CN1272139C - 不锈钢管背面无保护实芯焊丝打底焊接工艺 - Google Patents
不锈钢管背面无保护实芯焊丝打底焊接工艺 Download PDFInfo
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Abstract
一种不锈钢管背面无保护实芯焊丝打底焊接技术，属于材料加工工程的焊接领域，主要用于石油、化工、医药、造船、食品等领域的奥氏体不锈钢的焊接。本发明特征在于，采用实芯焊丝ER308L-Si或ER316L-Si配合配比为：氦气的体积百分含量为85～94%；氩气的体积百分含量为5～10%；二氧化碳气体的体积百分含量为1%～5%的多元混合气体(He+Ar+CO2)按照常规的焊接规范参数进行不锈钢管道的打底焊接。本发明背面无需保护气体，可减少焊前的准备工作以及充氩所需的费用，因而可提高生产效率，降低生产成本。因背面无需保护气体，尤其适用于大直径不锈钢管道、长距离不锈钢管道、现场高空作业等的焊接施工。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程的焊接领域，主要用于石油、化工、医药、造船、食品等领域的奥氏体不锈钢的焊接。
背景技术
不锈钢管的焊接通常由打底焊、填充焊和盖面焊三部分组成，其中打底焊是不锈钢管道焊接中最关键的一环，其焊缝背面氧化问题一直难以完满解决。目前不锈钢打底主要分为背面充保护气体和背面不充保护气体两种。
1、背面充保护气体主要是实心焊丝(棒)的钨极氩弧焊
这是目前使用最多，应用最广的不锈钢管焊接技术，适合于管径20～500mm，壁厚在3mm以上的不锈钢管焊接。
背面可充氩气、氮气、氮氢混合气体等进行保护。充气的方法有很多种，但都有一定的局限性。
这种焊接工艺焊前准备工作较多，充氩气、氮气保护时由于没有脱氧或去氢作用，对焊前的除油、去锈、去水等准备工作要求较严，因此，劳动生产率较低，劳动量较大，工艺复杂，焊接成本高，尤其是在现场高空、长距离管道施工时，背面充氩几乎是不可能的。
2、背面不充保护的气体的焊接方法主要是药芯焊丝(棒)的钨极氩弧焊。
药芯焊丝(棒)氩弧焊打底是在80年代由日本首先应用的。这种焊接方法主要解决现场安装时的固定口焊接。其原理是利用药芯焊丝(棒)中渣气保护的机理，焊接时熔化的熔渣可流到管内并均匀覆盖住背面焊缝，因而保护了背面焊缝不受氧化。焊后熔渣可自行脱落，用水或压缩空气可将内部熔渣冲刷掉。
这种焊接方法的突出优点是施焊时不锈钢管内部不需充气体保护，因而大大简化了焊接工艺，降低了焊接成本。但由于药芯焊丝本身固有的特性，这种焊接方法也存在着一定的缺陷：一、由于药芯焊丝熔化速度快，焊工需要快速准确地将焊丝送到正确位置，因而要求焊工操作水平要高；二、用药芯焊丝打底时会产生熔渣，焊工观察熔池时没有实芯焊丝清楚，不易判断背面熔透情况。三、由于药芯焊丝中间为药粉，外层为钢皮，焊接时电弧围绕钢皮燃烧，易产生电弧的迁移，造成电弧摆动，影响不锈钢管两侧的熔合。
此外，由于这种方法在焊缝背面产生熔渣，并不适用于纯净管道(如食品行业用不锈钢管道)的焊接。
发明内容
本发明采用不锈钢实芯焊丝配合多元混合气体(He+Ar+CO2)对不锈钢管道进行打底，背面无需气体保护，突破了传统的背面充氩保护的钨极氩弧焊打底工艺以及背面不保护必需采用渣气联合保护的机理，熔池可见，没有熔渣覆盖，使不锈钢管道打底焊接技术水平上了一个台阶。
本发明与背面充氩钨极氩弧焊相比，背面无需保护气体，可减少焊前的准备工作以及充氩所需的费用，因而可提高生产效率，降低生产成本。因背面无需保护气体，尤其适用于大直径不锈钢管道、长距离不锈钢管道、现场高空作业等的焊接施工。
本发明与药芯焊丝钨极氩弧焊相比，一方面，熔池可见度高，焊工可清晰地观察到熔池的流动状态及判断焊缝背面熔透情况，从而可较容易控制焊缝成形，因此，对焊工的技术水平要求不高。另一方面，由于采用实芯焊丝，焊后无需清渣，可减少焊后的清理工作，尤其适用于奥氏体不锈钢纯净管道的焊接。
经对国内外专利进行检索，未见有相关的专利报道。
本发明采用实芯焊丝ER308L-Si和ER316L-Si配合多元混合气体(He+Ar+CO2)用于A304、A304L、A316、A316L奥氏体不锈钢管道的打底焊接。
本发明提供了一种不锈钢管背面无保护实芯焊丝打底焊接技术，其特征在于，采用实芯焊丝ER308L-Si或ER316L-Si配合配比为：氦气的体积百分含量为85～94％；氩气的体积百分含量为5～10％；二氧化碳气体的体积百分含量为1％～5％的多元混合气体(He+Ar+CO2)按照常规的焊接规范参数进行不锈钢管道的打底焊接。
实芯焊丝ER308L-Si和ER316L-Si的直径分别为2mm，2.4mm。
直径为2mm的焊丝，其焊接规范参数如下：
焊接电流：80A～130A 焊接电压：10V～16V 气体流量：10～20L/min
直径为2.4mm的焊丝，其焊接规范参数如下：
焊接电流：90A～150A 焊接电压：12V～18V 气体流量：10～20L/min
实芯焊丝ER308L-Si和ER316L-Si为富硅焊丝。硅含量提高，一方面可增加焊缝金属的流动性，有利于气体的逸出；另一方面，在焊接过程中，焊缝背面的硅在高温时优先和空气中的氧结合，起到了保护背面焊缝金属的作用，有利于防止焊缝背面氧化。
多元混合气体的作用及体积百分比为：
He：单原子惰性气体，导热系数大，其最大的优点是电弧在He气中燃烧时，电弧温度高，电弧电压也较高，因此，母材热输入较大，从而可改善焊缝熔深。多元混合气体中加入氦气，可提高焊接速度，约为于钨极氩弧焊的两倍，因而可减少背面焊缝金属的高温停留时间，有利于防止背面焊缝氧化。其体积百分含量为：85～94％。
Ar：单原子惰性气体，导热系数很小，高温时不易分解吸热。因此氩气中电弧燃烧非常稳定，热量损失也较少。用氩气作保护气体时，不易漂浮散失，可防止空气中的氧侵入。此外，混合气体中加入氩气，还可减少飞溅。其体积百分含量为：5～10％。
He+Ar混合气体可改善焊缝熔深、减少气孔和提高生产率。
CO2：氧化性气体，混合气体中加入CO2气体，一方面可增强电弧的穿透力，增大熔深，提高焊丝的熔化效率，一方面又可克服阴极飘移现象及焊缝成形不良等问题。其体积百分含量为1％～5％。
具体实施方式
母材采用A304L，其化学成分如表1所示。焊接坡口及焊缝试样按照GB4334.5-90进行选取。
背面充氩保护的钨极氩弧焊(对比例)使用ER308L焊丝，直径为2mm，其具体的焊接工艺参数如下：焊接电流：120A～130A 焊接电压：9V～16V 气体流量8L/min～15L/min
选取本发明实例与背面充氩的钨极氩弧焊(对比例)进行对比，具体实施方式如下：
焊接设备采用钨极氩极焊，其型号为：KEMPPI TU50。焊丝使用ER308L-Si，焊丝直径为2.0mm。电流种类为直流正接性。
实施例1：混合气体配比为：氦气体积百分比为85％；氩气体积百分比为10％，二氧化碳体积百分比为5％，按照如下焊接工艺参数进行焊接：
焊接电流：100A～120A 焊接电压：15V～16V 气体流量：12～15L/min
实施例2：混合气体配比为：氦气体积百分比为90％；氩气体积百分比为7％，二氧化碳体积百分比为3％，按照如下焊接工艺参数进行焊接：
焊接电流：100A～120A 焊接电压：15V～16V 气体流量：12～15L/min
实施例3：混合气体配比为：氦气体积百分比为94％；氩气体积百分比为5％，二氧化碳体积百分比为1％，按照如下焊接工艺参数进行焊接：
焊接电流：100A～120A 焊接电压：15V～16V 气体流量：12～15L/min
母材采用A316L，其化学成分如表1所示。焊接坡口及焊缝试样按照GB4334.5-90进行选取。
背面充氩保护的钨极氩弧焊(对比例)使用ER316L焊丝，焊丝直径为2.4mm。其具体的工艺参数为：焊接电流：120A～130A 焊接电压8V～10V 气体流量10L/min～15L/min
选取本发明实例与背面充氩的钨极氩弧焊(对比例)进行对比，具体实施方式如下：
焊接设备采用钨极氩极焊，其型号为：KEMPPI TU50。焊丝使用ER316L-Si，焊丝直径为2.4mm。
实施例4：混合气体配比为：氦气体积百分比为85％；氩气百分比为10％，二氧化碳体积百分比为5％，按照如下焊接工艺参数进行焊接：
焊接电流：120A～130A 焊接电压：16V～17V 气体流量：12～15L/min。
实施例5：选用直径为2.0mm的焊丝，混合气体配比为：氦气体积百分比为89％；氩气百分比为8％，二氧化碳体积百分比为3％，按照如下焊接工艺参数进行焊接：焊接电流：120A～130A 焊接电压：16V～17V 气体流量：12～15L/min。
实施例6：选用直径为2.0mm的焊丝，混合气体配比为：氦气体积百分比为94％；氩气百分比为5％，二氧化碳体积百分比为1％，按照如下焊接工艺参数进行焊接：焊接电流：120A～130A 焊接电压：16V～17V 气体流量：12～15L/min。
焊后进行力学性能、腐蚀性能的测试。A304L不锈钢焊接接头力学性能测试结果见表2。A316L不锈钢焊缝力学性能测试结果见表3。晶间腐蚀性能按照GB4334.5-90进行测试。A304L不锈钢焊接接头晶间腐蚀性能测试结果见表4。A316L不锈钢焊接接头晶间腐蚀测试结果见表5。从上述试验结果可以看出，焊接接头的性能完全符合AWS(美国国家标准)、GB(中国国家标准)的有关规定。
采用本发明，工艺简单，生产效率高，焊接工艺性能良好。
表1 A304L及A316L不锈钢的化学成分
| 钢号 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo | N |
| A304L | ≤0.03 | ≤1.00 | ≤2.00 | ≤0.030 | ≤0.035 | 17.00～19.00 | 8.00～12.00 | - | - |
| A316L | ≤0.03 | ≤1.00 | ≤2.00 | ≤0.030 | ≤0.035 | 16.00～18.00 | 12.00～16.00 | 1.80～2.50 | 0.15～0.25 |
表2 A304L不锈钢焊接头力学性能测试
| 焊接方法 | 弯曲试验 | 抗拉强度(MPa) | 却贝冲击值(J) | 维氏硬度 | 母材晶粒尺寸 | 焊接热影响区晶粒尺寸 |
| 对比例 | 符合国家标准 | 570 | 142J-46℃ | 207HV | 5级 | 4级 |
| 实施例1 | 符合国家标准 | 564 | 156J-46℃ | 209HV | 4级 | 4级 |
| 实施例2 | 符合国家标准 | 568 | 154J-46℃ | 208HV | 4级 | 4级 |
| 实施例3 | 符合国家标准 | 566 | 157J-46℃ | 209HV | 4级 | 4级 |
表3 A316L不锈钢焊接接头力学性能测试
| 焊接方法 | 弯曲试验 | 抗拉强度(MPa) | 却贝冲击值(J) | 维氏硬度 | 母材晶粒尺寸 | HAZ晶粒尺寸 |
| 对比例 | 符合国家标准 | 524 | 126J-46℃ | 212HV | 4级 | 3～4级 |
| 实施例4 | 符合国家标准 | 527 | 128J-46℃ | 212HV | 4级 | 4级 |
| 实施例5 | 符合国家标准 | 525 | 126J-46℃ | 210HV | 4级 | 4级 |
| 实施例6 | 符合国家标准 | 528 | 128J-46℃ | 214HV | 4级 | 4级 |
表4 A304L不锈钢焊接接头晶间腐蚀
| 对比例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 晶间腐蚀情况 | 无晶间腐蚀 | 无晶间腐蚀 | 无晶间腐蚀 | 无晶间腐蚀 |
表5 A316L不锈钢焊接接头晶间腐蚀
| 对比例 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | |
| 晶间腐蚀情况 | 无晶间腐蚀 | 无晶间腐蚀 | 无晶间腐蚀 | 无晶间腐蚀 |
Claims (1)
1、一种不锈钢管背面无保护实芯焊丝打底焊接工艺，其特征在于，采用实芯焊丝ER308L-Si或ER316L-Si配合配比为：氦气的体积百分含量为85～94％；氩气的体积百分含量为5～10％；二氧化碳气体的体积百分含量为1％～5％的多元混合气体He+Ar+CO2，按照常规的焊接规范参数进行不锈钢管道的打底焊接。
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