304N2不銹鋼管全位置A-TIG焊接工藝

劉觀輝 ，易耀勇 ，劉美華 ，張宇鵬 ，羅子藝 ，許 磊

（1.中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083；2.廣東省工業技術研究院焊接技術研究所，廣東 廣州 510650）

0 前言

在安裝核電站發電機組管道時，傳統焊接方法存在15%～30%的焊接缺陷，即使運用全自動焊接方法也不可避免地會產生缺陷[1]。由于在焊接過程中，不同空間位置的熔池液態金屬受力不同，難以控制焊接參數和焊炬姿態，熔池與焊縫的成形也很難把握[2]。因此，通過改善或者開發一種新型的焊接工藝，以獲得高質量的焊接接頭，尤其是在管道全位置TIG焊接中，這個問題一直以來都是管道全位置焊接過程中亟需解決的重要問題[3-4]。

目前，國際上致力于活性劑材料研究的三大焊接研究所(烏克蘭巴頓焊接研究所、美國愛迪生焊接研究所和英國焊接研究所)在活性劑增加焊接熔深機理和焊接工藝方面獲得很大成功，他們已將A-TIG焊應用于核電管道的焊接[5]。然而，在國內目前只有少數企業和高校在該領域進行研究，如蘭州理工大學、哈爾濱工業大學等，通過研究焊縫熔深機理，制備了匹配多種母材的活性劑，并對A-TIG焊接技術與其他技術的結合進行了初步探索[6-8]，但是在焊接規范、焊接前后處理工藝及對實際常用材料A-TIG焊工藝參數方面[9]，還需要做更加深入的研究。其中，在核電管道全位置A-TIG焊方面尤為欠缺。因此，本研究采用活性TIG焊技術對核電常用304N2高強度不銹鋼管道進行了全位置焊接，并對不銹鋼管道全位置焊接工藝進行研究。

1 試驗方法及焊接參數

焊接材料為3 0 4 N 2不銹鋼鋼管，規格φ1 5 9 m m×6 m m。焊接前將管道對接端面切平，無間隙對中、夾緊、點固，然后用砂輪和砂紙打磨定位焊固定好的不銹鋼管道表面。用丙酮擦拭工件表面以除去表面油污。將準備好的不銹鋼管道固定在焊接平臺上，用紙板封住待焊管道兩個端口，只在其中一個端口留下一個用于通A r氣的小孔，在焊接過程中對焊縫背面進行純氬氣保護。

試驗采用的焊接設備是烏克蘭巴頓焊接研究所研發的新型A-T I G焊接設備E x p e r i m e n t a l S y s t e m f o r A-T I GWe l d i n g A D3 9 3 C N，不銹鋼活性劑也由該研究所提供。安裝固定好不銹鋼鋼管后，用丙酮將活性劑攪拌成糊狀，再用扁平毛刷將糊狀活性劑均勻地涂敷在對接工件待焊區域，涂敷寬度約為1 5～2 0 m m，以遮住金屬表面的光澤為宜。活性劑一旦脫落，應該補刷。

待所有準備工作完成后，對3 0 4 N 2不銹鋼管道進行A-T I G焊接試驗。焊接方法為直流正接T I G焊接，鎢極直徑2.0 m m，尖角60°，噴嘴直徑26 mm，保護氣體為氬氣，純度99.99%，焊縫正面保護氣體流量10 L/min，焊縫背面保護氣體流量5 L/min，電弧長度1.5～2.0 mm。本試驗將管道分為上、下兩個區，經過多次焊接試驗獲得的優化焊接工藝參數如表1所示。

表1 焊接工藝參數

焊接過程中記錄電弧電壓，觀察焊接電弧形態。焊接完成后，對焊接接頭進行取樣檢驗，如圖1所示，截取平、仰焊區域附近兩個試樣用于金相分析，分別截取拉伸試驗的試樣B1、B2、B3和B4，以及彎曲試驗的試樣 C1、C2、C3和 C4。

圖1 典型API工藝評定取樣位置Fig.1 Sampling positions of typical API procedure

2 試驗結果和分析

2.1 焊縫外觀觀察

焊后管道焊縫外觀如圖2、圖3所示，管道對接焊縫成形良好。腐蝕后的焊縫形貌如圖4所示，在ATIG焊中母材已完全被焊透，而常規TIG焊時熔深不到3 mm，且A-TIG焊的熔寬明顯窄于TIG焊。本試驗中，焊接未送絲，在平焊位置的焊縫外表面與仰焊位置的焊縫內表面出現了微小凹陷，這需要優化焊接工藝參數來改善。

圖2 不銹鋼管道焊縫外表面Fig.2 External weld appearance of stainless steel piping

圖3 不銹鋼管道焊縫內表面Fig.3 Internal weld appearance of stainless steel piping

圖4 腐蝕后焊縫形貌Fig.4 Weld appearance after corrosion

關于A-TIG焊接熔深增加的機理，尚未有一致的熔深增加理論，目前兩個有代表性的理論為電弧收縮論[10]和表面張力變化影響學說[11]。在試驗過程中觀察，相對于電弧更加分散的常規TIG焊接，A-TIG焊接的弧柱出現了比較明顯的收縮。根據徐艷麗、魏艷紅等人獲得的模擬結果[12]表明，活性劑的加入使得熔池表面溫度系數?σ/?T由負值變為正值，在熔池中產生兩個向內的渦流，匯合后的液態金屬向熔池中心底部流動，最終得到窄而深的熔池。A-TIG焊接熔深增加機理的綜合作用示意如圖5所示。本試驗中，對比常規TIG焊接寬而淺的熔深，使用活性劑后焊縫的熔深顯著增加，試驗結果與上述模擬結果吻合。這在一定程度上說明了電弧收縮和熔池表面張力變化可能對熔深的增加均有影響。

2.2 焊縫顯微組織分析

焊縫金相組織如圖6所示。對照標準奧氏體不銹鋼的金相組織分析，可知兩個焊縫得到的組織均為奧氏體基體+鐵素體的雙相組織。鐵素體的產生是由于在焊接加熱和凝固時鐵素體生成元素（主要是鉻）發生偏聚，一般只有較低體積分數的鐵素體在奧氏體晶界及晶內處析出[13]，呈現樹枝狀分布。此外，對比圖6中的TIG和A-TIG焊縫金相組織，可知A-TIG焊縫中的奧氏體組織比常規TIG焊接得到的奧氏體組織更加細小、均勻，這可能是由于在焊接過程中，蒸發的活性劑分子使電弧發生收縮[14]，獲得更高能量密度的電弧。它有利于改善焊縫組織的均勻程度，達到細化奧氏體不銹鋼微觀組織的效果[15]，從而提高焊接接頭的可靠性，該結論在本試驗結果中得到了體現。

2.3 焊縫化學成分分析

利用能譜儀分別對母材、常規TIG焊縫和A-TIG焊縫進行區域成分和含量分析，如表2所示。由測試結果可以看出，A-TIG與常規TIG焊的焊縫成分與母材的化學成分相差不大。使用活性劑對A-TIG焊縫的化學成分影響較小。

表2 基材與焊縫金屬化學成分對比 %

圖6 焊縫金相組織Fig.6 Metallographic microstructure of weld

2.4 超聲波無損探傷分析

根據GB/T11345-1989相關規定，采用CTS-1002 plus檢測設備對截取的整個環焊縫試樣進行超聲波檢驗。檢驗結果表明，焊縫無明顯的裂紋、未焊透、氣孔等缺欠，焊縫質量評定級別為A類Ⅰ級，接頭質量合格。

2.5 焊縫機械性能測試

2.5.1 焊接接頭拉伸試驗

室溫下在拉伸試驗機上對焊接試樣進行拉伸試驗，拉伸試樣如圖7所示，尺寸110 mm×20 mm×6 mm，焊接接頭拉伸試驗數據如表3所示。

表3 拉伸試驗結果

圖7 拉伸試樣Fig.7 Tensile test specimens

由表3可知，試樣抗拉強度均高于304N2不銹鋼拉伸強度最小值685 MPa。焊接接頭出現比較明顯的縮頸現象，說明接頭塑性較好。除個別情況外，斷裂位置基本都在遠離焊縫的母材中斷裂。可知ATIG焊接接頭與母材形成了可靠的結合，接頭具有優異的拉伸力學性能。根據GB/T228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的評定標準，本試驗焊接接頭的拉伸性能符合要求。

晶粒大小直接影響焊接接頭的機械力學性能。在A-TIG焊接時，相對集中的焊接電弧能夠獲得更高能量密度的電弧和相對較快的冷卻速度，最終得到的焊縫奧氏體組織晶粒較為細小。但是在常規TIG焊接時，焊接相同厚度的材料必須進行多層多道焊，每一道焊接都會使得前面道次的焊縫組織經歷不同程度的高溫熱處理作用，導致焊縫中奧氏體組織因焊接熱輸入量的增大、高溫停留時間的延長，晶粒變得粗大。因此，通常情況下不銹鋼TIG焊拉伸試樣斷口主要位于焊縫及熱影響區，說明TIG焊縫組織及其機械性能相對于A-TIG有所下降。

2.5.2 焊接接頭彎曲試驗

室溫下在彎曲試驗機上對焊接試樣進行彎曲試驗，尺寸為110 mm×20 mm×6 mm，彎曲后試樣如圖8所示，焊接接頭彎曲試樣數據如表4所示。

表4 彎曲試驗結果

根據要求對相應管道位置焊縫試樣進行橫向彎曲試驗，其中兩個試樣進行面彎，兩個試樣進行背彎。結果表明，當彎曲角達到150°時，焊縫內、外表面均無裂紋，證明了接頭有良好的彎曲性能，可承受單次較小彎曲半徑的彎曲變形而不會發生開裂。根據GB/T232－1999《金屬材料彎曲試驗方法》的評定標準，本試驗焊接接頭的彎曲性能符合要求。

3 結論

（1）使用活性劑對6 mm厚的304N2不銹鋼管道進行全位置TIG自動焊接工藝試驗，制定了相匹配的焊接工藝參數，使用該方法焊接前不開坡口，可實現一次焊透、單面焊雙面成形，管道對接焊縫成形良好。

（2）使用活性劑TIG焊可以完全焊透6 mm厚的304N2不銹鋼，熔深相當于常規TIG焊的兩倍，且熔寬要比TIG焊的小很多。

圖8 彎曲試樣Fig.8 Bending specimens

（3）A-TIG焊縫的顯微組織為奧氏體、鐵素體的雙相組織，其顯微組織基本與TIG焊縫的相似，焊縫奧氏體組織的晶粒相比于TIG焊的細小，且A-TIG焊縫成分與母材相近，說明活性劑沒有進入焊縫。

（4）室溫下對焊接接頭進行機械性能測試，拉伸試驗和彎曲試驗均能滿足相關標準要求。

（5）試驗在平、仰焊位置焊縫發生微小塌陷，這需要繼續優化焊接工藝參數來改善。

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