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脉冲钨极氩弧焊技术在双金属复合管中的应用

2022-03-26吴颖东

家园·电力与科技 2022年2期
关键词:应用

吴颖东

摘要:钨极氩弧焊热量集中、热影响区小、变形小、最适宜应用在双金属复合管中。焊接时如能选用合适的工艺、设备,可得到成形较好的焊缝。

关键词:脉冲钨极、氩弧焊技术、双金属、复合管、应用

引言:脉冲钨极氩弧堆焊工艺已成为一种高效、节能的复合管管端堆焊工艺,它在复合管管端堆焊应用中,适合于薄壁管道的焊接,也可以焊接热敏感性高的金属材料。脉冲钨极氩弧焊采用低频调制的直流脉冲电流加热工件,焊接时通过对脉冲占空比、脉冲电流大小、脉冲电流频率的调节,达到控制焊接热输入量大小的目的,从而控制焊缝及热影响区的尺寸和堆焊质量。

1钨极氩弧焊特点

1.1钨极氩弧焊的主要特性

钨极氩弧焊应用了脉冲电弧,它具有热输入低、热量集中、热影响区小、焊接变形小、热输入均匀,能较好地控制线能量;保护气流具有冷却作用,可降低熔池表面温度,提高熔池表面张力;便于操作,容易观察熔池状态,焊缝致密,机械性能好,表面成形美观。

1.2钨极氩弧焊的工艺技术要领

1.2.1引弧、定位焊

在实际生产中,钨极氩弧焊常用引弧器引弧,在高频电流或高压脉冲电流的作用下,使氩气电离而引然电弧,定位焊时,焊丝应比常用焊丝细,因点焊时温度低、冷却快,电弧停留时阃较长,故容易烧穿,进行点固定位焊时,应把焊丝放在点焊部位,电弧稳定后再移到焊丝处,待焊丝熔化并与两侧母材熔合后迅速停弧。

1.2.2正常焊接

用普通钨极氩弧焊进行薄板焊接时,电流均取小值,当电流小于20A时,易产生电弧漂移,阴极斑点温度很高,会使焊接区域产生发热烧损和发射电子条件变差,致使阴极斑点不断跳动,很难维持正常焊接,而采用脉冲钨极氩弧焊时,峰值电流可使电弧稳定,指向性好,易使母材熔化成形,并循环交替,确保焊接过程的顺利进行,能得到性能良好、外观漂亮、形成熔池互相搭接的焊缝。

(1)正常焊接时可采用1.0焊丝,先在定位点起弧,待焊点熔化并与工件两侧熔合后再送入焊丝,焊丝始终跟随熔池,焊枪的喷嘴与焊件表面构成80度左右夹角,焊丝与焊件表面夹角为10度左右,在不妨碍视线情况下,尽量采用短弧焊接以增强氩气保护效果,应注意观察熔池的大小,焊速应先稍慢后快,焊枪通常不摆动、焊速和焊丝应根据具体情况密切配合,尽量减少接头、焊缝长度一次性不宜焊接过长,否则会囡过热而形成塌陷甚至烧穿。就算补焊完整,Cr、Ni等元素大量烧损,对材料耐蚀性非常不利。

(2)焊接结束时,如果收弧方法不正确,在收弧时易产生弧坑、裂纹、气孔以及烧穿等缺陷,因此,最好使用引出板,焊后将引出板切除掉,如没有引出板或没有采用电流自动衰减装置的焊机,收弧时要多向熔池送丝,填满弧坑,然后缓慢收弧。

2脉冲钨极氩弧堆焊工艺参数对焊缝成形的影响

2.1脉冲电流

脉冲电流是决定焊缝成形尺寸的主要参数之一。一方面,峰值脉冲电流影响熔滴的过渡形式,采用合理的脉冲峰值、基值电流数值组合能够促进熔滴过渡,同时电弧稳定性增强;另一方面,由于脉冲电流周期性变化引起的电弧压力也发生周期性变化,造成熔池表面液体上下振动,有利于气体逸出,减少气孔的产生,电流的搅拌作用也使焊缝晶粒得到细化,降低裂纹敏感性,焊缝力学性能获得提高,但是峰值脉冲电流过大,会使焊接过程不稳定,容易出现过烧现象,基值脉冲电流,它的主要作用是维持电弧燃烧,也提供一个熔池冷却凝固条件,使焊件不致烧穿。

2.2脉冲频率

脉冲频率的选择也是保证焊接质量的重要问题,脉冲频率对平均电流有着重要的影响,脉冲频率主要根据焊接电流来确定,每次脉冲电流通过时,焊件上就产生一个点状熔池。在基值电流期间,点状熔池不继续扩大,而且冷凝结晶,这样在下次脉冲电流到来时已存在一部分熔池凝固形成一个焊点。下一次脉冲电流到来时,在上一个凝固焊点边缘又产生一个新熔池,基值电流期间又形成另一个新焊点。如此重复地进行,就获得由许多焊点连续搭接而成的脉冲焊缝。

2.3焊接速度

焊接速度直接影响焊接生产效率和焊接质量。焊接速度过高,焊接时形成的熔池温度过低,会造成未焊透、未熔合、焊缝成形不良等缺陷;焊接速度过低,高温停留时间过长,扩大热影响区,导致焊接接头的晶粒粗大,降低其力学性能,焊接过后管件的变形量增大。

3焊接工艺试验及评定

双金属复合管基管材料为L360QS,耐蚀合金内衬为316L,双金属复合管规格为219×(10+2),在焊接材料选择时首先考虑力学性能,同时按照母材的化学成分选择与之匹配的焊材,此外管道的使用环境条件也是焊材选择的重要标准之一。按照上述要求,双金属复合管的焊接选用规格为φ2.5mm的ERNiCrMo-3焊丝,为基层和内衬层均适合的焊材。

3.1堆焊工艺参数的确定

根据堆焊工艺参数对焊缝成形的影响,制定了堆焊工艺参数。焊工应按照焊接工艺规程要求对管道进行堆焊,试件焊接过程中管道内部进行充氩保护且要注意焊接表面的清理。

3.2焊接工艺评定

完成管端堆焊工艺试验后,按照DNV-OS-F101《海底石油管线》的要求进行了焊接工艺评定试验。

3.2.1无损检测

根据堆焊检测标准,首先进行堆焊外观检验,堆焊层表面呈均匀鱼鳞状焊缝外形,没有咬边、裂纹和气孔,按DNV-OS-F101《海底石油管线》要求进行射线探伤检测,结果为Ⅰ级合格。

3.2.2金相检验

复合管管端脉冲钨极氩弧堆焊后的微观金相组织可以看出,焊缝与母材熔合良好,未发现气孔、显微裂纹和异常组织。堆焊焊道熔合区尺寸较小,熔合线附近的晶粒粗化不明显,焊缝中的组织相分布均匀,晶粒细小。这主要是因为脉冲焊热输入较小,冷却速度较快,抑制了晶粒的长大,细化了奥氏体晶粒,从而获得强度更高、韧性更好的焊缝组织。

3.2.3拉伸试验

拉伸试验结果试样屈服强度、抗拉強度、延伸率、屈强比均符合标准要求,且断裂位置均位于衬层及非堆焊层区域的基层。

3.2.4弯曲试验

按照DNV-OS-F101《海底石油管线》要求进行弯曲试验,弯曲试验芯棒直径为50.8mm,两支承辊间距离为73.8mm,弯曲角度180°;试验结果要求没有开裂、裂纹、表面未发现气孔和夹渣。经检测弯曲试验结果全部合格。

3.2.5冲击试验

试样采用夏比V形缺口,按照ASTMA370标准规定进行试验,要求在室温下进行试验,对于每一组试样,单个冲击功≥90J,平均值≥109.5J。冲击试验结果可以看出,堆焊层冲击结果远远大于规定值,说明采用脉冲钨极氩弧堆焊工艺的堆焊层的冲击性能是非常理想的。

3.2.6焊缝金属晶间腐蚀试验

按照ASTM-A262标准进行试验,取3个堆焊层试样放置在腐蚀溶液中,进行24h加热试验,取出后洗净、干燥、弯曲,其检测结果为未发现晶间裂纹,也无晶间腐蚀倾向。

结束语:随着焊接技术的发展,在国内双金属复合管管道焊接中,逐渐采用脉冲钨极氩弧焊堆焊方法。脉冲钨极氩弧焊堆焊技术具有电弧稳定、热输入小、便于精确控制电弧能量分布等特点,该技术采用脉冲式加热,熔池中金属高温停留时间短,金属冷凝速度快,可减少热敏感材料产生裂纹的倾向性。

参考文献:

[1]石玗,郭朝博,黄健康,等.脉冲电流作用下TIG电弧的数值分析[J].物理学报,2011(4):1-7.

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