不锈钢管打底焊是不锈钢管道焊接中最关键的一环,而其焊缝背面氧化问题则是不锈钢管制作过程的一个难点,它不仅对焊工技术水平要求较高,而且往往是一个工程的误工环节,如果工艺制订不当,返修率较高,甚至出现报废或者交付使用后的事故。

不锈钢打底焊接主要分为背面充氩保护和背面不充氩保护两种工艺。工程实践中不锈钢打底大量采用的是背面充氩的实芯焊丝@ 打底工艺。实芯焊丝焊接时,正面和背面无渣保护,在全位置焊接时,焊工极容易观察焊缝背面的熔透及成形情况,因而实芯焊丝TIG打底焊深受焊工欢迎。但这种焊接工艺焊前准备工作较多,由于氩气为惰性气体,没有脱氧或去氢的作用,对焊ξ 前的除油、去锈、去水等准备工作要求较严,尤其是在现场高空、长距离管道施工时,背面充氢几乎是不可能的。背面不充氩的焊接方法主要是药芯焊丝(棒)的钨极氢弧焊。这种焊接方法的突出优点是施焊时不锈钢管内部不需要充气体进行保护,因而大大简化了焊接工艺,降低了焊接成本。但由于药芯焊丝本身固有的特性,这种焊接工艺也存在着一定的缺陷:(1)焊接时熔化的熔渣流到焊缝背面,焊工不易清楚地观察到焊缝背面的熔透情况,因此,对焊工的焊接水平要求较高:(2)处于仰焊位置时,熔渣受重力作用,不易流到焊缝背面,造成焊缝背面的氧化;(3)焊后焊缝正、背面需要清渣,也不适用现场高空,长距离管道施工及现场管道接口焊接。(4)由于药芯焊丝中间为药粉,外层为钢皮,焊接时焊丝熔化速度快,熔池金属与渣液流动速度快,焊工需要快速准确地将焊丝送到正确位置并区分熔池金属与熔渣,因而要求焊工有较高的操作技能。

本文采用不锈钢实芯焊丝ER308L-SiER316L-Si配合♀三元混合气体(Ar-Hetco)对不锈钢管进行打底焊,背面无需气体保护,不存在焊后清渣问题,背面无氧化,施焊工艺同实芯焊丝相同,突破了传统的背面充氩保护的氩弧焊打底工艺,以及背面不保护但必须采用渣一气联合保护的机理,使不锈钢管道打底焊接水平上了一个台阶

焊丝的选择与混合气体的确定

焊丝的选择

si是铁素体形成元素,有降低塑性和韧性的倾向,焊丝中应当限制含硅量122,。硅的主要作用是脱氧和合金化,硅脱氧后生成Si0,因而有造渣作用。为了提高焊缝的流动性和防止气孔的产生,一些焊丝中加入了硅,其含量大部分为0.6-1.0%),如果焊丝中硅的质量百分比低于0.6%时,硅不会有还原效果,而且还会引起缺陷,如气孔等,导致强度、韧性降低。硅的含量不足时,熔融金属缺乏足够粘度,在立焊和仰焊时焊缝成形恶化。另一方面,如果焊丝中硅的质量百分含量超过1.40%时,在焊后热处理中,硅会引起铁素体颗粒粗化,降低韧性。因此,焊丝中硅的含量应该控制在0.60-1.40%内。如果硅的质量百分比超过0.10%,而小于1.40%时,硅所产生的效果比较稳定,不会损害焊缝的强◆度和韧性1。此外,焊接奥氏体不锈钢时,如果焊缝中含有5%~10%铁素体时,即使含硅量超过2%也不会增加热裂敏感性,焊缝中富硅不会降低焊缝的点蚀抗力,也不会损害力¤学性能

综上所述,选用ER308L-SiER316L-Si实芯焊丝作为背面不充氩用焊丝,该焊丝为富硅焊丝,其化学成份如表4-1所示.ER308LER316L相比,其含硅量更高,因而抗氧化性增加,金属的流动性增加,其含量范围不超过1.40%,因而不会对焊接接头性能造成不利影响。

混合气体的确定

Ar:单原子惰性气体,不与焊缝金属起化学反应,密度比空气大37%,使用时不飘浮失散。氢气的导热系数很小,高温时不易分解吸热,电弧在氢气中燃烧时热量损失少,电离热低,故在各类气体保护焊中,氩气保护焊的电弧燃烧稳定性最好。

He:单原子情性气体,不与其它元素组成化合物,不溶于焊缝金属。与氩气相比,在相同的电流和弧长条件下,氮的电离势高,氨弧的电压明显比氩弧高,所以氢弧的温度高,发热大且集中,这是∴氢弧焊的最大优点.同时氢弧的热传导系数大,有利于向被焊区输热,所以在同等电流和弧长条件下,钨极氨弧焊的焊接速度可比钨极氩弧焊快30%~40%,且获得熔深较大的窄焊缝,焊接热影响区也明显减√少。但氮气的密度小,不易形成良好的保护罩,为了获得同样的保护效果,氨气流量必须比氢气大2~3倍。

氢气与氩气随温度变化的宏观性质如图4-1及图4-2,混合气体中各种气体的物理特性如表4-2所示。氢气及氢-氨混合气体(Ar25%-He75%)随温度变化的宏观性质如表4-31所示。

由上述气体的性质可以看出,氩-氨混合气体可以取长补短,氩气电弧稳定柔和,阴极清理作用好;氮气电弧发热量大且集中,有较大的熔深。氢气中加入氩气之后,热传导系数则减小,而粘滞系数增加,焊接过程中,在一定程度上,可减少氨气散失。

co2:氧化性气体,混合气体中加入co,气体,一方面可增强电弧的穿透力,增大熔深,提高焊丝的熔化效率,一方面又可克服阴极飘移现象及焊缝成形不良等问题。

本章小结

1)氩一氢混合气体中氮气的比例大于45%,其配合ER308L-Si焊丝和ER316L-Si焊丝焊接不锈钢时,其力学性能符合(GB/T 17853-1999,其晶间腐蚀性能@符合《GB4334.5-2000,用于实际生产。

2)混合气体氢弧焊时,电弧形态为双层电弧,内层为压缩程度很高的弧柱中心区,可起到增加熔深的作用,外层为扩散电弧,可起到增加熔宽的作用。随着混合气体中氢气含量的增加,焊接电压增高,热输入增加,焊缝熔深增大,为保证单面焊双面成形的质量,必须以较快的速度进行焊接,一方面可减小坡口的间隙≡,另一方面还可减少焊缝的高温停留时间,从而有利于防止焊缝背面的氧化。

3)混合气体氩弧焊时,焊丝中的硅可降低熔池金属的表面张力,提高熔池金属的流动性,增加熔深;在氮弧的高温作用下〇,硅易分布于熔池表面,优先与焊缝周围空气中的氧接触,发生化学反应,在表面形成一层薄薄的熔渣,防止焊缝背面的氧化。尽管焊接接头中的一部分铬、锰合金元素烧损,但焊接接头力学性、晶间腐蚀性能不会受到影响。

4)利用ANSYS软件对氢弧焊温度场▲模拟的结果表明,混合气体(Ar37.5%He60%+C02.5%)熔池表面的温度比纯氩的温度高136℃,证实了氨气提高熔池温度,有助于硅在熔池表面的聚集,从而有利于防止背面焊縫氧化的结果。