CO2氣體保護焊在鋁加工設備不銹鋼管道中的應用

劉勝利

1 前言

鋁加工設備液壓系統的高壓管道，材質主要為不銹鋼，規格從小管DN15至大管DN350不同型號，管壁厚δ3～30mm，規格多壁厚大，管道焊縫多，焊接量大，經RT無損檢測焊縫必須達到一級要求。傳統的焊接方法為鎢極氬弧焊和焊條電弧焊相結合，即用鎢極氬弧焊打底，由手工電弧焊蓋面。隨著鋁加工行業的迅速發展，生產規模的不斷擴大，施工周期要求逐漸縮短，運用傳統的氬弧焊打底手工電弧焊蓋面的焊接方法已無法滿足施工周期的要求，研究探索一種焊接成本相對低、焊接效率高、成型好且質量穩定的焊接方法勢在必行。本文主要論述了CO2氣體保護焊焊接高壓不銹鋼管道的焊接工藝過程。

2 不銹鋼管道焊接性能分析

某鋁加工設備高壓不銹鋼管道材質為奧氏體不銹鋼，鋼號為00Cr19Ni10,與其他不銹鋼材質相比，具有良好的焊接性能，在任何溫度下都不會發生相變，對氫脆不敏感，在焊態下奧氏體不銹鋼接頭也有較好的塑性和韌性，原則上不需要進行特殊的焊前預熱和焊后熱處理，但是應特別注意奧氏體不銹鋼材質的物理性質，即奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數高，約是低碳鋼的1.5倍；導熱系數相對低，約是低碳鋼的1/3；比電阻高，約是低碳鋼的4倍以上；這些物理性能加上金屬的磁性、表面張力、密度等條件，造成了奧氏體不銹鋼焊接的主要問題是：焊接變形量比普通碳鋼要大得多，焊接應力也大，容易出現焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕和應力腐蝕等。因此，高壓不銹鋼管道焊接的關鍵是確定合理的焊接工藝參數，達到焊接變形量小、焊縫力學性能好、焊接效率高。

3 焊接方法、焊接材料及設備的確定

3.1 焊接方法的選定

由由于奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性，幾乎所有熔焊方法和部分壓焊方法都可以焊接。但從經濟、實用和技術性能方面考慮，不銹鋼管道最好采用焊條電弧焊、惰性氣體保護焊等。不銹鋼因化學成分、組織狀態、物理和力學性能等方面存在差異，因而對不同焊接方法有不同的適應性，焊條電弧焊適應厚度＞1.5mm的焊件，薄板不易焊透，焊縫余高大；鎢極氬弧焊適應厚度0.5～3mm的焊件，大于3mm可多層焊，但效率不高；熔化極氬弧焊適應厚度3～8mm的焊件，開坡口，可單面焊雙面成型或者多層焊。

根據上表對比結果，結合某鋁加工設備高壓不銹鋼管道的管壁內潔凈度要求極高的特點，為防止管道內壁背面焊道表面氧化和獲得良好成型，首選熔化極氬弧焊的焊接方法，可實現單面焊雙面成型的效果，同時第一道焊縫施焊時，其背面還需要加氬氣保護，確保管道內壁光滑潔凈。高壓不銹鋼管道多為厚壁管，即管壁厚大于3mm以上，綜合考慮施工成本和施工效率，管壁厚3～8mm，現場選用開坡口氬弧焊打底和手工電弧焊蓋面相結合來完成，因為焊條電弧焊熱量比較集中，熱影響區小，焊接變形較小；能適應各種焊接位置與不同管壁厚的工藝要求；所用設備也比較簡單。此外，現在所用的焊條類型、規格和品種多，且配套齊全。但是，焊條電弧焊對清渣要求高，易產生氣孔、夾渣等缺陷，對焊工的技術要求較高。由于手工氬弧焊焊接效率較低，目前已無法滿足行業快速發展和短期建設投產的需求。

對于管壁厚大于8mm的不銹鋼管道，開坡口氬弧焊打底和手工電弧焊蓋面相結合的方法，效率太低，無法滿足施工生產的需求，經探索實踐、多次試驗，確定采用熔化極氬弧焊的焊接方法，保護氣體用CO2。它的優點是焊接效率高（約為普通手工氬弧焊的3～5倍）、焊接成本低、操作性能好，焊接變形小、焊縫成型美觀，焊接質量穩定且易保證。雖然奧氏體不銹鋼合金元素過渡系數高，由于氬氣保護效果好，焊縫部分化學成分容易控制，即使熱源集中于焊縫區域，由于受到氬氣的保護和冷卻作用，對焊接的熱影響區范圍相對較窄，焊接質量容易保證，而且焊后不需清渣，缺點是設備較復雜，一般須使用直流弧焊電源，成本較高，優點是焊接速度快、效率高。

結論：高壓不銹鋼管管壁厚大于3mm小于8mm，采用開坡口氬弧焊打底+手工電弧焊蓋面的焊接方法；高壓不銹鋼管管壁厚大于8mm，采用開坡口氬弧焊打底+熔化極氣體保護焊（保護氣體用CO2）的焊接方法。

3.2 確定焊接材料

3.2.1 不銹鋼焊條（焊絲）的型號選用

熔化極氣體保護焊用的焊絲包括實心焊絲和藥芯焊絲。焊接時，焊絲既作填充金屬又作導電的電極。在焊接過程中，焊絲的化學成分和保護氣體相配合，影響焊縫金屬的化學成分，而焊縫金屬的成分又決定著焊件的化學性能和力學性能。所以，在選用焊絲時，首先考慮母材的化學成分和力學性能，其次是要分析與保護氣體相配合。應根據熔敷金屬的化學成分、焊接位置、藥皮類型、和焊接電流的種類來選擇。依據焊接規范和不銹鋼焊條型號選擇手冊及不銹鋼管道母材材質，最終確定了鋼號為0Cr18Ni9的不銹鋼焊條,型號為ER308，焊條牌號為A102。手工焊焊條直徑為Φ2.4mm，CO2氣體保護焊所用焊絲為藥芯焊絲，直徑為Φ1.2mm。CO2氣體保護焊焊絲選用藥芯焊絲，因為藥芯焊絲與實芯焊絲相比有如下有點：CO2氣體保護焊飛濺少、力學性能好，且熔敷效率高、抗風能力強，常用于野外施工。近年石油、化工、鋁加工等行業用藥芯焊絲焊接奧氏體不銹鋼也得到大力推廣應用，同時隨著國內不銹鋼藥芯焊絲性能的提高，藥芯焊絲焊接奧氏體不銹鋼管道已完全可以滿足生產需要。

3.2.2 保護氣體的選用

熔化極氣體保護焊焊接不銹鋼普遍采用的保護氣體是惰性氣體，工程上通常使用Ar、He或者二者混合，由于惰性氣體與液態金屬不發生冶金反應，惰性氣體包圍在焊接區周圍，使之與空氣隔離，所以電弧燃燒相對穩定，熔滴向熔池過渡平穩、安定、無激烈飛濺，焊接效果很好。也有使用的保護氣體是由惰性氣體和少量氧化性氣體或者兩種混合而成，通常情況下使用的氧化氣體是O2、CO2，惰性氣體是氬氣。焊接過程中加入少量氧化性氣體的目的，是在惰性氣體電弧特性基本不改變的條件下，進一步提高電弧的穩定性，改變焊縫成形和降低電弧輻射強度，這種方法常用于黑色金屬的焊接，不銹鋼焊接基本不采納。目前焊接效率高、成本低的保護氣體有用CO2氣體的，CO2氣體來源容易、價格低廉，但是因它的熱物理特性和化學特性，必須在焊接過程中從設備、工藝、焊絲等方面采取措施，才能達到良好的焊接效果。目前有很大發展前景的是用CO2氣體保護藥芯焊絲焊接，即在焊絲內部裝有粉狀焊劑，通過調整焊劑的各種合金元素的含量，可以達到改善焊接工藝性能、提高焊縫的力學性能和焊縫接頭的內外質量。

綜合上述分析：氬弧打底焊的保護氣體選用氬氣，熔化極保護焊的氣體選用CO2氣體。

3.2.3 焊接設備的選用

熔熔化極氣體保護焊主要用的是半自動焊接，半自動焊接相配套的設備較復雜，主要設備由焊接電源、焊槍、送絲機、供氣系統、冷卻系統和控制系統組成。焊接電源一般采用直流電源，極性采用反接。熔化極氣體保護焊的焊槍選用的是半自動焊槍，即手握式的，但對焊槍性能有一些要求：必須有一個導電嘴將焊接電流傳遞給焊絲，導電嘴的導電性能要好、耐磨、熔點高；焊槍必須有冷卻系統，通常采用的是水冷；手握式焊槍應輕便靈活、結構緊湊、便于操作。根據上述焊接方法相匹配的焊接設備的要求，結合現場施工情況可以用氬弧焊機也可以用CO2焊機，施工中用的設備型號為ZX7-400、NB-5000。

4 焊接工藝參數的確定

某80MN噸拉伸機設備安裝工程液壓系統高壓不銹鋼管道采用熔化極氣體保護焊不銹鋼藥芯焊絲進行半自動焊接，電流采用直流電源，極性采用反接，焊絲牌號ER308，焊絲直徑使用氬弧焊機，對兩個規格的不銹鋼管對口試件現場焊接并進行了焊接工藝試驗，經過對同一型號焊接設備的工作電流、工作電壓、焊接速度、保護氣體流量等各參數的合理匹配，得出了一組焊縫外觀成形好、飛濺少、焊縫化學性能好的焊接參數：對于壁厚12～22mm的不銹鋼管道，使用填充材料為焊絲，開“V”型或“U”型坡口，焊接3～4層，工作電流為140～180A，工作電壓為22～26V，焊接速度為8～12cm/min，氣體流速為20～25L/min。

試件焊接完成，首先清理焊縫表面的氧化膜，接著對焊縫的外觀質量進行了檢查，焊縫外形均勻，焊道與焊道、焊道與基本金屬之間過渡平滑，焊縫寬度、表面凹凸、焊縫余高及余高差在允許范圍內。焊縫表面沒有出現未熔合、焊瘤、咬邊、表面氣孔、裂紋等外觀缺陷。該工程研究部分的管道為高壓管道，強度試驗壓力為370bar，工作壓力為315bar，因此對試件進行了耐壓試驗，壓力試驗合格后，進一步對焊接試件進行了破壞性檢查，以檢驗焊縫的各種力學性能、化學成分和金相組織為目的。依據焊縫檢驗的規范要求對焊接試件的焊縫進行了拉伸試驗、彎曲試驗、RT無損檢測，結果表明焊縫的力學性能能夠達到國家標準要求，焊縫各項化學成分也能夠滿足要求，而且CO2氣體對焊縫無增碳現象，未發現焊縫內部有未熔合、未焊透、氣孔等缺陷，由此得出結論：CO2氣體保護焊焊接奧氏體不銹鋼高壓管道是可行的。

5 管道焊接技術

5.1 一般要求

不銹鋼管道焊接要有專用的場地，一般都是在車間集中焊接，也有現場隨管道安裝位置移動焊接，焊口多數為可轉動的活口，施工所使用的管口組對工具、管口及焊縫的清理工具等必須采用不銹鋼材質，現場如有碳鋼零部件必須分開存放，嚴禁不銹鋼管件、工具與碳鋼件混放，以避免鐵離子的污染。

5.2 焊前準備

5.2.1 管材下料

不銹鋼管下料時要盡量采用機械切割或等離子方法切割，不銹鋼管在下料前應確認好管子的材質和規格，進行詳細的外觀質量檢查，管子表面不允許有撞傷、裂紋、龜裂、砂眼、壓扁和分層等缺陷。應使用專用的砂輪片來完成不銹鋼管的砂輪切割或修磨，使用等離子切割時應留有一定余量，以便于清除淬硬層。

小管徑一般采用無齒鋸切割或者鋸床切割，這種方法成形質量好，但是速度慢，效率低，往往不能夠滿足批量生產需要，僅用于少量加工。大管徑施工現場一般采用等離子切割機下料，等離子切割不銹鋼管速度快、效率高，但切割質量不如機械切割的好，切割口較粗糙。采用等離子切割下料不銹鋼管時，切口部分應留有一定的機械加工余量，以便于進行下道工序前除去淬硬層及過熱金屬部分。切割時應在割口周圍涂一層白堊粉，以減少切割產生的飛濺對管口表面的影響，同時去除熱影響區以保證下一道工序焊接的質量。

不銹鋼管管口切割面質量應滿足以下要求：管子切割口端面應平整順滑，無氧化物、鐵屑、裂紋、重皮、縮口、熔渣、毛刺、凸凹等缺陷；切口端面傾斜偏差度不得大于管子外徑的1%，且應控制在3mm內。

5.2.2 確定坡口形式

坡口角度、坡口面角度、鈍邊高度與根部間隙之間存在著某種相關關系。坡口角度或坡口面角度減小時，根部間隙必須加大。根據設計圖紙及焊接要求，既要達到全熔透之目的又要滿足管道內壁潔凈度的要求，不銹鋼管壁厚3mm以上要進行坡口處理，即管壁厚3～20mm的管口加工為“V”型雙邊35°坡口，根部間隙2.5≤a≤3，鈍邊1≤δ≤1.5，見圖1；管壁厚20～30mm的管口加工為“U”型坡口，根部間隙2.5≤a≤3，鈍邊1≤δ≤1.5，見圖2。

5.2.3 坡口加工

不銹鋼管道坡口加工可以采用等離子弧熱加工的方法，也可以采用機械加工方法。通常情況下，現場采用坡口機來加工不銹鋼管道焊接坡口。在工期緊任務重的情況下，單純用坡口機加工不銹鋼管道坡口，很難滿足施工生產的需求，現場施工可以用等離子切割來輔助坡口機加工坡口，即先用等離子切割去除坡口處大部分管子厚度，除去表面的氧化皮、熔渣及影響接頭質量的表面層，然后用帶有專用砂輪片的磨光機對切割過的管口位置凹凸不平處進行打磨處理找平，去除較大塊鐵渣，粗略找平坡口，確保坡口初加工全部為正偏差，然后將找平后的不銹鋼管放到坡口機上進行二次加工，加工完成并清理污垢,對于不能使用坡口機加工的小管徑，數量少的也可以直接用角磨機打出坡口。

加工完成后先進行外觀檢查，確保坡口內及周圍邊緣20mm內不銹鋼管母材無坡口破損、裂紋、毛刺、重皮、等缺陷。外觀合格的再使用專用焊縫檢驗尺或其他測量工具對焊縫坡口各部位形狀、尺寸、長度及斜度等進行測量，符合坡口設計要求。

5.3 管道組對焊接

5.3.1 管道焊口組對

管道對接采用“V”型雙邊35°坡口和“U”型坡口形式，接口間隙為2.5～3mm，管口對接前再次檢查管口及管內有無雜物、油污，確保管口清理干凈。為了確保對接精度和焊接變形控制，預先制作好專用組對胎具，先在專用胎具上對接好管口，再由專人用鋼板尺、拐尺檢查管道平直度、對口間隙和錯邊量，合格后由焊工對接口四點對稱點焊。清理并組對合格的管口及時進行焊接。

5.3.2 焊接

對于管道壁厚小于3mm的不銹鋼管，直接采用手工氬弧焊來完成。對于管道壁厚大于3mm小于8mm的管口須開“V”型坡口，采用多層多道焊，用手工氬弧焊來完成。對于管道壁厚大于8mm小于20mm的管口對接焊接，加工為“V”型坡口，先用手工氬弧焊打底焊一遍（單面焊雙面成形），后續用不銹鋼藥芯焊絲CO2氣體保護焊多層環形焊接（3～4層），邊轉動管子邊焊接。對于管道壁厚大于20mm小于30mm的管口對接焊接，加工為“U”型坡口，先用手工氬弧焊打底焊一遍（單面焊雙面成形），不銹鋼藥芯焊絲CO2氣體保護焊多層環形焊接(3～5層甚至更多)，邊轉動管子邊焊接。在進行多層多道焊接時，焊接過程中要嚴格控制每層每道焊縫的層間溫度不超過150℃并去除層間飛濺氧化物。現場施工經驗，每層環焊縫焊接完成間隔15-20分鐘即可進行下一層焊接。

不銹鋼藥芯焊絲CO2氣體保護焊容易出現氣孔現象，為避免此現象的發生，需采取以下措施：首先選擇合適的氣體流量，氣體流量太大太小都會造成焊縫產生氣孔，通過調試CO2氣體流量為20～25L/min為最佳；其次，在CO2氣體使用前將氣瓶倒置24h后放水1～2次，在CO2氣瓶出口處安裝預熱器和高壓干燥器，預熱器的作用是防止CO2從高壓降至低壓時吸熱而引起氣路結冰堵塞，高壓干燥器用來除去氣中的水分，通常還可以在減壓之后再安裝一個低壓干燥器，進一步吸收氣體中的水分，避免焊縫中產生氣孔。再次焊絲開包后應盡快用完，并存放于干燥、通風的環境中。焊接時焊接位置采用平焊略帶爬坡（向上傾斜15°）的方式，即焊槍角度與工件成75°～85°夾角，焊槍擺動速度和擺動幅度要均勻，即呈小幅度鋸齒形擺動，具體擺動參數由焊工自己掌握，以熔合兩側母材而不產生咬邊缺陷為宜。

6 焊后檢驗

液壓系統高壓不銹鋼管道焊接完畢，首先清理焊縫表面的氧化膜，接著對焊縫的外觀質量進行了檢查，焊縫外形均勻，焊道與焊道、焊道與基本金屬之間過渡平滑，焊縫寬度、表面凹凸、焊縫余高及余高差在允許范圍內。焊縫表面沒有出現未熔合、焊瘤、咬邊、表面氣孔、裂紋等外觀缺陷。接著對管道進行了壓力試驗，強度試驗壓力為370bar，試驗時間10分鐘，嚴密性試驗壓力為315bar，保持時間30分鐘，管道系統打壓一次成功，壓力試驗合格后，經RT無損檢測焊接一次合格率達到了98%，各項指標均達到了圖紙和規范的要求。

7 效果

經現場采用氬弧焊打底+CO2氣體保護焊與傳統手工氬弧焊對比測定，一個焊工焊接的不銹鋼高壓焊口全部用手工氬弧焊焊接，一個工作日可以焊2個焊口，改用手工氬弧焊打底+CO2氣體保護焊焊接不銹鋼高壓焊口一個工作日能焊接5～6個焊口，焊接效率大大提高，同時，也節約了材料費等。就我公司某拉伸機系統來說，不銹鋼管道焊接節約了人工費18400（元），節約了材料費9920元，節約了機械費3542元，節約了電費3291.6元，共節約成本35158.6元。

8 總結

采用熔化極氣體保護焊（CO2氣體）藥芯焊絲焊接液壓系統高壓不銹鋼管道在某80MN鋁板拉伸機設備安裝工程中的的應用,經焊縫化學成分分析、拉伸試驗、彎曲試驗、RT無損檢測、壓力試驗等檢驗，焊縫滿足使用要求、設計圖紙要求及國家規范的要求,與常規氬弧焊對比，熔化極氣體保護焊（CO2氣體）焊接鋁加工設備液壓系統高壓不銹鋼管道具有焊接效率高、焊縫區域影響小、焊接變形小、焊接質量好、節能環保、焊接成本低等優點，有一定的發展前景，具有推廣價值。因此，熔化極氣體保護焊（CO2氣體）藥芯焊絲焊接高壓不銹鋼管道管道是可行的。