超低溫管系MIG焊接工藝技術(shù)研究

吳妍

中國焊接協(xié)會 黑龍江哈爾濱 150028

1 序言

LNG-FSRU船的主要特點(diǎn)之一是大量應(yīng)用了超低溫液貨及控制管系。超低溫管系設(shè)計(jì)溫度為－196℃，材質(zhì)為奧氏體不銹鋼（304L和316L），大部分管材為大口徑薄壁管（最大φ600～φ700mm），管子制作對接焊精度要求高、難度大，焊接過程的任何缺陷及焊接應(yīng)力都很可能造成管系制作的質(zhì)量問題，制作過程中必須通過100%射線檢測。超低溫管系傳統(tǒng)的焊接方法均采用手工TIG焊，效率低、質(zhì)量難保證。為適應(yīng)當(dāng)前的造船形勢，應(yīng)用高效率的MIG焊接方法及焊接材料，開展相關(guān)的焊接試驗(yàn)及力學(xué)性能、化學(xué)成分分析，以滿足超低溫管系焊接技術(shù)要求，對于LNGFSRU船的建造十分關(guān)鍵。

2 MIG焊接工藝研究

（1）MIG焊接設(shè)備及工藝特點(diǎn)

1）焊接設(shè)備：選用瑞典ESAB的MIG焊接設(shè)備，型號為MIG 4004i pulse（見圖1），焊接設(shè)備由焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、供氣系統(tǒng)和焊槍構(gòu)成。

圖1 MIG焊接設(shè)備

2）工藝特點(diǎn)：熔化極惰性氣體保護(hù)焊熔敷效率高，熔深較大，焊縫成形較好，焊接電弧穩(wěn)定、飛濺小、速度快、變形小，是一種高效的焊接方法，可應(yīng)用于全位置焊接。

（2）焊接材料的選擇 由于超低溫不銹鋼管在低溫條件下工作，具有耐低溫等特點(diǎn)，因此在焊接材料的選擇匹配上要保證焊接接頭的低溫沖擊韌度（試驗(yàn)溫度為－196℃）。

（3）保護(hù)氣體的選用 MIG焊焊接不銹鋼管時(shí)，采用不銹鋼實(shí)芯焊絲，常規(guī)以惰性氣體保護(hù)或富氬氣體保護(hù)的弧焊方法。而CO2保護(hù)焊卻具有強(qiáng)烈的氧化性。如果采用純氬氣體保護(hù)，熔池表面張力大，焊縫成形不良。如果采用弱活性混合氣體（富氬），則有如下焊接特點(diǎn)：①穩(wěn)定陰極斑點(diǎn)，提高焊接電弧穩(wěn)定性，減小飛濺。②提高熔滴過渡均勻性和穩(wěn)定性，改善焊縫熔深形狀及焊縫成形。③控制焊縫的冶金質(zhì)量，減少焊接缺陷。④大大提高了焊接工藝性和焊接效率。因此，通常選用弱氧化性氣體保護(hù)，如Ar+(1%～2%)O2或Ar+(2%～5%)CO2。

（4）焊接參數(shù)及層間溫度 焊接參數(shù)主要包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度等[1]。奧氏體不銹鋼的突出特點(diǎn)是對過熱敏感，為防止碳化物析出及晶間腐蝕，提高力學(xué)性能，應(yīng)控制焊接熱輸入，故采用小電流、快焊速，多層多道焊接時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度。正常情況下層間溫度控制在120℃以下為宜。

3 焊接工藝試驗(yàn)

根據(jù)不同焊接參數(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)（包括力學(xué)性能、化學(xué)成分分析等），優(yōu)化確定合適的參數(shù)，依據(jù)ABS船級社規(guī)范的要求，進(jìn)行了工藝評定試驗(yàn)。

（1）母材的化學(xué)成分及力學(xué)性能 試驗(yàn)管材料為A312 TP316L，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 超低溫管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 超低溫管的力學(xué)性能

（2）焊接材料選配 根據(jù)母材與焊材選配原則，焊接材料選用ESAB公司W(wǎng)eld M 316LSi焊絲，φ1.2mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表3和表4。

表3 焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

表4 焊材的力學(xué)性能

（3）坡口形式 坡口形式如圖2所示。

圖2 坡口形式

（4）焊接參數(shù) 焊接參數(shù)見表5。

表5 焊接參數(shù)

（5）焊后無損檢測結(jié)果

1）焊縫外觀檢測：正反面焊縫邊緣整齊，表面光順，背面成形良好，無任何表面缺陷，如圖3、圖4所示。

圖3 MIG焊縫外觀檢測

圖4 管內(nèi)焊縫外觀檢測

2）射線檢測：所有焊縫經(jīng)X射線檢測全部合格（滿足ISO 5817—2014 B級）。

3）著色檢測：正面焊縫著色檢測后，無表面焊接缺陷。

（6）焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果 按照標(biāo)準(zhǔn)要求對試驗(yàn)板進(jìn)行焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表6、表7。拉力、彎曲及宏觀典型試樣如圖5～圖7所示。

表6 焊接接頭的拉伸、彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7 －196°C沖擊吸收能量試驗(yàn)結(jié)果（V型缺口）（J）

圖5 拉伸試驗(yàn)

圖6 彎曲試驗(yàn)

圖7 宏金相試驗(yàn)

4 結(jié)束語

通過焊接工藝分析，掌握了超低溫不銹鋼管MIG焊接工藝關(guān)鍵技術(shù)，解決了超低溫不銹鋼管焊接技術(shù)難、焊接效率底的問題（通常情況下，MIG焊接效率是手工TIG焊的5倍），并有力地保證了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定，促進(jìn)了焊接技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步。