背面免充氬保護劑焊接工藝探討

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摘要：管道焊接施工中，經常遇到返修焊口、與罐體設備連接口及“死口”不能有效充氬的情況，給焊接施工帶來一定難度。文中論述TP304，P91鋼管道免充氬保護劑打底焊接工藝難點，研究出免充氬保護劑的涂刷寬度、厚度及涂刷工藝，總結出合理焊接工藝參數、焊接技巧，對焊接工藝試驗試件進行無損檢測及理化試驗，得到合格的焊接接頭。

關鍵詞：TP304；P91；免充氬保護劑；工藝參數

當前，TP304，P91管道焊接為防止打底焊縫內表面氧化，通常采用在管道內部進行充氬保護。在罐體聯頭和長管道焊接時，充氬量相當大，部分管道的大小頭、三通、彎頭等存在充氬困難，特別是高空作業更不利于施工，直接影響焊接質量。焊接管道時，需建立一個保護氣體的氣室，傳統方法使用可膨脹的橡膠氣囊、橡膠墊，盡可能放置在離焊接點較近的位置。常用的氣室封堵因管道焊口位置的影響，有時安裝難度非常大，需要放置在距離焊口很遠的位置，甚至不能進行封堵。氣室封堵位置較遠時，焊接區域因此需要更多的氬氣，造成氣體的大量浪費。部分返修口、死口存在不能有效地進行充氬，因而影響焊接質量。

1研究內容

由于不銹鋼中的Cr，Ni，Al等合金元素與氧有很強的親和力，若不采取切實有效的焊縫保護措施，背面的焊縫金屬很容易在焊接過程中發生氧化，造成有益合金元素的燒損，導致焊接缺陷的產生，使焊接接頭的力學性能和耐蝕性能下降。在焊接施工過程中不能夠或不便于進行氬氣保護焊接時，需要考慮其他的焊接工藝，以保證焊縫質量。免充氬保護劑打底焊接工藝方法在管道焊接中有一定的應用價值，需要研究其焊接工藝與焊接施工方法。研究TP304，P91鋼管免充氬保護劑打底焊接工藝，文中總結焊接技術，研究免充氬保護劑的刷涂寬度、厚度、混合劑類型及混合比等刷涂工藝。研究免充氬保護劑實心焊絲手工鎢極氬弧焊打底焊接工藝，對打底焊的參數、成形進行試驗，對焊接工藝試驗件進行理化試驗。

2工藝試驗

2．1試驗材料。工藝試驗使用的母材、焊材及規格見表1，不銹鋼板主要用于免充氬焊接的初步試驗，便于觀察背面的焊接成形、保護及熔渣的變化情況。背面免充氬保護劑為適用于焊接不銹鋼、高鉻鉬合金的太陽牌TYPEB保護劑（自粘結型），保護劑粉末和丙酮的體積比例按照1∶1進行混合，攪拌成奶油狀的混合物，用干燥、清潔的刷子蘸取混合好的保護劑，涂刷在焊件背面。調好后的保護劑放置一段時間后，由于丙酮的揮發會變得黏稠，可以再次加入丙酮，攪拌成奶油狀后繼續使用。2．2板試件焊接試驗。板試件焊接試驗分別在2G，3G和4G位置下進行，試驗過程中發現2G位置保護劑保護效果明顯比3G，4G位置要好，2G位置焊接時上坡口邊緣的保護劑會隨著熔池下墜，在焊縫背面鋪開起到良好的保護效果。3G，4G位置焊接時保護劑不能充分鋪開，焊縫中心位置得不到良好的保護。在3G，4G位置焊接時保護劑的厚度要比2G位置時的厚，厚度應為3～4mm。根據試驗結果，板試件的組對間隙控制在3～4mm，保護劑的刷涂厚度3～4mm，焊接電流100A，電弧電壓10～11V，焊接速度45～60mm/min。觀察到保護劑對于焊縫背面保護效果較佳，焊縫背面成形較好，焊縫顏色呈銀白色，試驗對比工藝參數見表2。對打底成形較好的3對試件焊縫繼續進行填充蓋面焊。對完成的焊縫進行目視檢測及射線檢測，結果全部合格。板狀試樣進行背彎試驗，檢測結果無開口缺陷，檢測結果全部合格。2．3管試件焊接試驗。在板狀試件上，掌握了使用免充氬保護劑進行打底焊接的基本焊接工藝，管試件在5G位置立向上進行打底焊接試驗。試驗過程中焊縫接頭出現丙酮加入量過少、保護劑濃稠無法附著在管道內壁上。采取保護劑分2次進行涂刷，管試件的涂刷單邊寬度為5～6mm，厚度為3～4mm時焊接過程不易脫落，打底焊接時將保護劑涂抹在焊絲上使保護效果更充分。確定焊接工藝參數后，連續焊接5對試管，驗證焊接連續性。成形較好的焊接工藝參數見表3。在接頭焊接完成后，對焊縫背面的熔渣及多余的焊接保護劑進行清理，使用木棒在焊口及附近區域進行敲擊，使熔渣及保護劑脫落，P91鋼管接頭的敲擊應在焊后熱處理完成后進行。TP304，P91鋼管焊接接頭分別選取3對試件進行射線檢測，所有的試件全部達到射線Ⅰ級合格。試件焊接接頭的拉伸、背彎、面彎、宏觀檢測結果均合格，化學分析結果合格，見表4。焊縫金相組織的晶界均未見氧化和低熔點共晶產物形成的痕跡，金相組織合格，如圖1，2所示。TP304鋼管焊接接頭進行晶間腐蝕檢測，未見晶間腐蝕裂紋。P91鋼管焊接接頭硬度檢驗，母材硬度HB217，HB218，HB219，焊縫硬度HB257，HB261，HB266，均合格。

3試驗分析

3．1保護劑涂刷工藝對焊縫成形的影響。焊接前將管材內表面坡口兩側各≥30mm范圍內的油污、氧化皮等雜質清理干凈，并打磨，直至露出金屬光澤，以避免母材本身的雜質對焊縫產生不良的影響。保護劑涂刷厚度對焊縫背面保護效果規律如圖3所示。從圖3可見，保護劑的涂刷厚度在1mm時，焊縫背面易氧化，隨著保護劑的涂刷厚度增加，焊縫背面的保護成形逐漸變好，保護劑分2次進行涂刷，厚度達到4mm時保護效果較好［1］，當涂刷厚度超過4mm時，保護劑干裂，易脫落，焊縫成形較差，保護效果不佳。3．2組對間隙對焊縫成形的影響。焊接坡口的組對間隙是影響打底焊縫成形的重要因素，組對間隙為2mm時，焊縫并未完全焊透、成形不均勻，使得焊縫強度降低，造成焊縫區撕裂；組對間隙為3～4mm時，焊縫成形良好，背面余高為2～3mm；組對間隙為6mm時，熔池不穩定，焊縫成形不均勻，間隙大、焊接時熱輸入大，熱影響區韌性降低影響試件的強度。因此，組對間隙取3～4mm能得到良好的打底焊縫。3．3焊接電流對焊縫成形的影響。采用保護劑涂刷背面保護的焊接接頭，打底焊時的焊接電流比正常采用氬氣進行背面保護的焊接電流大5％～8％。焊接時的電流增大會促進焊縫熔池的鐵液流動性，減小熔池的表面張力，增大電流可以改善焊縫背面成形，當焊接電流為85～90A時焊縫成形最好。焊接電流大于100A時，焊縫成形不穩定，焊縫背面易氧化。

4結論

采用免充氬保護劑對TP304，P91鋼管進行焊接，保護劑可以改善焊縫質量，使焊縫背面不氧化，焊縫背面成形良好。焊接接頭的外觀、射線檢測、彎曲、宏觀、微觀、晶間腐蝕、化學成分等指標均符合相關標準要求。經試驗，背面免充氬保護劑焊接工藝可以用于實際生產，將有效解決充氬困難焊口、“死口”、返修焊口的打底焊接問題，縮短焊口充氬保護的準備時間，提高焊接生產效率，降低焊接施工成本，保證焊接接頭質量。

參考文獻：

［1］鄭祥超．不銹鋼背面保護劑焊接性研究［D］．甘肅蘭州：蘭州理工大學，2012．

作者:丁超 王璐 趙冠鵬 李根 孫翔 單位:中國核工業第五建設有限公司