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厚壁不銹鋼管的水平固定焊

日期:2019-05-20

不銹鋼管具有較強的耐腐蝕性,常應用于具有腐蝕性介質的輸送管道中,對焊接接頭的質量要求很高,內表面要求成形良好,焊接難度較高,并且容易產生一些缺陷。在大管道焊接中采用TIG、MAG聯焊工藝,既可以有效的防止焊接缺陷,又能保證焊接質量,提高焊接生產效率。

不銹鋼管是一種中空的長條鋼材,大量用作輸送流體的管道,如石油、天燃氣、水、煤氣、蒸氣等。不銹鋼管在抗彎、抗扭強度相同時,重量較輕,廣泛用于制造機械零件和工程結構,也常用作生產各種常規武器、槍管、炮彈等。對于承受流體壓力的鋼管需要較厚的管壁,都要進行液壓試驗來檢驗其耐壓能力和質量,在規定的壓力下不發生泄漏、浸濕或膨脹。

       不銹鋼管分為無縫和有縫,無縫不銹鋼管也稱不銹鋼無縫管,是用鋼錠或實心管坯經穿孔制成毛管,然后經熱軋、冷軋或冷撥制成。無縫鋼管的規格用外徑×壁厚毫米數表示。常用的有1Cr18Ni9Ti不銹鋼管,下面以直徑Ф159mm×12mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼管為例介紹其水平固定焊接方法。

       1 焊接分析

       1.1Cr18Ni9Ti不銹鋼Ф159mm×12mm 大管水平固定對接接頭主要用于核電設備及某些化工設備中需要耐熱耐酸的管道中,焊接難度較高,對焊接接頭質量要求很高,內表面要求成形良好,凸起適中,不內凹,焊后要求PT、RT檢驗。以往均采用TIG焊或手工電弧焊,前者效率低、成本高,后者質量難以保證且效率低。為了既保證質量又提高效率,采用TIG內、外填絲法焊底層,MAG焊填充及蓋面層,使質量和效率都得到保證。

       1.2 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼熱膨脹率、導電率均與碳鋼及低合金鋼的差別較大,且熔池流動性差,成形較差,特別在全位置焊接時更突出。以往對MAG(Ar+1%~2%O2)焊不銹鋼,一般只用于平焊及平角焊。在MAG焊過程中,焊絲伸出長度必須小于10mm,焊槍擺動幅度、頻率、速度及邊緣停留時間配合適當,動作協調一致,隨時調整焊槍角度,使焊縫表面邊緣熔合整齊、成形美觀,以保證填充及蓋面層質量。

       2 焊接方法 

       材質為1Cr18Ni9Ti,管件規格為Ф159mm×12mm,采用手工鎢極氬弧焊打底,混合氣體(CO2+Ar)保護焊填充及蓋面焊,立向上的水平固定全位置焊接。

3 焊前準備

       3.1 清理油、污物,將坡口面及周圍10mm內修磨出金屬光澤。

       3.2 檢查水、電、氣路是否暢通,設備及附件應狀態良好。

       3.3按尺寸進行裝配,定位焊采用肋板固定(2點、7點、11點為肋板固定)見圖1,也可采用坡口內定位焊,但必須注意定位焊質量。

       3.4管內充氬氣保護。

       3.5管子裝配。鈍邊p=0.5mm,間隙b=3.5~4mm。

4 TIG焊工藝

       4.1焊接參數

       采用Ф2.5mm的WCe-20鎢極,鎢極伸出長度4~6mm,不預熱,噴嘴直徑12mm。  

焊絲

焊絲直徑d/mm

焊接電流I/A

電弧電壓U/V

氣體流量L/min

Ar純度(%)

極性

TCS-308L

2.5

80~90

12~14

正面9~12

背面9~30

99.99

直流正接

       4.2 操作方法

     (1)管子對接水平固定焊縫是全位置焊接。因此焊接難度較大,為防止仰焊內部焊縫內凹,打底層采用仰焊部位(六點兩側各60°)內填絲,立、平焊部位外填絲法進行施焊。

     (2)引弧前應先在管內充氬氣將管內空氣置換干凈后再進行焊接,焊接過程中焊絲不能與鎢極接觸或直接深入電弧的弧柱區,否則會造成焊縫夾鎢和破壞電弧穩定,焊絲端部不得抽離保護區,以避免氧化影響質量。

     (3)由過6點5mm處起焊,無論什么位置的焊接,鎢極都要垂直于管子的軸心,這樣能更好地控制熔池的大小,而且可使噴嘴均勻地保護熔池不被氧化。

     (4)焊接時鎢極端部離焊件距離2mm左右,焊絲要順著坡口沿著管子的切點送到熔池的前端,利用熔池的高溫將焊絲熔化。電弧引燃后,在坡口一端預熱,待金屬熔化后立即送第一滴焊絲熔化金屬,然后電弧擺到坡口另一端,給送第二滴焊絲熔化金屬,使二滴鐵水連接形成焊縫的根基,然后電弧作橫向擺動,兩邊稍作停留,焊絲均勻地、斷續地送進熔池向前施焊。

     (5)在填絲過程中切勿擾亂氬氣氣流,停弧時注意氬氣保護熔池,防止焊縫氧化。焊后半圈時,電弧熔化前半圈仰焊部位,待出現熔孔時給送焊絲,前兩滴可以多給點焊絲,避免接頭內凹,過后按正常焊接。

     (6)12點收尾處打磨成斜坡狀,焊至斜坡時,暫停給絲,用電弧把斜坡處熔化成熔孔,最后收口。注意,當焊到后半圈剩余1/3時應減小內部保護氣體流量到3 L/min,以防止氣壓過大而使焊縫內凹。

       4.3 常見缺陷的產生原因及預防

     (1)未焊透:焊接電流小,根部間隙小,焊接速度過快、焊槍角度不正常等均易產生未焊透的缺陷。根部間隙≥3.5mm,合適的焊接電流和正確調整焊槍角度就可避免產生未焊透。

     (2)氧化嚴重:不銹鋼防銹的機理是合金元素形成致密氧化膜,隔絕氧接觸,阻止繼續氧化,并不是“不生銹”。打底焊時,管內充氬裝置未能起到良好的保護作用,焊縫背面將氧化;焊接過程中對熔池及焊絲端頭保護不良,或焊絲表面有氧化雜質也會發生氧化。在焊接過程中,應當采取適當的措施,使充氬裝置盡可能與管子組對嚴密,不能留有間隙,管子的間隙用耐高溫錫油紙貼上,避免焊縫金屬氧化。

     (3)夾渣、夾鎢:焊接過程中,若焊絲端頭在高溫過程中脫離了氬氣保護區,在空氣中被氧化,當再次焊接時被氧化的焊絲端頭未清理,又送入熔池中,在斷口試驗中判為夾渣;若鎢極長度伸出量過大,焊槍動作不穩定,鎢極與焊絲或鎢極與熔池相碰后,又未終止焊接,從而造成夾鎢。因管子呈圓形,焊槍、送絲角度要隨時變化,所以手法一定要“穩、準、快”,“穩”就是焊槍、焊絲保持穩定,“準”就是焊絲送進均勻,“快”就是焊槍、焊絲的移動和角度變化要及時,這樣就可以避免夾渣、夾鎢的現象。  

    (4)內凹:裝配間隙過小,焊接過程中焊槍擺動幅度大,致使電弧熱量不能集中于根部,產生了背面焊縫低于試件表面的內凹現象。電弧熱量盡量集中于根部,仰焊部位多給點焊絲可避免內凹。 

5 MAG焊工藝  

       5.1 焊接參數     

       噴嘴直徑20mm,噴嘴至試件距離6~8mm,層間溫度≤150℃。焊縫厚度13mm。 

MAG焊工藝參數

焊絲

牌號

焊絲直徑d/mm

焊接電流I/A

電弧電壓U/V

保護氣體

氣體流量L/min

極性

KMS-308L

1.0

100~110

17~19

正面75%Ar+25%CO2

背面Ar

9~12

9~30

直流

正接

 5.2 操作方法   

      (1)焊前注意噴嘴、導電嘴是否清理干凈,氣體流量的大小是否合適,清理打底層表面,控制層間溫度。

      (2)因填充、蓋面層用氣體保護焊,焊絲伸出的長度對焊接過程的穩定性影響較大。焊絲伸出長度越長,焊絲電阻值增大,焊絲過熱而成段熔化,導致焊接過程不穩定,金屬飛濺嚴重,焊縫成形不良,對熔池的保護不好;焊絲伸出長度過短,則焊接電流增大,噴嘴與工件的距離縮短,焊接視線不清,焊道成形不良,同時還會使噴嘴過熱,造成飛濺物粘住或堵塞噴嘴,從而影響氣體流量。

     (3)焊接時,焊槍角度要跟管子軸線垂直,因為管子是圓的,所以焊槍角度要隨時變化,這樣才能保證焊縫質量,避免焊縫產生氣孔、夾渣等現象。焊接時采用小月牙形擺動,兩側稍作停留穩弧,中間速度稍快,這樣可以避免焊縫凸起、不平整;上、下接頭都要越過中心線5~10mm,后半圈填充、蓋面仰焊接頭時,可把前半圈引弧焊接位置磨一個緩坡,使后半圈接頭時不致于產生缺陷;填充時,要注意坡口邊緣不要被電弧擦傷,以備蓋面層焊接。蓋面時,應在坡口邊緣稍作停頓,以保證熔池與坡口更好地熔合,焊接過程中,焊槍的擺動幅度和頻率要相適應,以保證蓋面層焊縫表面尺寸和邊緣熔合良好、整齊。  

      5.3 常見缺陷的產生原因及預防   

    (1)氧化:MAG線能量較大,層間溫度較高,或焊絲表面有氧化物雜質,都會導致氧化。焊前清理干凈,控制層溫和用較小的線能量,避免氧化。 

    (2)夾渣:焊槍角度不正確,或兩邊停留時間不夠,容易產生夾渣。  

      5.4 混合氣體      

      Ar+1%~2%O2適用于平焊及平角焊,而全位置焊縫成形很差,全部在坡口中間呈凸起狀,特別是在仰焊位置更為嚴重,甚至使下一層無法進行焊接,但在保護氣中加一定量的CO2后情況有所改善,經過多次調整試驗,證實Ar中加入18%~25%的CO2較為合適,最后選用75%Ar+25%CO2,筆者認為CO2多點可以起到冷卻作用,從而使焊縫不至于凸起,達到成形良好的效果。 

     5.5 焊后檢驗      

     焊接完成后,先進行外觀檢驗,細致觀察焊縫的表面情況,合格后再進行無損探傷檢驗及力學性能檢驗。   

    本文在不銹鋼大管水平固定焊時采用TIG、MAG聯焊工藝,首先利用TIG焊電弧穩定、控制性好、質量優的特點進行底層焊接,再用MAG焊進行全位置填充及蓋面層焊接,既保證了焊縫的質量,又提高了焊接效率,從而提高了生產效益,值得在石油化工等行業的不銹鋼大管對接焊中推廣使用。


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