不銹鋼TP304L管道熔化極氣體保護自動焊工藝

陳運忠 姜新利

1. 概述

公司推廣管道焊接機動化能有效解決各施工項目工期緊、任務量大等困難，而目前我公司對于不銹鋼TP304L管道采用FCAW熔化極氣體保護自動焊工藝還沒有大面積推廣使用。因此，根據公司管道結構工程公司施工需求，決定在公司焊接實驗室進行不銹鋼TP304L管道采用FCAW熔化極氣體保護自動焊的焊接工藝評定，給各公司施工項目部的管道預制推廣應用提供技術支持。

2. 不銹鋼TP304L焊接特點

不銹鋼TP304L無縫鋼管規格為φ406.4mm×16.7mm，化學成分如表1所示。焊接施工結合SH3523《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規程》，焊接工藝性分析如下。

(1) 熱裂紋敏感性 不銹鋼導熱系數小、線膨脹系數大，在局部加熱或冷卻的條件下，焊接接頭中可能形成拉應力。同時奧氏體不銹鋼易形成方向性很強的柱狀晶組織，有利于S、P等雜質的偏析而促使形成晶間液態夾層引起熱裂紋。不銹鋼TP304L焊縫通常聯生結晶形成方向性很強的粗大柱狀晶組織，這也是產生熱裂紋的重要原因。

(2) 耐腐蝕性下降 奧氏體晶界析出碳化鉻造成晶界貧鉻，由于不銹鋼TP304L導熱率很小，嚴重影響了焊縫的冷卻速度，故熱影響區耐蝕性易下降。

3. FCAW熔化極氣體保護自特點

（1）效率高、成本低FCAW熔化極氣體保護自動焊是利用機械自動控制焊絲送進和電弧移動的一種電弧焊方法，具有效率高、成本低、焊接熱輸入小、接頭質量好、操作性好等優點。與常用的焊條電弧焊方法相比，施焊時其材料可節省1/3以上，生產效率能提高1/2以上。

（2）易出現氣孔 FCAW熔化極氣體保護自動焊接TP304L不銹鋼過程中用80%Ar+20%CO2的混合氣體來進行保護焊接，保護不好時就會出現氮氣孔，所以要保持氣路暢通、避免有漏氣現象，如有焊渣、飛濺物應及時清除，做好防風措施。徹底清除管件坡口20mm范圍的油污及其他臟物。

（3）飛濺偏大 管道焊接過程中，干伸長度不宜過小，否則飛濺物容易使導電嘴出絲不順暢或使氣體不流暢，干伸長度一般為焊絲直徑10~15倍。如果干伸長度過大，會使氣體保護效果下降，焊絲容易過熱而形成飛濺造成焊接電弧不穩定。同時還要控制好焊接參數使飛濺最小化。

（4）焊接層道間的脫渣效果好 FCAW熔化極氣體保護自動焊接TP304L不銹鋼的脫渣性能非常好，焊接過程中有時藥皮會自由脫落，不要急于敲擊藥皮，因為藥皮對焊縫有一定的緩冷保護作用。

表1 TP304L不銹鋼主要化學成分（質量分數） （%）

4. 藥芯焊絲

熔化極藥芯焊絲相比實芯焊絲更容易操作，有些藥芯焊絲可以通過調整藥粉的合金成分種類和比例，更適用于各種不同用途（耐磨、耐熱、耐蝕及耐低溫等）的焊接材料。

藥芯焊絲和實芯焊絲的比較如下：

（1）生產效率高 實芯焊絲在焊接過程中會產生大量的飛濺，焊道之間必須認真打磨飛濺，而藥芯焊絲飛濺小，焊道之間還有藥渣的保護，所以焊接過程中幾乎不用打磨。

（2）飛濺小 藥芯焊絲與實芯焊絲相比飛濺小，連續使用也不容易堵塞焊槍嘴。

（3）作業性良好 藥芯焊絲焊弧柔和，焊接作業性良好，便于操作。

（4）焊縫成形美觀 藥芯焊絲屬于渣氣聯合性保護，藥皮更有效地保護熔池的成形，藥芯加入穩定劑使電弧更加穩定、熔滴過渡更加均勻。

（5）易生銹 由于藥芯焊絲內有藥粉，所以吸潮性強，保管時應注重防潮。

（6）煙塵大 藥芯焊絲焊接過程中相比實芯焊絲煙塵量稍大些，焊接過程中要充分利用好防護用品。

5. 焊接設備

焊接設備采用南京奧特AOTU CM—1005—A管道懸臂自動焊機（見圖1），其懸臂可上下左右調節，以適合焊縫空間位置焊接需要，懸臂安裝與焊接電源配套美國MILLER送絲機和焊接電源、中央控制系統聯接，更保證了操作時的連貫性，焊機的中央控制系統和焊接電源、送絲機、供氣裝置、懸臂控制器、擺臂控制器及變位機等聯接，由中央控制器統一進行調節和控制。

焊接電源為美國原裝米勒MILLER invision 450MP焊接電源，體積小，容量大，微電腦控制，調節容易。可進行埋弧焊、CO2焊、MIG/MAG焊、焊條電弧焊等，可預存20多個通道的儲存焊接參數以備使用。

6. 焊接工藝評定材料

GTAW鎢極氬弧焊打底焊絲采用四川大西洋焊材股份有限公司產CHG—308L、規格為φ2.5mm，其化學成分如表2所示。FCAW熔化極氣體保護自動焊絲為四川大西洋焊材股份有限公司產藥芯CHT—308L，規格為φ1.2mm。

7. 焊前分析與控制措施制定

焊前首先對不銹鋼TP304L管道采用FCAW熔化極氣體保護自動焊的焊接工藝特性進行了分析。不銹鋼TP304L管道采用FCAW熔化極氣體保護自動焊具有熱量集中、熔深淺、鐵液凝固較慢等特性，操作不當時容易出現夾渣、未熔合、氣孔及駝型焊縫等缺陷；焊接時變位機轉動速度對焊縫的成形、夾渣、未熔合、氣孔及咬邊等缺陷的產生都有重要影響。隨轉速的增加焊縫熔寬減小，熔池和堆高也減小。變位機轉速過快還會引起咬邊、熔池脫節、未熔合等缺陷；轉速過慢易出現層間未熔、焊縫成形起棱角現象，因此需要焊工熟練掌握焊接設備功能及相應的焊接參數。

圖1 管道懸臂自動焊設備

通過分析后，針對其焊接特性，采取以下控制措施：①焊前要做好各設備的檢查工作，包括氣路和線路的檢查。②為防止FCAW熔化極氣體保護自動焊電流大燒穿打底焊縫，氬弧打底焊不宜太薄，FCAW熔化極氣體保護自動焊第一層焊接參數不宜過大，焊前要做好施焊焊縫的對中調節。③注意控制FCAW熔化極氣體保護自動焊的起弧、收弧質量，避免出現起弧時熔池焊縫堆積和收弧弧坑裂紋。④坡口角度以50°~60°為宜。可適當減小，以減少填充金屬，提高焊接效率。⑤注意焊接厚度，不易過厚，每層厚度一般為3~4mm。控制好焊接熱輸入。⑥注意焊接參數匹配，道間溫度＜150℃。⑦避免接頭的重疊，每道焊接接頭錯開30~50mm為宜。⑧FCAW熔化極氣體保護自動焊焊槍角度適當往垂直位置轉動，反方向前移20~30mm，適當調整焊接速度，以克服形成不良焊縫。⑨控制好干伸長度，一般15~20mm為宜。⑩焊工熟練掌握FCAW熔化極氣體保護自動焊的規律和觀察技巧，防止熔池位移造成的缺陷。蓋面時應處理找平層的飛濺物，以利于蓋面成形美觀。

8. 焊接工藝評定及效果

通過反復試驗，我們最終選定不銹鋼TP304L管道規格：φ406.4mm×16.7mm，坡口角度55°，作為FCAW熔化極氣體保護自動焊的焊接工藝評定焊接試件。GTAW鎢極氬弧焊打底（背面氬氣保護）焊接一遍后采用FCAW熔化極氣體保護自動焊進行填充、找平、蓋面。

焊接工藝確定后，我們隨后進行了焊接工藝評定試件的焊接，焊接組對工藝如圖2所示，焊接參數如表3所示。

圖2 組對工藝

不銹鋼TP304L管道 FCAW熔化極氣體保護自動焊焊縫內部和外觀成形優良（見圖3），顏色為金黃色，成形優于實芯熔化極氣體保護焊與手工焊條電弧焊。焊后依據相關規范進行外觀檢測，結果表明無表面氣孔、夾渣、裂紋、未熔合及咬邊等缺陷。經過RT射線無損探傷、彎曲、拉伸、沖擊等各項試驗，顯示焊接接頭試驗數據全部合格。

9. 結語

據調研，不銹鋼TP304L 管道FCAW熔化極氣體保護自動焊與手工焊條電弧焊相比可節省材料費用1/3，焊接接頭具有效率高、成本低、接頭質量好及焊接熱輸入小等優勢。目前我公司對于不銹鋼TP304L管道 FCAW熔化極氣體保護自動焊在管道結構工程公司部分項目部施工中已開始使用，成果顯著，建議推廣應用。

表2 焊接材料的主要化學成分（質量分數） （%）

表3 焊接參數

圖3 焊道成形