本发明专利技术公开了一种异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法。该发明专利技术通过埋弧增材制造打印设备进行增材制造，焊接效率高达8kg/h，并且打印工件尺寸越大，效率反而提高(每道次的间隔时间减小)，埋弧焊剂保护下的组织均匀，无气孔夹渣等焊接缺陷。通过颈部补强提高法兰的承载和变形能力；法兰颈部和加长管两者皆采用低碳微合金钢体系，但是变材料成分设计，保证质量的同时降低成本；法兰无加长管长度限制。本发明专利技术实例中的增材制造带颈法兰可承受长时间工作压力高达12MPa～18MPa，抗挤压强度高达600MPa。压强度高达600MPa。压强度高达600MPa。
【技术实现步骤摘要】
异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法
[0001]本专利技术属于油气输送用法兰制造领域，涉及一种异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法。
技术介绍
[0002]在油气输送领域法兰的主要作用是良好的密封，以及承上启下的连接。带颈对焊法兰不易变形，密封好，应用广泛，有相应的刚性与弹性要求和合理的对焊减薄过渡，可用于连接工作压力超过10兆帕的管道。
[0003]但是针对大口径管线钢管全尺寸试验，试验设备中厚壁带颈法兰不仅用于连接试验管段，而且本身也要承受高达高强管线钢屈服极限的应力。由于目前国内对焊法兰多采用自由锻和模锻的制造方法，法兰本身未考虑承受载荷的能力，导致全尺寸试验中出现多次由于法兰失效进而试验失败的情况。
[0004]电弧增材制造技术以电弧为载能束，热输入高，沉积效率高、成形速度快，材料利用率高、适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。另外，该方法的优势就在于工序简单，能够实现直接面对客户的需求制造，极大缩短研发周期，特别适用于小批量，特殊环境用法兰产品的生产制造。苏州热工研究院提出了采用CMT焊接系统进行法兰件的电弧增材制造方法(专利申请号CN20170695231.2)，其在基板上由内向外以螺旋路径完成多层多道次的堆积完成法兰件底面和下颈部的打印，在下颈部上以环形路径完成多层单道次的堆积完成法兰颈的上颈部的制造。该方法采用CMT电源进行增材制造，焊丝直径在0.8～1.2mm。CMT增材制造是电弧增材制造中应用最广的焊接工艺，但是其生产效率较低，，不适用于油气田领域大型承力厚壁法兰的打印。另外CMT为气体保护焊接方式，不可避免的出现气孔等缺陷，严重影响承力法兰的承载能力。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，以解决现有技术中制备出的高强带颈对焊法兰承载能力低的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，包括以下步骤：根据法兰待连接管的材料选择法兰底盘的打印丝材、法兰颈部的打印丝材，以及加长管的打印丝材；根据打印丝材的力学性能计算补强方法，然后校核目标带颈对焊法兰的承压能力，建立增材打印的目标带颈对焊法兰模型；分解目标带颈对焊法兰模型的结构，依据分解的结果分块打印带颈对焊法兰；根据埋弧增材制造工艺，制定增材制造的分层切片和增材工艺参数进行增材制造；增材制造获得的整个工件进行热处理及二次加工、无损探伤、螺栓孔加工和吊耳焊接、验收，所述带颈对焊法兰制备完成。
[0008]本专利技术的进一步改进在于：
[0009]优选的，以质量分数计，所述法兰底盘、法兰颈部和加长管使用丝材的成分为：C：≤0.1％；Si：≤0.5％；Mn：≤2.0％；P≤0.01％；S≤0.02％；Nb+V+Ti:≤0.5％；Ni：≤0.5％；Mo：≤0.5％；Cr：≤0.45％；其余为Fe；
[0010]其中法兰底盘使用焊丝的抗拉强度≥360MPa，所述法兰颈部和加长管使用焊丝的抗拉强度≥550MPa；
[0011]所述法兰底盘、法兰颈部和加长管使用丝材的成分体系和待连接管的成分体系一致。
[0012]优选的，利用有限元软件计算带颈对焊法兰的颈部补强方法、补强量以及变壁厚设计加长管长度，并计算验证带颈对焊法兰的承压能力满足工况要求，建立增材打印的对焊法兰模型；
[0013]增材打印设备为埋弧增材制造平台，所述埋弧增材制造平台包括埋弧焊机、焊枪、旋转工作平台、自动铺设和吸收焊剂装置、焊渣清除装置，以及温度监测装置。
[0014]优选的，所述带颈对焊法兰的打印步骤依次为：(a)首先用埋弧焊丝完成法兰底盘的打印；然后对法兰底盘进行二次加工；(b)将法兰底盘作为基板，在法兰底盘上用法兰颈部的打印材料打印法兰颈部和加长管。
[0015]优选的，所述埋弧增材制造时焊剂由CaO、MgO、CaF2、MnO和SiO2混合制成，所述焊剂的粒度为40目～60目；
[0016]打印过程中，焊剂自动铺设装置和焊丝为同轴设置，按照焊枪的运动轨迹进行埋弧焊剂的铺设，焊剂的铺设宽度应至少保证三个焊道的埋敷；
[0017]所述焊剂铺设宽度≥50mm，焊剂铺设高度为25mm～35mm。
[0018]优选的，所述埋弧增材制造切片厚度为2mm～4mm，所述焊丝的干伸长为25mm
±
4mm。
[0019]优选的，所述法兰底盘的打印过程为：
[0020](a)采用同法兰底盘同钢级的钢板作为打印基材，打印前对钢板进行预热，预热温度在150℃～200℃；
[0021](b)将法兰底盘立起来，从法兰底盘的宽度最窄处开始竖直打印，逐层增加长度；
[0022]打印过程的过程为：埋弧增材的电压为28～30V，电流为500～600A，送丝速度为600mm/min，搭接宽度大于8mm；打印过程中焊枪的行走轨迹为直线，按照行走路径从起弧位置运行到位后收弧，焊枪再次行走至原点后，再次引弧打印，左右引弧和收弧长度二次加工时切除，切除长度大于6mm，；在焊枪再次进行焊接前对前一焊道的温度进行检测，保证层间温度在150℃～170℃，当温度超出该范围时，通过冷却装置喷淋水雾对打印底盘进行降温。
[0023]优选的，法兰颈部和加长管的打印过程为：(a)对打印法兰底盘进行二次加工，切除基板、引弧和收弧区域，加工精度为
±
1.0mm；在打印前用酒精进行清洗，烘干并预热至150
°
进行法兰颈部的打印；(b)重新定位，制定打印路径，法兰颈部打印时，工装台旋转，焊枪不动，根据打印要求逐层减少打印法兰颈部的补强厚度，然后保持恒定厚度进行加长管的打印；
[0024]法兰颈部和加长管的埋弧增材制造打印参数为：(a)埋弧增材的电压为30～32V，电流为500～600A，送丝速度为550mm/min，搭接宽度大于8mm；(b)焊枪固定，旋转工作平台旋转，由圆环外部向内部，行走轨迹为圆弧，打印过程层间温度为150℃～170℃，若打印温
度超过所述层间温度的范围，通过冷却装置喷淋水雾对打印底盘进行降温；停弧后再次起弧位置应距上次起弧位置大于100mm。
[0025]优选的，所述高强带颈对焊法兰打印完成后对，对高强带颈对焊法兰进行整体消除应力热处理，热处理温度在600～640℃，保温两个小时，然后对加长管进行二次加工，并对法兰底盘和法兰颈部进行射线和超声探伤。
[0026]优选的，加工带颈对焊法兰的螺栓孔，焊接吊耳，进行尺寸验收。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0028]本专利技术公开了一种异种金属材料复合的带颈对焊法兰的电弧增材制造方法。该专利技术通过埋弧增材制造打印设备进行增材制造，焊接效率高达8kg/h，并且打印工件尺寸越大，效率越高(每道次的间隔时间减小)。埋弧焊剂保护下的组织均本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：根据法兰待连接管的材料选择法兰底盘(2)的打印丝材、法兰颈部(3)的打印丝材，以及加长管(4)的打印丝材；根据打印丝材的力学性能计算补强方法，然后校核目标带颈对焊法兰的承压能力，建立增材打印的目标带颈对焊法兰模型；分解目标带颈对焊法兰模型的结构，依据分解的结果分块打印带颈对焊法兰；根据埋弧增材制造工艺，制定增材制造的分层切片和增材工艺参数进行增材制造；增材制造获得的整个工件进行热处理及二次加工、无损探伤、螺栓孔加工和吊耳焊接、验收，所述带颈对焊法兰制备完成。2.根据权利要求1所述的异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，以质量分数计，所述法兰底盘(2)、法兰颈部(3)和加长管(4)使用丝材的成分为：C：≤0.1％；Si：≤0.5％；Mn：≤2.0％；P≤0.01％；S≤0.02％；Nb+V+Ti:≤0.5％；Ni：≤0.5％；Mo：≤0.5％；Cr：≤0.45％；其余为Fe；其中法兰底盘(2)使用焊丝的抗拉强度≥360MPa，所述法兰颈部(3)和加长管(4)使用焊丝的抗拉强度≥550MPa；所述法兰底盘(2)、法兰颈部(3)和加长管(4)使用丝材的成分体系和待连接管的成分体系一致。3.根据权利要求1所述的异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，利用有限元软件计算带颈对焊法兰的颈部补强方法、补强量以及变壁厚设计加长管长度，并计算验证带颈对焊法兰的承压能力满足工况要求，建立增材打印的对焊法兰模型；增材打印设备为埋弧增材制造平台，所述埋弧增材制造平台包括埋弧焊机、焊枪、旋转工作平台、自动铺设和吸收焊剂装置、焊渣清除装置，以及温度监测装置。4.根据权利要求1所述的异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，所述带颈对焊法兰的打印步骤依次为：(a)首先用埋弧焊丝完成法兰底盘(2)的打印；然后对法兰底盘(2)进行二次加工；(b)将法兰底盘(2)作为基板，在法兰底盘(2)上用法兰颈部(3)的打印材料打印法兰颈部(3)和加长管(4)。5.根据权利要求1所述的异种金属材料复合高强带颈对焊法兰的埋弧增材制造方法，其特征在于，所述埋弧增材制造时焊剂由CaO、MgO、CaF2、MnO和SiO2混合制成，所述焊剂的粒度为40目～60目；打印过程中，焊剂自动铺设装置和焊丝为同轴设置，按照焊枪的运动轨迹进行埋弧焊剂的铺设，焊剂的铺设宽度应至少保证三个焊道的埋敷；所述焊剂铺设宽度≥50mm，焊剂铺设高度为25mm～35mm。6.根据权利要求1所述的异种金属材料复合高强带颈对焊法...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡美娟，吉玲康，池强，陈宏远，马秋荣，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：
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