6 本章小结 31
结 论 32
致 谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
双金属复合管是用两种金属管材料复合而成的，所以其具备两种材料的特性，单金属管在管道运输时常常因为耐腐蚀性差或者是硬度不够而导致管道发生破裂，很难有廉价的单金属管道能够兼备耐腐蚀性好和硬度高的优点。然而复合管在输送液体的过程中可以适应压力大、温度高及腐蚀性强、磨损大的环境。与单材质金属管相比，工艺性良好，并且可以大大节省材料，降低织造材料成本。不锈钢复合管是异种钢管运用机械复合的方法用压力使得管壁产生焊点从而组合成为新的材料，它同时有不锈钢的耐磨性和抗腐蚀性，以及碳素钢良好的抗冲击性及抗弯曲能力。复合管的使用深深地贯彻着国家节能减材的原则。在21世纪初我国首次给不锈钢复合管颁布了新的标准，使得我们在复合管的材料挑选，质量的检验等方面都有了一整套严格规范的管理，使得不锈钢能够有标准可以依循。而因为外表美观、价格低廉的优点[1]，不锈钢复合管如今已经被普遍的推广在石油运输、西气东输、架桥维护、装车零件以及其他的机械领域。
1.2 复合钢管的介绍
将不锈钢作为复合管内壁是我国近几年才兴起的复合钢管，这种以不锈钢填充内壁的复合管在拥有不锈钢的耐腐蚀性的同时还有着碳钢的高强度的特性，十分对口于输送腐蚀性高的难以用碳钢完成的天然气或是石油，然而不锈钢为内壁的复合管进行焊接时在两种钢材的连接处时长会发生预计不到的焊接缺陷如：有夹杂[2]，焊缝接头不稳定容易产生裂纹。不锈钢复合管是将不锈钢和碳钢或者不锈钢进行异种钢焊接或是经过机械复合而形成的新的材料，它可以分成基层和覆层。基层一般是不锈钢母材，它可以使得复合管具有良好的耐腐蚀能力，而覆层则一般是碳钢，它的作用则大多是起构件作用和覆盖[3]不锈钢层，减少不锈钢受到外在的应力作用而变形。目前不锈管复合钢管多运输不利于管内壁（常常具有腐蚀性）的流体。而不锈钢复合管中的内壁恰恰就是拥有者耐腐蚀性的不锈钢材料。而外在的碳钢相对于不锈钢是十分低廉的产品，因此不锈钢复合管不仅可以大幅增加管道的耐腐蚀性[4]，又减少了不锈钢的使用量[56]，也因此降低了复合管的产品成本。基于以上的优点，使得不锈钢复合管得到了越来越多的应用。在复合钢管的生产方面存在着许许多多的制造方法。不锈钢复合管的制造工艺有很多，而其中最常用的复合方法有：热挤压法、冷成型法、焊接法[7]和离心铸造法[8]。
(1) 冷成型法。冷成型法是将不锈钢使用超过金属弹性极限[9]的力使不锈钢改变形状，然后将内层的模型旋转压进碳钢型模内，接着利用不锈钢的塑性变形，来达到让不锈钢附着在碳钢上的目的，最后通过机械方法进行再固定不锈钢，是不锈钢处于碳钢基线内这种方法的好处是不产生废料，但是对于焊接来说，两种金属之间没有粘合点[10]，很容易产生脱裂。
(2) 热挤压法。热挤压方法[11]是将金属加热到一定的温度使不锈钢和碳钢能够发生变形，然后对板状的不锈钢和碳钢进行弯曲，然后进行连接，于是便做出了内壁不锈钢外层碳钢的复合管，也可以是已经成型的单相管再堆叠一层管材，这种方法容易产生碳化和脱氧的加热缺陷，对于复合材料有一定的影响。
(3) 离心铸造法。离心铸造法[12]是在已经存在模具的情况下，将模具进行旋转，然后依次浇入金属液，金属液体由于受到离心力会紧贴外层结构。很容易能够获得双金属复合管，这种方法下的复合管异材连接可以达到晶界连接[67]，然而此种方法成本过高，在对不锈钢复合管使用时反而得不偿失。
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