異種鋼小直徑管斜45°固定加障礙焊接

楊軍軍，丁穎杰，宋玉強(qiáng)

異種鋼小直徑管斜45°固定加障礙焊接

楊軍軍1，丁穎杰1，宋玉強(qiáng)2

（1.南車四方車輛有限公司，山東青島266031；2.中國石油大學(xué)(華東)，山東青島266555）

從材料的規(guī)格及焊接性入手，分析異種鋼小直徑管斜45°固定加障礙焊接工藝所涉及的焊接方法、焊接材料、焊接設(shè)備的選擇，以及焊接參數(shù)的確定；擬定出合理的焊接工藝：打底焊、填充焊以及封面焊，根據(jù)障礙情況及操作難度，對每層焊縫進(jìn)行分段焊接；從焊前準(zhǔn)備、焊接操作、焊后檢驗(yàn)等角度詳細(xì)介紹該焊接工藝。

碳鋼；不銹鋼；斜45°固定；障礙；焊接工藝

0　前言

異種鋼小直徑管斜45°固定加障礙焊接是安裝工程中的技術(shù)難題，在石油化工行業(yè)、發(fā)電廠的管道安裝中以及在鐵路裝備制造中應(yīng)用十分廣泛，焊接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到安全生產(chǎn)。要解決這些技術(shù)難題，必須采取特殊且合理有效的工藝施焊，才能保證焊接合格率達(dá)到100％[1]。以“青島市第十三屆技能大賽”焊工實(shí)作試題為模型，制定了合理的小直徑管斜45°固定加障礙焊接工藝，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。其焊接模型如圖1所示。

1　試驗(yàn)材料和設(shè)備

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：碳鋼及不銹鋼，其規(guī)格如表1所示；焊條；焊絲；99.99％氬氣。

表1　碳鋼及不銹鋼規(guī)格Tab.1Specifications of carbon steel and stainless steel

1.2試驗(yàn)設(shè)備

逆變式TIG弧焊機(jī)、焊槍、打磨機(jī)、毛刷等。

2　焊接方法及焊接參數(shù)

2.1焊接性分析

Q235為低碳鋼，12Cr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，兩種成分、組織性能不同的金屬材料焊接時(shí)存在的問題比同種金屬焊接復(fù)雜很多。異種鋼接頭部位實(shí)質(zhì)上是成分與組織變化的過渡區(qū)，集中了各種矛盾[2]：焊縫化學(xué)成分稀釋；形成凝固過渡層、碳遷移過渡層；殘余應(yīng)力；奧氏體焊縫可能會(huì)形成延遲裂紋[3]，焊后一般不需要熱處理。在選擇焊接方法及焊接參數(shù)時(shí)必須考慮上述問題，以提高焊縫性能。

2.2焊接方法、焊接材料及焊接參數(shù)的選擇與確定

焊接方法要選擇熔合比小、稀釋率低的焊接方法，常用的有鎢極氬弧焊和焊條電弧焊等；焊接材料的選擇則要考慮焊接接頭使用要求、稀釋作用、碳遷移、殘余應(yīng)力及抗裂性等因素；焊接參數(shù)的選擇應(yīng)考慮小電流、高電壓、高焊速等。綜合各種因素，選擇的焊接方法、焊接材料及焊接參數(shù)如表2所示。

鎢極氬弧焊：垂直陡降外特性弧焊電源；直流正接；鈰鎢極，錐形端部，伸出長度5～6 mm。

圖1　焊接模型Fig.1Welding model

表2　焊接方法、焊接材料及參數(shù)Tab.2Welding methods and welding parameters

2.3焊縫空間位置的劃分

試驗(yàn)焊縫為斜45°固定圓周焊縫，按空間位置將焊縫劃分為仰焊縫、立焊縫及平焊縫。將焊縫比作一個(gè)“鐘表”，焊縫與“時(shí)間”對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2　焊縫空間分布Fig.2Spatial distribution of weld

3　管對接斜45°固定加障礙焊接工藝

3.1焊接準(zhǔn)備

（1）坡口加工。焊接接頭形狀主要是保證焊接接頭最薄弱的位置不存在較大的應(yīng)力集中[4]，因此對薄壁小管異種鋼施焊時(shí)必須采用適當(dāng)?shù)钠驴谛问?；碳鋼及不銹鋼的坡口形狀及尺寸如圖3所示。

圖3　坡口形狀及尺寸Fig.3Shape and size of groove

（2）焊前清理。將坡口表面及其20 mm范圍內(nèi)的鐵銹、水分、油污等雜質(zhì)清理干凈，如圖4所示。

圖4　焊前清理Fig.4Preweld cleaning

（3）管件對接。管件在焊接之前先進(jìn)行點(diǎn)固焊定位對接，所采用的焊接方法、焊接材料與正式焊接相同；對接定位焊點(diǎn)數(shù)不得超過兩處，每段長度小于等于10 mm，且定位焊不得在6點(diǎn)和12點(diǎn)位置；定位點(diǎn)固焊在2點(diǎn)和10點(diǎn)的位置。

（4）管內(nèi)保護(hù)：用鋁箔紙將對接好的管件兩端密封好；在不銹鋼管側(cè)，氬氣管通入兩端密封好的對接管，如圖5所示；管內(nèi)保護(hù)，氬氣氣體流量5L/min。

（5）管件裝配。按照圖1所示的模型對管件進(jìn)行裝配；上下兩根障礙管距離對接管件的距離都為30 mm；障礙管與對接管保持一條直線，如圖6所示。

3.2打底焊

打底焊采用兩半圓自下而上焊接，12點(diǎn)是終點(diǎn)焊位置；根據(jù)障礙情況、操作位置、習(xí)慣等因素，需要分段焊接，如圖7所示。焊接前按照表2中的焊接參數(shù)調(diào)整好焊接電流和氣體流量。打底焊的其他參數(shù)情況：焊接速度根據(jù)熔池的大小決定，焊速均勻；鎢極左右擺動(dòng)幅度0.5 mm，焊縫高度2 mm；焊接過程中，焊槍與管件軸線保持垂直，與焊縫表面夾角75°～85°，如圖8所示。每段焊縫的具體操作要點(diǎn)如下：

圖5　管內(nèi)氬氣保護(hù)Fig.5Tube argon protection

圖6　管件裝配Fig.6Pipe assembly

圖7　打底焊焊縫分段Fig.7Backing weld segmentation

（1）第一段焊縫。焊槍前傾，在5點(diǎn)位置起弧，待形成熔孔后開始添加焊絲，沿順時(shí)針方向焊接，在7點(diǎn)位置形成熔孔后熄弧，如圖9所示，熄弧后氣體保護(hù)延時(shí)3～5 s；由于此段焊縫處于仰焊位置，并且是單面焊雙面成形，因此采用內(nèi)填絲添加焊絲，如圖8所示；焊絲要深入熔池內(nèi)，保證背面焊縫成形，但不能與鎢極碰撞，以防夾鎢。

圖8　焊槍角度關(guān)系及內(nèi)填絲Fig.8Torch angle relations and internal filler wire

圖9　打底焊第一段焊縫效果Fig.9Effect of the first paragraph seam of backing weld

（2）第二段焊縫。焊槍后傾，在7點(diǎn)位置倒退約3 mm位置起弧，順時(shí)針方向焊接，待電弧移動(dòng)至第一段焊縫末端熔孔時(shí)添加焊絲，以保證接頭平整、熔合良好；在9點(diǎn)位置形成熔孔后熄弧，熄弧后氣體保護(hù)延時(shí)3～5 s；此段焊縫位于立焊下半段，仍然采用內(nèi)填絲方法添加焊絲。

（3）第三段焊縫。9點(diǎn)位置至11點(diǎn)位置，起弧、熄弧方法與第二段焊縫焊接相同；與第二段焊縫不同的是：焊槍前傾，采用外填絲方法添加焊絲。

（4）第四段焊縫。11點(diǎn)位置至12點(diǎn)位置，平焊位置；操作要點(diǎn)與（3）相同。

（5）第五段焊縫。焊槍前傾，5點(diǎn)位置倒退3 mm處起弧，逆時(shí)針方向焊接，待電弧移至熔孔后添加焊絲，在3點(diǎn)位置形成熔孔后息弧，氣體保護(hù)延時(shí)3～5 s；位于立焊位置下半段，焊縫左半圈已焊接完，采用外填絲方法添加焊絲。

（6）第六段焊縫。焊槍前傾，3點(diǎn)位置倒退3 mm處引弧，逆時(shí)針方向焊接，待電弧移至熔孔后添加焊絲，在1點(diǎn)位置形成熔孔后熄弧，氣體保護(hù)延時(shí)3～5 s；位于立焊位置上半段，采用外填絲方法添加焊絲。

（7）第七段焊縫。焊槍前傾，1點(diǎn)位置倒退3 mm處引弧，逆時(shí)針方向焊接，電弧移至熔孔后添加焊絲，在12點(diǎn)后壓住第四段焊縫3～5 mm處熄弧，氣體保護(hù)延時(shí)3～5 s；位于平焊位置，采用外填絲方法添加焊絲。

3.3填充焊

填充焊同樣采用兩半圓自下而上焊接，12點(diǎn)是終點(diǎn)焊位置；按照鐘表對應(yīng)關(guān)系將第二層焊縫分為六段焊縫，如圖10所示。

圖10　填充焊焊縫分段Fig.10Filled weld segmentation

將焊接電流調(diào)至82 A，1～4段焊縫順時(shí)針方向焊接，5～6段焊縫逆時(shí)針方向焊接，每段焊縫的起弧、熄弧、焊槍與管件軸線及焊縫表面的角度、焊縫高度等操作要點(diǎn)與打底焊相同。

填充焊與打底焊的區(qū)別：（1）鎢極擺動(dòng)幅度大小。打底焊0.5 mm，填充焊2 mm；（2）起弧時(shí)不再形成熔孔，形成熔池后再添加焊絲，全部采用外填絲方法；（3）填絲速度要快，不易被氧化。

3.4封面焊

封面焊同樣采用兩半圓自下而上焊接，12點(diǎn)為終焊點(diǎn)位置，根據(jù)“時(shí)間”對應(yīng)關(guān)系，將焊縫分成兩段，如圖11所示；焊條電弧焊過程中，焊條左右擺動(dòng)幅度2 mm，焊后余高小于等于2 mm；焊接之前將填充焊焊縫清理干凈，后續(xù)的焊接熱可以起到保證預(yù)熱溫度的作用，此時(shí)要特別注意層間溫度的控制[5]。

圖11　封面焊焊縫分段Fig.11Cover weld segmentation

將焊接電流調(diào)至74 A，封面焊采用短弧焊；起弧后稍作停頓，形成熔池后停弧，而后在停弧位置1/3處再起弧進(jìn)行焊接，周而復(fù)始最終形成整條焊縫。焊接過程中，焊條與鋼管軸線保持垂直，焊條與低碳鋼母材夾角不能太小，以防焊縫與低碳鋼側(cè)未熔合[6]，焊條與焊縫位置關(guān)系如圖12所示。

圖12　封面焊焊條與焊縫位置關(guān)系Fig.12Positional relationship between the electrode and the weld of cover weld

（1）第一段焊縫。在5點(diǎn)位置起弧，沿順時(shí)針方向焊接，12點(diǎn)位置熄?。淮硕魏缚p包含了仰焊、立焊及平焊位置。

（2）第二段焊縫。在5點(diǎn)位置倒退3 mm處起弧，沿逆時(shí)針方向焊接，焊至12點(diǎn)位置時(shí)繼續(xù)焊接，壓住第一段焊縫5～6 mm處熄弧；包含立焊和平焊位置。焊接完成后，將焊縫表面熔渣清理干凈，管對接各層焊縫效果如圖13所示。

圖13　管對接各層焊縫Fig.13Effect of each seam

4　焊接檢驗(yàn)

（1）外觀檢查。焊縫表面未出現(xiàn)咬邊、未熔合、夾雜等缺陷；焊縫背面成形良好。

（2）無損檢測。進(jìn)行X射線衍射拍片，焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。

（3）斷口檢驗(yàn)。在對接環(huán)形焊縫中心處切割深0.5 mm的槽，然后將其壓斷；觀察斷口處的形貌；檢查是否出現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合等缺陷；斷口檢驗(yàn)的照片如圖14所示。通過斷口檢驗(yàn)，焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合等缺陷。

圖14　斷口檢驗(yàn)照片F(xiàn)ig.14Fracture test photo

5　結(jié)論

（1）制定了合理的異種鋼小直徑管斜45°固定加障礙焊接焊接工藝，采用打底焊、填充焊及封面焊，每層焊縫分段焊接。

（2）焊縫成形良好，無咬邊、未熔合及夾渣等缺陷；無損檢測，焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷；斷口檢驗(yàn)，未出現(xiàn)氣孔、裂紋及未融合等缺陷。

（3）解決工程實(shí)際中的技術(shù)難題；在企業(yè)技師培訓(xùn)及學(xué)生實(shí)訓(xùn)中評(píng)價(jià)較高。

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Welding of dissimilar steel pipes of small diameter fixed 45°with obstacle

YANG Junjun1，DING Yingjie1，SONG Yuqiang2
（1.CSRSifangCo.，Ltd.，Qingdao 266031，China；2.ChinaUniversityofPetroleum（EastChina），Qingdao266031，China）

This paper obtains from the material specifications and weldability，and analyzes the selection method about welding methods，welding materials，welding equipment of dissimilar steel pipes of small diameter fixed 45°with obstacle，and also determines the welding parameters.Works out the reasonable welding technology：backing welding，filler and cover welding，according to the obstacles conditions and the difficulty of operating，piecewise welding seam on each floor.Analyzes the weld technology from welding preparation，welding operation and welded inspection etc in detail.

carbon steel；stainless steel；fixed of oblique 45°；barriers；welding technology

TG457.11

B

1001－2303（2016）01－0087-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.21

2015－01－23；

2015－04－16

楊軍軍（1988—），男，山西襄汾人，碩士，主要從事焊接工藝方面的研究工作。