304N2不銹鋼管全位置A-TIG焊接工藝

劉觀輝 ，易耀勇 ，劉美華 ，張宇鵬 ，羅子藝 ，許 磊

（1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院焊接技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650）

0 前言

在安裝核電站發(fā)電機(jī)組管道時(shí)，傳統(tǒng)焊接方法存在15%～30%的焊接缺陷，即使運(yùn)用全自動(dòng)焊接方法也不可避免地會(huì)產(chǎn)生缺陷[1]。由于在焊接過(guò)程中，不同空間位置的熔池液態(tài)金屬受力不同，難以控制焊接參數(shù)和焊炬姿態(tài)，熔池與焊縫的成形也很難把握[2]。因此，通過(guò)改善或者開(kāi)發(fā)一種新型的焊接工藝，以獲得高質(zhì)量的焊接接頭，尤其是在管道全位置TIG焊接中，這個(gè)問(wèn)題一直以來(lái)都是管道全位置焊接過(guò)程中亟需解決的重要問(wèn)題[3-4]。

目前，國(guó)際上致力于活性劑材料研究的三大焊接研究所(烏克蘭巴頓焊接研究所、美國(guó)愛(ài)迪生焊接研究所和英國(guó)焊接研究所)在活性劑增加焊接熔深機(jī)理和焊接工藝方面獲得很大成功，他們已將A-TIG焊應(yīng)用于核電管道的焊接[5]。然而，在國(guó)內(nèi)目前只有少數(shù)企業(yè)和高校在該領(lǐng)域進(jìn)行研究，如蘭州理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等，通過(guò)研究焊縫熔深機(jī)理，制備了匹配多種母材的活性劑，并對(duì)A-TIG焊接技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了初步探索[6-8]，但是在焊接規(guī)范、焊接前后處理工藝及對(duì)實(shí)際常用材料A-TIG焊工藝參數(shù)方面[9]，還需要做更加深入的研究。其中，在核電管道全位置A-TIG焊方面尤為欠缺。因此，本研究采用活性TIG焊技術(shù)對(duì)核電常用304N2高強(qiáng)度不銹鋼管道進(jìn)行了全位置焊接，并對(duì)不銹鋼管道全位置焊接工藝進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法及焊接參數(shù)

焊接材料為3 0 4 N 2不銹鋼鋼管，規(guī)格φ1 5 9 m m×6 m m。焊接前將管道對(duì)接端面切平，無(wú)間隙對(duì)中、夾緊、點(diǎn)固，然后用砂輪和砂紙打磨定位焊固定好的不銹鋼管道表面。用丙酮擦拭工件表面以除去表面油污。將準(zhǔn)備好的不銹鋼管道固定在焊接平臺(tái)上，用紙板封住待焊管道兩個(gè)端口，只在其中一個(gè)端口留下一個(gè)用于通A r氣的小孔，在焊接過(guò)程中對(duì)焊縫背面進(jìn)行純氬氣保護(hù)。

試驗(yàn)采用的焊接設(shè)備是烏克蘭巴頓焊接研究所研發(fā)的新型A-T I G焊接設(shè)備E x p e r i m e n t a l S y s t e m f o r A-T I GWe l d i n g A D3 9 3 C N，不銹鋼活性劑也由該研究所提供。安裝固定好不銹鋼鋼管后，用丙酮將活性劑攪拌成糊狀，再用扁平毛刷將糊狀活性劑均勻地涂敷在對(duì)接工件待焊區(qū)域，涂敷寬度約為1 5～2 0 m m，以遮住金屬表面的光澤為宜?；钚詣┮坏┟撀?，應(yīng)該補(bǔ)刷。

待所有準(zhǔn)備工作完成后，對(duì)3 0 4 N 2不銹鋼管道進(jìn)行A-T I G焊接試驗(yàn)。焊接方法為直流正接T I G焊接，鎢極直徑2.0 m m，尖角60°，噴嘴直徑26 mm，保護(hù)氣體為氬氣，純度99.99%，焊縫正面保護(hù)氣體流量10 L/min，焊縫背面保護(hù)氣體流量5 L/min，電弧長(zhǎng)度1.5～2.0 mm。本試驗(yàn)將管道分為上、下兩個(gè)區(qū)，經(jīng)過(guò)多次焊接試驗(yàn)獲得的優(yōu)化焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

焊接過(guò)程中記錄電弧電壓，觀察焊接電弧形態(tài)。焊接完成后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，如圖1所示，截取平、仰焊區(qū)域附近兩個(gè)試樣用于金相分析，分別截取拉伸試驗(yàn)的試樣B1、B2、B3和B4，以及彎曲試驗(yàn)的試樣 C1、C2、C3和 C4。

圖1 典型API工藝評(píng)定取樣位置Fig.1 Sampling positions of typical API procedure

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊縫外觀觀察

焊后管道焊縫外觀如圖2、圖3所示，管道對(duì)接焊縫成形良好。腐蝕后的焊縫形貌如圖4所示，在ATIG焊中母材已完全被焊透，而常規(guī)TIG焊時(shí)熔深不到3 mm，且A-TIG焊的熔寬明顯窄于TIG焊。本試驗(yàn)中，焊接未送絲，在平焊位置的焊縫外表面與仰焊位置的焊縫內(nèi)表面出現(xiàn)了微小凹陷，這需要優(yōu)化焊接工藝參數(shù)來(lái)改善。

圖2 不銹鋼管道焊縫外表面Fig.2 External weld appearance of stainless steel piping

圖3 不銹鋼管道焊縫內(nèi)表面Fig.3 Internal weld appearance of stainless steel piping

圖4 腐蝕后焊縫形貌Fig.4 Weld appearance after corrosion

關(guān)于A-TIG焊接熔深增加的機(jī)理，尚未有一致的熔深增加理論，目前兩個(gè)有代表性的理論為電弧收縮論[10]和表面張力變化影響學(xué)說(shuō)[11]。在試驗(yàn)過(guò)程中觀察，相對(duì)于電弧更加分散的常規(guī)TIG焊接，A-TIG焊接的弧柱出現(xiàn)了比較明顯的收縮。根據(jù)徐艷麗、魏艷紅等人獲得的模擬結(jié)果[12]表明，活性劑的加入使得熔池表面溫度系數(shù)?σ/?T由負(fù)值變?yōu)檎?，在熔池中產(chǎn)生兩個(gè)向內(nèi)的渦流，匯合后的液態(tài)金屬向熔池中心底部流動(dòng)，最終得到窄而深的熔池。A-TIG焊接熔深增加機(jī)理的綜合作用示意如圖5所示。本試驗(yàn)中，對(duì)比常規(guī)TIG焊接寬而淺的熔深，使用活性劑后焊縫的熔深顯著增加，試驗(yàn)結(jié)果與上述模擬結(jié)果吻合。這在一定程度上說(shuō)明了電弧收縮和熔池表面張力變化可能對(duì)熔深的增加均有影響。

2.2 焊縫顯微組織分析

焊縫金相組織如圖6所示。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼的金相組織分析，可知兩個(gè)焊縫得到的組織均為奧氏體基體+鐵素體的雙相組織。鐵素體的產(chǎn)生是由于在焊接加熱和凝固時(shí)鐵素體生成元素（主要是鉻）發(fā)生偏聚，一般只有較低體積分?jǐn)?shù)的鐵素體在奧氏體晶界及晶內(nèi)處析出[13]，呈現(xiàn)樹(shù)枝狀分布。此外，對(duì)比圖6中的TIG和A-TIG焊縫金相組織，可知A-TIG焊縫中的奧氏體組織比常規(guī)TIG焊接得到的奧氏體組織更加細(xì)小、均勻，這可能是由于在焊接過(guò)程中，蒸發(fā)的活性劑分子使電弧發(fā)生收縮[14]，獲得更高能量密度的電弧。它有利于改善焊縫組織的均勻程度，達(dá)到細(xì)化奧氏體不銹鋼微觀組織的效果[15]，從而提高焊接接頭的可靠性，該結(jié)論在本試驗(yàn)結(jié)果中得到了體現(xiàn)。

2.3 焊縫化學(xué)成分分析

利用能譜儀分別對(duì)母材、常規(guī)TIG焊縫和A-TIG焊縫進(jìn)行區(qū)域成分和含量分析，如表2所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出，A-TIG與常規(guī)TIG焊的焊縫成分與母材的化學(xué)成分相差不大。使用活性劑對(duì)A-TIG焊縫的化學(xué)成分影響較小。

表2 基材與焊縫金屬化學(xué)成分對(duì)比 %

圖6 焊縫金相組織Fig.6 Metallographic microstructure of weld

2.4 超聲波無(wú)損探傷分析

根據(jù)GB/T11345-1989相關(guān)規(guī)定，采用CTS-1002 plus檢測(cè)設(shè)備對(duì)截取的整個(gè)環(huán)焊縫試樣進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫無(wú)明顯的裂紋、未焊透、氣孔等缺欠，焊縫質(zhì)量評(píng)定級(jí)別為A類Ⅰ級(jí)，接頭質(zhì)量合格。

2.5 焊縫機(jī)械性能測(cè)試

2.5.1 焊接接頭拉伸試驗(yàn)

室溫下在拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)焊接試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣如圖7所示，尺寸110 mm×20 mm×6 mm，焊接接頭拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖7 拉伸試樣Fig.7 Tensile test specimens

由表3可知，試樣抗拉強(qiáng)度均高于304N2不銹鋼拉伸強(qiáng)度最小值685 MPa。焊接接頭出現(xiàn)比較明顯的縮頸現(xiàn)象，說(shuō)明接頭塑性較好。除個(gè)別情況外，斷裂位置基本都在遠(yuǎn)離焊縫的母材中斷裂?？芍狝TIG焊接接頭與母材形成了可靠的結(jié)合，接頭具有優(yōu)異的拉伸力學(xué)性能。根據(jù)GB/T228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)焊接接頭的拉伸性能符合要求。

晶粒大小直接影響焊接接頭的機(jī)械力學(xué)性能。在A-TIG焊接時(shí)，相對(duì)集中的焊接電弧能夠獲得更高能量密度的電弧和相對(duì)較快的冷卻速度，最終得到的焊縫奧氏體組織晶粒較為細(xì)小。但是在常規(guī)TIG焊接時(shí)，焊接相同厚度的材料必須進(jìn)行多層多道焊，每一道焊接都會(huì)使得前面道次的焊縫組織經(jīng)歷不同程度的高溫?zé)崽幚碜饔茫瑢?dǎo)致焊縫中奧氏體組織因焊接熱輸入量的增大、高溫停留時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒變得粗大。因此，通常情況下不銹鋼TIG焊拉伸試樣斷口主要位于焊縫及熱影響區(qū)，說(shuō)明TIG焊縫組織及其機(jī)械性能相對(duì)于A-TIG有所下降。

2.5.2 焊接接頭彎曲試驗(yàn)

室溫下在彎曲試驗(yàn)機(jī)上對(duì)焊接試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，尺寸為110 mm×20 mm×6 mm，彎曲后試樣如圖8所示，焊接接頭彎曲試樣數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)要求對(duì)相應(yīng)管道位置焊縫試樣進(jìn)行橫向彎曲試驗(yàn)，其中兩個(gè)試樣進(jìn)行面彎，兩個(gè)試樣進(jìn)行背彎。結(jié)果表明，當(dāng)彎曲角達(dá)到150°時(shí)，焊縫內(nèi)、外表面均無(wú)裂紋，證明了接頭有良好的彎曲性能，可承受單次較小彎曲半徑的彎曲變形而不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。根據(jù)GB/T232－1999《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)焊接接頭的彎曲性能符合要求。

3 結(jié)論

（1）使用活性劑對(duì)6 mm厚的304N2不銹鋼管道進(jìn)行全位置TIG自動(dòng)焊接工藝試驗(yàn)，制定了相匹配的焊接工藝參數(shù)，使用該方法焊接前不開(kāi)坡口，可實(shí)現(xiàn)一次焊透、單面焊雙面成形，管道對(duì)接焊縫成形良好。

（2）使用活性劑TIG焊可以完全焊透6 mm厚的304N2不銹鋼，熔深相當(dāng)于常規(guī)TIG焊的兩倍，且熔寬要比TIG焊的小很多。

圖8 彎曲試樣Fig.8 Bending specimens

（3）A-TIG焊縫的顯微組織為奧氏體、鐵素體的雙相組織，其顯微組織基本與TIG焊縫的相似，焊縫奧氏體組織的晶粒相比于TIG焊的細(xì)小，且A-TIG焊縫成分與母材相近，說(shuō)明活性劑沒(méi)有進(jìn)入焊縫。

（4）室溫下對(duì)焊接接頭進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（5）試驗(yàn)在平、仰焊位置焊縫發(fā)生微小塌陷，這需要繼續(xù)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)來(lái)改善。

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