不銹鋼管內(nèi)充氮保護(hù)的TIG焊工藝

1、奧氏體不銹鋼管內(nèi)充氮保護(hù)的TIG焊工藝 摘 要 在丘陵120104Nm3/d氣體處理裝置工程中,采用價(jià)格低廉的氮?dú)獯鏆鍤獬淙?Crl8Ni10Ti不銹鋼管內(nèi)進(jìn)行的TIG焊工藝試驗(yàn)表明：不銹鋼氬弧焊焊縫背面充氮保護(hù)可有效防止焊縫背面氧化，氮無明顯的溶入反應(yīng)，對焊縫的組織和性能無不利影響，焊接質(zhì)量可滿足工程需要，且比充氬保護(hù)降低成本30以上。主題詞 不銹綱 焊接 氣體 保護(hù) 工藝 試驗(yàn)1、序言 鎢極氬弧焊(以下簡稱TIG焊)由于易獲得高質(zhì)量的焊縫，尤其能獲得優(yōu)良的單面焊雙面成形焊縫，在石油化工及電力建設(shè)等施工中得到了廣泛的應(yīng)用。但在用于不銹鋼等高合金鋼焊接時(shí)，焊縫背面必須進(jìn)行充氬保護(hù)。由于氬氣價(jià)

2、格昂貴，往往造成焊接成本的較大提高，工程實(shí)踐表明，用于焊縫背面保護(hù)的用氣量占整個(gè)TIG焊接用氣量的6080。因此，近年來國內(nèi)外相繼開發(fā)了背面保護(hù)軟墊、背面保護(hù)焊劑、藥芯焊絲等保護(hù)工藝，但在使用中仍存在價(jià)格昂貴,使用不便等一些問題，影響了推廣應(yīng)用。 氮是一種惰性氣體，某些特性與氬接近，且來源較廣，價(jià)格僅為氬的5-10，工程中以氮代氬進(jìn)行不銹鋼T1G焊的焊縫背面保護(hù)無疑對降低施工成本具有重要價(jià)值。我們對0Cr18Ni10Ti鋼管進(jìn)行焊縫背面充氮保護(hù)工藝試驗(yàn)，研究管內(nèi)充氮對焊接過程的影響，提出充氮保護(hù)工藝的可行性，并找出適合生產(chǎn)需要的管內(nèi)充氮的T1G焊工藝參數(shù)。2 充氮保護(hù)TIG焊工藝試驗(yàn)2.1 試

3、驗(yàn)條件 選用0Cr18Ni10Ti無縫鋼管，規(guī)格1146，焊絲牌號(hào)HO0Cr2lNi10，直徑2.5mm，焊絲及母材的化學(xué)成分見表1。選用直徑2.5mm的鈰鎢極，氬氣為工業(yè)一級純氬，純度9995，含水量50mg/m3；氮?dú)鉃楣I(yè)一級純氮，純度995，含水量50 mg/m3。 焊縫背面采用管內(nèi)整體充氮方法，充氣參數(shù)的選擇符合下式： U=1-e-k“99.9 式中 u充氮區(qū)域內(nèi)氮濃度 e自然對數(shù)的底 K充裝系數(shù)，K=QA Q充氣量 A充氣區(qū)域容積焊前采用化學(xué)方法或機(jī)械方法將不銹鋼焊件坡口附近及焊材表面的油污清理干凈，然后用不含硫的丙酮或乙醇進(jìn)行脫脂處理。表1 焊絲、母材及焊縫的化學(xué)成分項(xiàng)目CMnS

4、iSPCrNiTi母材0.051.350.730.0060.02917.849.650.28焊絲0.051.680.590.0190.02118.669.650.10充氬焊縫0.061.590.450.0090.01718.269.420.17充氮焊縫0.051.370.450.0100.03218.269.370.172.2 工藝性能試驗(yàn)用正交試驗(yàn)法優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，確定選表2所列參數(shù)焊制試件(一組包括三個(gè)試件，預(yù)充氣10min后施焊)，焊后進(jìn)行焊縫外觀及射線探傷檢驗(yàn)，結(jié)果X射線探傷檢驗(yàn)全為I級(按JB4730-94標(biāo)準(zhǔn))，焊縫根部成形良好，無氧化夾渣、無根部熔合不良及焊瘤等現(xiàn)象，焊縫背面顏

5、色為金屬本色銀白色。表2 焊接工藝參數(shù)表試件編號(hào)焊接電流(A)焊接電壓(V)焊接速度(cm/min)正面保護(hù)氣流量(L/min)背面保護(hù)氣流量(L/min)充氮18012-144-58-123-5210012-144-58-128-1238012-144-58-123-5410012-144-58-128-12充氬58012-144-58-123-568012-144-58-128-123、試驗(yàn)結(jié)果3.1焊縫的化學(xué)成分及力學(xué)性能焊縫的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。工程中不銹鋼管主要在低溫條件下使用，我們對焊接接頭按照GB2651-89焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法、GB2653-89焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法

6、、GB2650-89焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法規(guī)定進(jìn)行了的力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：所有接頭拉伸試驗(yàn)均斷于母材，b為508-596Mpa；彎曲無裂紋：焊縫沖擊功60J，且充氮保護(hù)與充氬保護(hù)焊縫的沖擊功無明顯的差別；按照GB4334.585 “不銹鋼硫酸硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法”進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，晶間腐蝕試樣經(jīng)16h煮沸后進(jìn)行180彎曲(沿熔合線)，用10倍放大鏡檢查無裂紋，結(jié)果全部合格。3.2焊縫中鐵素體和氮、氧含量測定用磁性鐵素體測定儀根據(jù)GBl95480“鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體測量方法”測定焊縫中的鐵素體含量，用紅外線吸收分析儀測定焊縫中的氧、氮含量，結(jié)果見表3。從表3可以看出：背面充氮保護(hù)焊縫與背

7、面充氬保護(hù)焊縫中的氧、氮含量接近，且焊接電流及背面充氣流量的變化未引起焊縫中的氧、氮較明顯的規(guī)律性變化。由此可見，焊縫背面充氮保護(hù)對縫中的氧、氮含量影響很小，焊縫金屬無滲氮、滲氧現(xiàn)象。 表3 焊縫中的氧(O)、氮(N)及鐵素體(F)含量試件編號(hào)FON充氮16.50.010.0126.60.00690.01335.40.00890.01447.50.010.01充氬57.00.00720.01966.50.00830.012奧氏體不銹鋼焊縫的鐵素體含量一般保持在3-8%時(shí)，就可以獲得良好的綜合性能。試驗(yàn)測得焊縫中的鐵素體含量均在此范圍內(nèi)。3.3焊縫顯微組織的金相觀察采用50%鹽酸酒精溶液浸蝕后的

8、光學(xué)金相試樣，用光鏡和電鏡觀察焊縫的顯微組織特征，圖1所示為鐵素體分布形態(tài)。圖1 鐵素體分布形態(tài)圖一般奧氏體不銹鋼的焊縫組織為奧氏體和鐵素體的雙相組織，有時(shí)在多層焊縫中可能出現(xiàn)對塑性和韌性極為不利的相，其中鐵素體的形態(tài)、數(shù)量和分布對焊縫的韌性和耐蝕性有定影響。觀察結(jié)果表明：焊縫中主要為任意分布的條狀和球狀鐵素體(僅個(gè)別焊縫有極少量的蠕蟲狀的鐵素體)，無樹枝晶組織，也沒有發(fā)現(xiàn)相，焊縫組織正常，充氮保護(hù)焊縫與充氬保護(hù)焊縫的顯微組織結(jié)構(gòu)無明顯差別。 3.4焊縫中氮、氧分布圖2焊縫中N元素分布曲線圖3焊縫中N元素分布曲線圖4焊縫中N元素分布曲線用JEX7100型電鏡(SEM)對焊縫截面觀察并用電子探針

9、(WDX SEMl000)進(jìn)行N、O、Cr元素的分布及背面焊縫表面膜厚度分析，測得不同焊縫中N、O、Cr元素分布曲線見圖2-4。由氮的分布曲線可見，在Cr分布急劇增加的焊縫表面膜中，氮在焊縫截面上分布基本是均勻的，無表面氮高峰出觀，且充氮保護(hù)焊縫中氮的相對含量與充氬保護(hù)焊縫一致，O的分布曲線幾乎為一條水平線，可見焊縫中的氧含量非常低，以至于用WDS無法分析出來，由此可見，充氮保護(hù)焊縫表面無氮化層存在，也無明顯的滲氮、氧化現(xiàn)象，由Cr的分布曲線可以測出焊縫背面膜厚度約為15m。35 沖擊斷口觀察及夾雜物分析圖5 充氮試樣沖擊斷口微觀形貌圖6 充氮試樣沖擊斷口微觀形貌用SEM（S-520）觀察焊縫

10、沖擊斷口微觀形貌（圖5-6），充氮和充氬結(jié)果表明：常溫沖擊斷口由剪切唇及纖維區(qū)組成，放射區(qū)消失，纖維區(qū)塑變痕跡明顯，為典型的韌性斷口，斷口上分布的夾雜物較少，用EDX(能譜)分析表面夾雜物中含有Ti、Cr、Fe，而這些元素均與O、N有較高的親和力。 4 試驗(yàn)結(jié)果分析TIG焊不銹鋼焊接熔池般無冶金保護(hù)作用，若對熔池保護(hù)不良，會(huì)使焊縫成形變差，性能惡化。氮對液態(tài)金屬的作用主要表現(xiàn)為溶解與反應(yīng)。氮在鐵中的溶解主要以原子形式溶入，可以計(jì)算出熔池中的最大溶解氮量為0.032，但氮對金屬的作用還要受到合金元素、作用時(shí)間、作用界面及狀態(tài)的影響，一般充氮保護(hù)時(shí)氮對熔池的作用很不充分，因此，氮在熔池中的溶入量將

11、受到限制，本試驗(yàn)測得焊縫中的實(shí)際氮含量小于0.019，與不銹鋼母材中的氮的含量相當(dāng)；用電子探針對焊縫中氮的分布分析表明，焊縫背面無氮化層存在；用電鏡觀察焊縫沖擊斷口形貌為典型的韌性斷口，斷口上夾雜物分布較少；宏觀性能試驗(yàn)表明，焊縫性能良好，與充氬保護(hù)焊縫無明顯差別。因此，TIG焊焊縫背面充氮保護(hù)可獲得理想的焊接質(zhì)量。5 工程應(yīng)用在丘陵120104Nm3/d氣體處理裝置工程施工中，我們用氮?dú)廛噷Σ讳P鋼管道進(jìn)行內(nèi)充氮保護(hù)，取得了成功。在保證工程施工質(zhì)量的前提下，節(jié)約了大量的工程成本。為工程創(chuàng)優(yōu)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。6 結(jié)論從分析和工程應(yīng)用結(jié)果,可得出如下結(jié)論：(1)TIG焊不銹鋼時(shí)，焊縫背面充氮保護(hù)可有效地防止焊縫氧化，氮在焊縫中無明顯的滲入與反應(yīng)，對焊縫的組織和性能無不良影響，焊接接頭性能優(yōu)良，工藝可行。(2)充氮參數(shù)的選擇應(yīng)符合U=1-e-k，且U99.9要求，流量的選