奧氏體304不銹鋼鋼管A-TIG焊接工藝研究

王振華

奧氏體304不銹鋼鋼管A-TIG焊接工藝研究

王振華

（西安石油大學材料科學與工程學院，陜西西安710065）

以Φ45 mm×8 mm規格奧氏體304不銹鋼鋼管為研究對象，采用A-TIG焊（添加活性劑的鎢極氬弧焊）進行對接焊接工藝試驗，研究不同焊接起始點對焊縫成型的影響，并檢測外觀質量符合要求的焊件的性能和微觀組織等。分析認為：采用A-TIG焊接工藝焊接Φ45 mm×8 mm規格奧氏體304不銹鋼鋼管時，可在不開坡口、不填絲的情況下，實現一次性焊透，并達到單面焊雙面成型的目的；焊縫組織為奧氏體+鐵素體，其組織與未添加活性劑時的一致，但添加活性劑可明顯改善組織性能；焊接接頭的性能滿足標準要求。

不銹鋼鋼管；A-TIG焊；全位置焊接；單面焊雙面成型；工藝參數

鎢極氬弧焊（TIG）是一種高質量的焊接方法，在不銹鋼、鋁、銅和鈦等各種金屬及其合金焊接方面具有很多優越性，它不僅能充分保證母材根部的良好熔透，焊縫成型良好，還可提高根部焊縫的塑性和韌性，減少焊接應力，從而避免產生根部裂紋，施焊中不易出現未焊透、夾渣和氣孔等缺陷，目前已廣泛應用于一些重要設備中，如承壓管道、高壓容器和高溫高壓鍋爐中鋼管的焊接。但由于普通TIG焊的單道焊的焊縫熔深淺，熔敷率低，對施焊材料中微量元素敏感，特別在焊接壁厚超過2 mm的環形接頭時，焊接接頭根部一般采用不填絲非熔化極氬弧焊方法進行打底焊，然后采用焊條電弧焊等方法填充熔覆坡口，焊接工藝復雜。由于重力作用，焊道會產生焊道塌陷、焊道邊緣不規整等缺欠。因此，如何改善厚壁鋼管環形焊縫焊接工藝以獲得高質量的焊接接頭，一直是厚壁鋼管焊接中亟待解決的問題。本文通過在鎢極氬弧焊基礎上添加活性焊劑的焊接技術（A-TIG焊），對奧氏體304不銹鋼鋼管厚壁環焊全位置焊接進行分析；焊接的焊縫性能優良、質量良好，完全滿足相關技術要求。

1 A-TIG焊接技術的發展及研究現狀

所謂“A-TIG焊”或“活性化TIG焊”，就是將活性劑與TIG焊相結合的焊接方法，即在工件被焊位置處，預先在工件表面均勻地涂上一層很薄的、細粒狀的活性劑，然后進行TIG焊的方法［1］。20世紀60年代中期，烏克蘭巴頓焊接研究發現在TIG焊時，母材表面涂敷鹵素化合物可以使鈦合金的焊接熔深增加［1］。從20世紀90年代末開始，國內也對A-TIG這一技術進行研究。近年來，越來越多的高校、研究所和企業開始關注活性焊接技術，引起了研究高潮。哈爾濱工業大學的劉風堯等以不銹鋼為研究對象認為：SiO2增加熔深是等離子體收縮、陽極斑點收縮和表面張力溫度梯度由負變正共同作用的結果，TiO2增加熔深只是表面張力溫度梯度由負變正的結果［2］。蘭州理工大學的張瑞華、樊丁等針對304不銹鋼研制了由B2O3、Fe2O3、Al2O3、SiO2、TiO2、Cr2O3和NaF等組成的活性劑，分析了各單一活性劑對焊接熔深的影響規律［3］。本文采用A-TIG焊接工藝，進行了8 mm以上厚壁奧氏體304不銹鋼鋼管全位置焊接，并研究了304不銹鋼鋼管焊接工藝。

2 試驗方法及參數

試驗材料為Φ45 mm×8 mm規格304不銹鋼鋼管。焊接前將管道對接端面切平，并找好基準點進行對中、緊固和點焊，然后采用砂紙和拋光機打磨對接表面，并去除毛刺。使用丙酮擦拭工件表面以去除表面的油污。將準備好的不銹鋼鋼管固定在焊接平臺上，密封住工件一端端口，并從另一端通入氬氣，以便對焊縫背面進行保護。

試驗采用全自動中文焊機，對安裝固定好的不銹鋼對接鋼管，在其待焊表面涂敷用丙酮調制成的活性劑，涂敷厚度以遮蓋母材本色為宜，涂敷寬度為10～20 mm，每米焊道的活性劑涂敷量約為0.3 g，待丙酮揮發后方可進行焊接。

待以上所有準備工作完成后，對304不銹鋼鋼管進行A-TIG焊接試驗。焊接方法為直流正接TIG焊接，鎢極直徑2.4 mm，鎢極伸出噴嘴長度一般為5～10 mm。鎢極端部應磨成錐形，錐頂有直徑為0.5 mm的平行臺。保護氣體為99.99%的純氬氣，采用的氣流量為12～14 L/min。為了確保焊接過程中電弧穩定性及熔池的成型性，將試驗鋼管分成12等分，并從4個區段依次進行焊接，304不銹鋼鋼管裝配定位如圖1所示，A-TIG焊接試驗參數見表1［4-10］。

圖1 304不銹鋼鋼管裝配定位示意

表1 A-TIG焊接試驗參數

3 試驗結果及檢驗

3.1 外觀檢驗

304不銹鋼鋼管焊件內外表面情況如圖2所示，根據JB/T 7949—1999《鋼結構焊縫外形尺寸》檢測焊件外觀，檢測結果均未發現未焊透、裂紋、氣孔和焊瘤等缺陷。焊縫的外表面與母材相平，內表面焊縫余高均小于1.5 mm，完全達到了預期要求。

圖2 304不銹鋼鋼管焊件內外表面情況

3.2 無損探傷

根據GB/T 12605—1990《鋼管環縫熔化焊對接接頭射線透照工藝和質量分級》，對鋼管裂紋、未熔合、夾雜及內凹等缺陷進行射線探傷檢測。304不銹鋼鋼管射線探傷照片如圖3所示。檢驗結果表明：304不銹鋼鋼管焊縫宏觀形貌良好，無明顯裂紋，射線探傷評定級別在Ⅱ級以上，焊接接頭質量符合GB/T 1205—1990標準要求。

圖3 304不銹鋼鋼管射線探傷照片

3.3 焊接接頭拉伸試驗

按標定的區域，對每個區域焊接接頭沿焊縫縱向制取170 mm×20 mm×8 mm拉伸試樣，采用上海美特斯工業系統（中國）有限公司生產的SHT5106-P微機控制液壓電子萬能試驗機，依照ASTM A 370—2016《鋼產品機械性能試驗的方法與定義》標準要求進行試驗。304不銹鋼鋼管焊接接頭拉伸試驗數據見表2，應力-應變曲線如圖4所示。

表2 304不銹鋼鋼管焊接接頭拉伸試驗數據

圖4 304不銹鋼鋼管焊接接頭的應力-應變曲線

由表2和圖4可知：試樣屈服強度及抗拉強度結果均高于304不銹鋼鋼管母材，試樣形變量穩定，應力-應變曲線平穩，未出現突起及異常現象，達到了技術要求。

3.4 焊接接頭彎曲試驗

焊接接頭彎曲試樣的形狀和尺寸應符合GB/T 2649—1989《焊接接頭機械性能試驗取樣方法》中相關規定，試樣尺寸205 mm×15 mm×8 mm，環焊縫焊接接頭彎曲試驗方法按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》執行。試驗采用三點彎曲法，兩個支撐滾輪和動壓頭的直徑都是20 mm，兩個支撐滾輪中心間距為42 mm，可獲得最大彎曲角度≥150°，加載速率10 mm/min。304不銹鋼鋼管焊接接頭彎曲試驗結果見表3。

表3 304不銹鋼鋼管焊接接頭彎曲試驗結果

由表3可知：對焊接完成的不銹鋼鋼管按照標定的焊接區域，對每個區域制取背彎、面彎試樣各一件進行檢測，在正彎、面彎試樣彎角達到150°時，內外表面焊縫均未出現裂紋和開裂現象，滿足要求。

3.5 焊接接頭壓扁試驗

焊接接頭壓扁試樣的形狀和尺寸應符合GB/T 2649—1989中相關規定，焊接接頭焊縫余高采用機械方法去除，使其與母材原始表面齊平。環焊縫焊接接頭壓扁試驗方法按照GB/T 2653—2008執行，環焊縫應位于加壓中心線上。當兩壓板間距離為H時停止，標準一般要求下壓量大于1/3鋼管內徑。304不銹鋼鋼管焊接接頭壓扁試驗結果見表4。

表4 304不銹鋼鋼管焊接接頭壓扁試驗結果

由表4檢驗結果可見，未發現裂紋。壓扁試驗通過對管體的徑向壓縮，考核管材的徑向抗變形的能力，主要包括延塑性和變形抗力兩部分。試驗結果表明，焊接接頭均具有良好的徑向變形能力。

3.6 硬度測試

硬度測試試樣的制備、截取位置、方法及數量按GB/T 2649—1989的規定執行。硬度試驗測試面為焊縫除去余高的外表面和內表面，間距2 mm，硬度測試點如圖5所示。焊接接頭硬度試驗方法按GB/T 232.1—2002《金屬布氏硬度試驗方法》標準中的有關規定執行。304不銹鋼鋼管焊接接頭焊縫硬度測試結果見表5。

圖5 304不銹鋼鋼管焊接接頭硬度測試點示意

表5 304不銹鋼鋼管焊接接頭焊縫硬度測試結果HRB

由圖5和表5可知：從外表面焊縫中心到熔合線附近，硬度先變小后變大，但基本接近母材，內表面有不同程度的軟化現象。加入活性焊劑，并沒有改變管材的基本組織成分，也沒有改變金相組織形態，在同一區域內的各組試樣硬度相差不大。而外表面硬度較大是因為在焊接過程中相當于進行了一次熱處理，外表面的粗晶區增寬。奧氏體晶粒粗大的前提下，在適當的空冷速度下，鋼中的先共析相以針片狀形態與片狀珠光體混合存在的復相組織即魏氏體組織出現，這樣的淬硬組織硬度大、韌性低［11-14］。

3.7 焊接接頭金相顯微組織分析

對焊接后不銹鋼鋼管的4個區域任意一個區域焊縫進行金相組織分析，并與未加活性劑的焊縫金相組織進行對比。304不銹鋼鋼管焊縫金相組織如圖6所示。由圖6可知，加入活性劑與未加活性劑焊接后焊縫金相組織均為奧氏體+鐵素體+少量σ相。其中，加活性劑奧氏體組織細密、均勻，且鐵素體組織沿奧氏體晶界及晶內析出，奧氏體晶粒細小，晶界線明顯；未加活性劑奧氏體組織呈拉長狀，且鐵素體呈粒狀及樹枝狀分布在晶界及晶內，晶界不清晰。由此可見，添加活性劑焊接可明顯改善焊縫組織，晶粒細小、組織均勻，有利于力學性能的提升［15］。

圖6 304不銹鋼鋼管焊縫金相組織

4 結論

（1）通過采用A-TIG焊接方法，8 mm厚不銹鋼可在不開坡口、不填絲的情況下，實現一次性焊透，并達到單面焊雙面成型的目的，焊縫宏觀形貌良好。

（2）采用A-TIG進行不銹鋼焊接后，焊縫組織為奧氏體+鐵素體的雙相組織，其組織與未添加活性劑焊縫組織一致，但添加活性劑可明顯改善組織性能。

（3）在4個不同的區域進行焊接試驗后，焊縫宏觀形貌良好，無塌陷，且經無損檢測后，焊接接頭質量符合標準要求。

（4）通過對焊接后4個不同區域焊接接頭進行機械性能測試，拉伸、彎曲及壓扁試驗結果均能夠滿足相關標準要求。

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Reasearch on A-TIG Welding Process for 304 Austenitic Stainless Steel Pipe

WANG Zhenhua
（College of Materials Science and Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

Taking theΦ45 mm×8 mm austenitic 304 stainless steel pipe as the subject of study，the butt welding process applying A-TIG welding technology（argon tungsten arc welding with activating flux）is tested.The effects of different welding starting points on the formation of welds are studied，and the performances and microstructures of welding parts with satisfied appearance quality are tested.The analysis result shows that when A-TIG welding technology is applied on theΦ45 mm×8 mm austenitic 304 stainless steel pipe，the full welding penetration at one time and the double-sided formation by single-side welding are realized without bevelling or using of filler wire.The weld is of austenitic+ferritic structure，and although it is consistent with that of the weld when no activating flux being used，the adding of activating flux is able to significantly improve the structure performances.The perfomances of the weld joint is in compliance with applicable standard.

stainless steeltube；A-TIG welding；all position welding；single-side welding；process parameters

TG44；TG142.71

B

1001-2311（2016）05-0015-05

2016-03-14；修定日期：2016-07-26）

王振華（1985-），男，在職碩士研究生，工程師，從事螺旋縫埋弧焊管的焊接及其質量控制工作。