穿孔法等離子弧焊工藝在不銹鋼材料焊接上的應(yīng)用

2022-07-23 05:14:34陳濤

電站輔機(jī) 2022年1期

陳濤

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090)

0 引言

等離子弧焊由鎢極氬弧焊發(fā)展而來。相比于氬弧焊，等離子弧焊具有中心弧柱直徑小，發(fā)散程度低等特點(diǎn)。等離子弧焊的能量密度比傳統(tǒng)鎢極氬弧焊能量密度高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)[1]，因此等離子焊接是一種高精度的焊接方法，焊接熱量大且集中，焊接速度快，變形小，適合于高精度焊縫的焊接。對(duì)于厚度在1～12 mm之間的不銹鋼，可通過選擇合適的參數(shù)使工件完全熔透并在等離子流的穿透作用下形成一個(gè)小孔，該小孔隨著焊槍的移動(dòng)而在工件上移動(dòng)，被完全融化的熔敷金屬在自身張力的情況下重新閉合并冷卻形成焊縫，該種焊接方法被稱為穿孔法等離子弧焊。

由其原理可知穿孔法等離子弧焊具有工藝區(qū)間窄的缺點(diǎn)：當(dāng)參數(shù)偏小時(shí)，等離子弧無法將工件完全穿透，反面無法焊透，并且熔池被等離子流吹起造成表面凹凸不平；當(dāng)參數(shù)過大，熔池張力被破壞無法形成焊縫，工件被等離子弧直接切開。同時(shí)采用穿孔型焊接方法, 在收弧處通常存在一個(gè)孔洞, 限制了此種方法的大規(guī)模應(yīng)用[2]。

本文針對(duì)穿孔法等離子弧焊特點(diǎn)，研究不同厚度不銹鋼材料穿孔法等離子的參數(shù)變化規(guī)律和收弧弧坑消除措施。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

焊接工件材料為TP304L不銹鋼，試件包括板和管，不銹鋼工件的厚度有6 mm、7 mm、8 mm、10 mm和12 mm五種規(guī)格。

焊接設(shè)備采用法國SAF公司的NERTAMATIC450 主電源，焊槍為SAF公司的SP7等離子焊槍，同時(shí)高頻發(fā)生器及焊槍連接箱、自動(dòng)送絲機(jī)、AVC 弧長跟蹤系統(tǒng)和等離子氣體編程控制器也由SAF提供。焊機(jī)電氣系統(tǒng)和行走控制機(jī)構(gòu)則由SHUIPO公司供應(yīng)，該套設(shè)備焊接位置為平焊。

2 不銹鋼板/管對(duì)接焊試驗(yàn)

經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)穿孔法等離子影響焊接效果的三個(gè)主要因素為焊接速度、電流和離子氣流量。如果同時(shí)對(duì)以上三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，焊接參數(shù)的變化規(guī)律將無法分析，同時(shí)也會(huì)對(duì)試驗(yàn)造成較大的障礙。因此，我們?cè)诤附釉囼?yàn)中將焊接速度固定在240 mm/min，在此基礎(chǔ)上對(duì)焊接電流和等離氣體流量兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)來研究不同厚度不銹鋼的焊接參數(shù)。

穿孔法等離子弧焊中的熔池主要由母材融化形成，故使用穿孔法等離子焊接時(shí)工件不需要加工坡口，僅需將工件焊接面加工平整并將待焊面緊密貼合。在焊接前使用鋼絲刷去除表面污漬及鐵銹，再用酒精將坡口及坡口附近50 mm內(nèi)擦拭干凈。工件緊密裝配后將工件點(diǎn)焊固定，為了不影響等離子焊接，點(diǎn)焊時(shí)不添加焊絲避免焊縫厚度發(fā)生明顯變化。

等離子焊對(duì)氣體保護(hù)的要求很高，氣保護(hù)不到位工件氧化會(huì)非常嚴(yán)重。所以我們?cè)诤附舆^程中進(jìn)行拖氣保護(hù)，同時(shí)在拖氣罩上貼上了耐高溫膠帶，使拖氣罩與工件緊密接觸避免空氣進(jìn)入，如圖1所示。

圖1 等離子焊接不銹鋼板中的拖氣保護(hù)

在不添加焊絲的情況下焊縫背面成型整潔、光滑，正面氣體保護(hù)效果良好。但是由于母材熔化后往背面透出，導(dǎo)致正面有0.8～1mm的凹陷，如圖2。

圖2 穿孔法等離子不銹鋼對(duì)接焊縫成型

在正面有明顯凹陷的情況下，還需對(duì)其進(jìn)行蓋面處理，蓋面參數(shù)如表1。

表1 等離子弧焊蓋面參數(shù)

當(dāng)焊槍擺動(dòng)寬度過寬，或者焊接速度與擺動(dòng)速度不匹配時(shí)焊縫會(huì)出現(xiàn)咬邊問題，建議焊接擺動(dòng)寬度在8 mm以內(nèi)，最大不能超過10 mm。同時(shí)擺動(dòng)寬度增加，擺動(dòng)速度也應(yīng)相應(yīng)增加。等離子蓋面成型如圖3所示。

圖3 等離子蓋面成型

由于不加絲等離子穿孔法焊接形成的凹陷較小，但是又讓焊縫多了蓋面這道工序，對(duì)焊接效率和焊縫質(zhì)量有不利的影響。因此考慮在第一道焊接時(shí)便添加焊絲，嘗試實(shí)現(xiàn)焊縫一次成型。

通過試驗(yàn)得知，當(dāng)焊接速度在240 mm/min時(shí)，穿孔法等離子弧焊可在焊接時(shí)添加?1.2 mm的焊絲，送絲速度為75 cm/min，添加焊絲后焊縫正面相比母材稍稍凸起且過渡圓滑。

經(jīng)過采用不同焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，得出在焊接速度為240 mm/min的前提下，不同厚度規(guī)格不銹鋼材料穿孔法等離子焊接參數(shù)見表2。

表2 穿孔法等離子焊各厚度不銹鋼對(duì)接參數(shù)

穿孔法等離子焊接參數(shù)隨工件厚度變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖可知，隨著不銹鋼工件厚度的增大，焊接參數(shù)應(yīng)相應(yīng)增加。工件每增加1mm，焊接電流相應(yīng)增加10～20 A，等離子氣體流量增加0.1～0.2 L/min。當(dāng)不銹鋼厚度增大到10 mm以上時(shí)焊接需要的電流和等離子氣體流量急劇增加，故等離子穿孔法不推薦使用在12 mm以上的不銹鋼材料。

圖4 穿孔法等離子弧焊電流和氣體流量隨不銹鋼厚度變化趨勢(shì)

在焊接試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)穿孔法等離子焊的穿透能力與不開坡口的同厚度板一致。如圖5，圖中右側(cè)為引熄弧板，左側(cè)為對(duì)接焊縫，從中可以看出，有無間隙對(duì)焊縫背面成型沒有明顯影響。根據(jù)該情況，在正式焊接前可以直接在清潔好的不銹鋼板上進(jìn)行試驗(yàn)，減少加工及裝配工作。

圖5 等離子焊接引熄弧板

在確定穿孔法等離子弧焊不銹鋼板對(duì)接的參數(shù)后，嘗試使用不銹鋼板焊接參數(shù)焊接不銹鋼管對(duì)接環(huán)縫。采用了?280×6 mm、?280×8 mm和?280×10 mm三種厚度規(guī)格的管對(duì)接焊縫進(jìn)行試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)穿孔法等離子弧焊在同焊接參數(shù)情況下，對(duì)同厚度不銹鋼材料板對(duì)接和管對(duì)接反面透出情況差異不大，如圖6。因此同等厚度下板對(duì)接穿孔法等離子焊接參數(shù)可不調(diào)整或適當(dāng)微調(diào)即可適用于不銹鋼管對(duì)接焊。

圖6 同厚度同參數(shù)板、管對(duì)接反面成型(左：板，右：管)

穿孔法等離子弧焊工藝存在著一個(gè)較大的不足之處，那就是在收弧處通常會(huì)存在一個(gè)孔洞。在板對(duì)接或者縱縫焊接時(shí)可以通過增加引熄弧板解決，但是環(huán)縫焊時(shí)則無法避免。通常的解決辦法為等離子焊接完成后對(duì)孔洞進(jìn)行補(bǔ)焊，這極大地限制了等離子焊接的應(yīng)用。

4 收弧弧坑消除

一般收弧的方案為適當(dāng)增加焊接電流，減小離子氣流量和焊接速度，以增加焊接熱輸入，形成足夠的液態(tài)金屬填充熔池和盡可能小的電弧吹力，以此完成收弧。但是在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)雖然該收弧方法解決了收弧孔洞問題，但是整個(gè)熔池都低于母材，形成了一個(gè)比較明顯的凹坑，還是需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)焊。如圖7所示。

圖7 等離子焊接收弧弧坑

針對(duì)該弧坑，采用在收弧階段快速降低等離子氣體，緩慢降低電流和焊接速度并增大送絲速度，將該熔池填滿，最終收弧位置焊縫較為飽滿，經(jīng)滲透及射線檢測(cè)合格，如圖8所示。

圖8 穿孔等離子焊加絲收弧

對(duì)收弧處進(jìn)行取樣，并按ASTM A262 E法(700 ℃保溫0.5小時(shí)后以60 ℃±5 ℃緩冷至500 ℃后空冷)進(jìn)行晶間腐蝕測(cè)試，未出現(xiàn)晶間腐蝕。200倍微觀金相顯示該處也無微觀微裂紋及其它異常組織等缺陷，如圖9、10所示。

圖9 穿孔等離子焊加絲收弧微觀金相1

5 結(jié) 論

(1)穿孔法等離子弧焊可成功應(yīng)用于6～12 mm厚度不銹鋼材料焊接，通過合適的焊接工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)一次焊接成型。但是穿孔法等離子弧焊工藝區(qū)間較窄，工件厚度發(fā)生變化時(shí)需要對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

(2)6～10 mm厚不銹鋼材料穿孔法等離子弧焊參數(shù)試驗(yàn)可在平板上進(jìn)行，試驗(yàn)得出參數(shù)可移植至同厚度無間隙裝配的I型坡口的板和直徑大于280 mm管子對(duì)接焊縫。