船用不銹鋼管道焊接技術(shù)研究

祝樂 王鎖英

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

船上不銹鋼管道輸送的介質(zhì)為水（淡水或純水）、油等，如果管道在安裝過(guò)程中，管內(nèi)焊縫有毛刺、凹坑、焊縫過(guò)高等缺陷，會(huì)導(dǎo)致管路流阻增大，水、油等在管內(nèi)積留，影響系統(tǒng)的冷卻效果或系統(tǒng)性能，所以對(duì)該種管道的焊縫成型要求特別高，要求雙面成型，不允許咬邊和未焊透。焊縫高度0～1 mm，坑深度不超過(guò)0.3 mm，尤其是管內(nèi)焊縫必須成型均勻，光滑無(wú)毛刺，焊縫高度均勻0～0.3 mm。針對(duì)此情況，對(duì)船用不銹鋼管道的焊接，反復(fù)研究、試驗(yàn)、總結(jié)焊接技術(shù)數(shù)據(jù)，改進(jìn)和提高焊接技術(shù)，保證了工程安裝質(zhì)量要求。

2 焊接設(shè)備選擇

在船上應(yīng)盡量選擇管壁薄、強(qiáng)度高的不銹鋼管道。一般艙室中不銹鋼管壁薄2～3 mm，焊接熔淺，焊縫要求雙面成型，管口不被氧化等條件，選擇直流鎢極氬弧焊機(jī)(正接法)，它具有以下特點(diǎn)，能滿足船用不銹鋼管道焊接的要求：

圖1 船用不銹鋼管道

（1）鎢極因發(fā)熱量小，不易過(guò)熱，同樣大小直徑的鎢極可以采用較大的電流，工件發(fā)熱量大，生產(chǎn)率高，而且由于鎢極為陰極，熱電子發(fā)射力強(qiáng)，電弧穩(wěn)定而集中。

（2）氬氣有效地隔絕周圍空氣，鎢極不發(fā)生反應(yīng)，鎢極氬弧焊中電弧還有自動(dòng)清除工件表面氧化的作用。

（3）鎢極電弧穩(wěn)定，即在很小的焊接電流下仍可穩(wěn)定燃燒一特別適用于薄壁管的焊接。

（4）熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入易調(diào)節(jié)?？蛇M(jìn)行各種位置的焊接，也是實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型的理想方法。

（5）由于填充焊絲不通過(guò)電弧，故不會(huì)產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀。

3 焊接方法的選擇

焊接方法的選擇，應(yīng)根據(jù)被焊工件的材質(zhì)和質(zhì)量要求等情況來(lái)決定。船用不銹鋼管道主要是薄壁小口徑不銹鋼管道，焊縫要求雙面成型，光滑無(wú)毛刺。按這種要求，選擇管內(nèi)充氬氣手工鎢極氬弧焊。選用的依據(jù)主要是氬氣是惰性氣體，在焊接中被焊金屬和焊絲的合金元素不易被燒損，焊縫成型美觀、光滑、無(wú)毛刺、質(zhì)量好，同時(shí)還減少了清渣和酸純化等工序，焊速快，工效高，能滿足工程質(zhì)量和工期要求。

4 焊接工藝要求

4.1 氣體保護(hù)效果

氬弧焊的保護(hù)氣體氬氣是柔性的，極易受到外界因素?cái)_動(dòng)而遭破壞，為得到良好的保護(hù)效果，應(yīng)注意以下幾個(gè)因素：

（1）氣體的流量

從理論上看，氣體的流量越大，保護(hù)層抵抗空氣影響能力愈強(qiáng)。但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體流量過(guò)大時(shí)，保護(hù)層會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的流動(dòng)，反而使空氣卷入，降低保護(hù)效果，影響焊縫質(zhì)量同時(shí)也浪費(fèi)氣體。所以在焊接時(shí)必須根據(jù)實(shí)際情況選擇氣體的流量(見表1)。

表1 噴嘴直徑與管道的厚度關(guān)系表

（2）噴嘴直徑

噴嘴直徑與氣體流量的大小成正比，噴嘴直徑增大，氣體流量同時(shí)增大，這時(shí)被保護(hù)區(qū)也必然增大，保護(hù)效果愈好。但是噴嘴過(guò)大時(shí)，會(huì)防礙某些位置的焊接，或會(huì)防礙焊工視線，而影響焊接效果，影響質(zhì)量。此外，氨氣消耗量增大，會(huì)增加工程成本，故噴嘴直徑應(yīng)根據(jù)管道的厚薄程度來(lái)確定(見表1)。

（3）噴嘴到工件的距離

一般認(rèn)為，距離越遠(yuǎn)，保護(hù)效果越差，反之則越好。但實(shí)踐證明，噴嘴至工件之間的距離只能根據(jù)鎢棒的伸出長(zhǎng)度來(lái)確定，經(jīng)試驗(yàn)采用鎢極伸出長(zhǎng)度為8～10 mm，這時(shí)噴嘴到工件的距離為l0～13 mm。以薄壁小口徑不銹鋼管道為例，這種方法可獲得較窄的焊縫，且表面光滑，根部焊透，也不出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，雙面成型效果好。

（4）焊接速度和外界氣流

氬弧焊時(shí)， 由于焊炬本身移動(dòng)速度大而快，如遇到正氣流侵襲，保護(hù)氣體就可能偏離被保護(hù)融池，保護(hù)效果就會(huì)顯著變差。盡量避免在室外操作，如確需在室外操作時(shí)。應(yīng)采用擋風(fēng)裝置，同時(shí)要注意控制一定的焊速。

（5）管內(nèi)充氬氣保護(hù)

管內(nèi)充氬氣保護(hù)，在引弧前10～20 s，啟動(dòng)開關(guān)送氣閥，將管內(nèi)的空氣排除，并調(diào)節(jié)流量表所需的流量。對(duì)小管道可采用滿充，對(duì)大口徑管道采取局部充氬，以減少氬氣用量(見表1)。

4.2 鎢極直徑

鎢極直徑根據(jù)管壁厚薄程度選擇，管壁越厚所需電池越大，鎢極直徑應(yīng)增大，反之則小。確定直徑的鎢極具有一定的極限電流，如果焊接電流超過(guò)鎢極可能承受的極限電流，鎢極就要強(qiáng)烈發(fā)熱，甚至融化蒸發(fā)，引起弧不穩(wěn)，焊縫夾鎢。船用不銹鋼管道焊接中選擇鎢極直徑為1.6 mm。

4.3 焊接電源種類與極性

鎢極氬弧焊電源分交、直流兩種，極性分正接法和反接法兩種。選擇時(shí)，主要取決于被焊工件的材質(zhì)。對(duì)船用不銹鋼管道的焊接。應(yīng)選擇直流電源，正接法(工件正接)。所以陰極斑點(diǎn)在鎢極上比較穩(wěn)定，電子發(fā)射力強(qiáng)，電弧穩(wěn)定，可采用較大的許可電流，而鎢極燒損少，焊接質(zhì)量有保證。

4.4 焊接規(guī)范的選擇

焊接規(guī)范是否合理。直接影響焊接質(zhì)量，由以上幾點(diǎn)理論分析船用不銹鋼管道焊接的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)，將其選擇的焊接規(guī)范列于表1。

4.5 焊接引弧及熄弧

提前10～20 s啟動(dòng)開關(guān)充氬氣，以排除管內(nèi)的空氣，并調(diào)節(jié)流量計(jì)到所需的氣流量，然后方可引弧進(jìn)行焊接。在管道焊接時(shí)，焊把的角度根據(jù)焊接位置的不同而作相應(yīng)的改變，對(duì)管件進(jìn)行點(diǎn)焊固定，一般不加填充金屬，由工件自熔，一般先點(diǎn)兩點(diǎn)各為20°，第三點(diǎn)是仰焊處為弧點(diǎn)，起弧時(shí)焊把與工件的角度為90°，根據(jù)被焊接管道的大小逐步改變角度。在焊接過(guò)程中，焊把不能橫向擺動(dòng)，在每一焊道或轉(zhuǎn)角需熄弧時(shí)，關(guān)閉開關(guān)后不能立即抬起焊把，應(yīng)停留5～10 s，待弧坑冷卻到一定溫度后才能抬起焊把，否則該處會(huì)發(fā)黑，焊縫表面會(huì)氧化。

5 管及管件法蘭焊接

（1）管對(duì)接。管組對(duì)時(shí)，內(nèi)壁內(nèi)齊，對(duì)口間隙0～0.1 mm。為保證組對(duì)尺寸，防止焊接變形和錯(cuò)位，影響焊接的正常進(jìn)行和焊縫成形。大都進(jìn)行了定位焊。定位焊點(diǎn)的間距根據(jù)被焊材料的牌號(hào)、厚度、接頭型式而定，如圖2所示。不銹鋼由于比低碳鋼的線膨脹系數(shù)大，焊接變形大，故點(diǎn)焊應(yīng)小。對(duì)較薄的易變形的焊件，間距也應(yīng)小，對(duì)鋼性較大和裂紋傾向大的焊件，為避免焊點(diǎn)開裂，應(yīng)采用長(zhǎng)焊點(diǎn)，并縮短定位焊點(diǎn)尺寸。定位焊應(yīng)保證完全焊透和連接可靠，焊點(diǎn)應(yīng)低平，并不宜過(guò)長(zhǎng)、過(guò)寬、過(guò)高，以免影響焊接正常進(jìn)行和焊縫成型，為避免定位焊點(diǎn)氧化，點(diǎn)焊時(shí)應(yīng)使氬氣在點(diǎn)焊處停留到焊點(diǎn)凝固不受氧化為止。如發(fā)現(xiàn)點(diǎn)焊開裂，應(yīng)及時(shí)處理，防止缺陷留在焊縫內(nèi)，影響焊接質(zhì)量。

焊接時(shí)，由于不銹鋼和氧的親和力很大，管內(nèi)側(cè)必須充氬氣保護(hù)，以保證內(nèi)壁成型焊縫不受氧化，并防止熔焊金屬過(guò)燒產(chǎn)生焊接缺陷對(duì)管徑小的管道，一般情況下，采用分段組裝焊接，少量的中間焊口用可溶紙把所焊管口兩側(cè)堵住(距焊口200～300 mm)，在水壓試驗(yàn)時(shí)，可溶紙自行溶化。

圖2 管對(duì)接示意圖

對(duì)于不同管徑不銹鋼管道的焊接，分段焊接的順序如圖3所示。

圖3 不同管徑分段焊接示意圖

（2）厚薄管對(duì)接。厚度不等的不銹鋼管對(duì)接，出現(xiàn)在設(shè)備管頭壁厚，配裝的管道壁簿，船用不銹鋼管道大部分2 mm厚，部分設(shè)備管道5～6 mm厚，管壁厚度差3～4 mm厚，無(wú)法按規(guī)定的要求處理，如不處理。會(huì)出現(xiàn)未焊透，焊瘤或無(wú)法焊接等問題，主要原因是焊接時(shí)薄壁管已熔化，而厚壁仍未達(dá)到熔點(diǎn)溫度。為避免問題的出現(xiàn)，必須將厚壁管磨成45° 坡口，薄管加成20° 坡口，這樣，焊后就完全能滿足質(zhì)量要求。

（3）三叉管的焊接。三叉管焊口焊接的關(guān)鍵：下料要準(zhǔn)確；裝配要合理，坡口要合理加工，否則就不能滿足要求。下料時(shí)，開孔的孔徑應(yīng)與連接管的內(nèi)徑相等，然后開坡口，連接管同樣必須做坡口加工。加工后進(jìn)行裝配點(diǎn)焊時(shí)，應(yīng)由技術(shù)較好的焊工進(jìn)行，每焊一個(gè)三叉口的l／4，有四次角度變化，每次送絲速度都不同，在二管夾角為90° 處為關(guān)鍵部位，這里的焊速應(yīng)較慢。才能焊透，然后相應(yīng)加快焊速，把與工件夾角保持7 ～80° 之問。焊后內(nèi)部光滑平整，符舍質(zhì)量要求。

（4）法蘭翻邊焊接。均采用活套法蘭形式連接，翻邊與管子焊接，焊接時(shí)，點(diǎn)焊兩點(diǎn)180°，找出翻邊與管道同心后，方可點(diǎn)焊其他固定點(diǎn)，焊接的具體方法與管子焊接相同。

6 焊后的表面處理

不銹鋼管焊接后，焊縫及焊縫周圍有氧化及焊斑，需要進(jìn)行處理。使用不銹鋼刷或其它不銹鋼工具，將焊接處的焊屑除去，刷凈，然后采用以下方法將焊縫或焊縫周圍的斑潰除去。仔細(xì)地清除焊縫逢圍的焊屑，然后用刷子涂上除斑劑，除斑劑配比如下：

酸洗液配比：鹽酸(比重1.19)20 ml、水100 ml、硝酸(比重 1.42)30 ml

鈍化液配比：硝酸(比重1.42)5%、重銘酸鉀2%，其余為水。

涂上去斑劑后，滯留10 min，然后用強(qiáng)水流沖洗，再用鈍化液鈍化，去斑劑中加適量的硅藻土制成膏狀，便于垂直表面或水平管下部焊縫的處理。由于去斑劑是危險(xiǎn)品，具有很強(qiáng)腐蝕性，因此，使用過(guò)程中要帶防腐手套及防護(hù)眼鏡。

7 結(jié)論

對(duì)于船用不銹鋼管道現(xiàn)場(chǎng)安裝，采用管內(nèi)充氬手工鎢極氬弧焊的焊接工藝，并根據(jù)管道壁厚合理選擇焊接參數(shù)，如噴嘴直徑、氬氣流量，鎢絲長(zhǎng)度等，能夠獲得高質(zhì)量的焊接接頭。焊縫雙面成形，過(guò)渡均勻、光滑，無(wú)毛刺，能滿足生產(chǎn)工藝要求。

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