超多層薄壁波紋管環(huán)焊縫高可靠性焊接技術(shù)

李亮，王濤，楊丙旭，王旭

(1.沈陽晨光弗泰波紋管有限公司，沈陽 110141；2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

0 前言

波紋管作為儀器儀表的彈性敏感元件、各種管道的連接元件和金屬管道中常用的柔性補償元件，可將軸向力、橫向力或彎矩的作用轉(zhuǎn)換成位移。廣泛應(yīng)用于石油化工、能源動力、航空航天、交通運輸?shù)刃袠I(yè)。波紋管種類眾多，按波紋管的層數(shù)分類，可分為單層和多層波紋管；按照波的形狀分類，可分為U形、C形、矩形、S形等[1]。其中：U形波紋管膨脹節(jié)應(yīng)用最為廣泛，然而U形波紋管在實際應(yīng)用中對設(shè)計要求嚴(yán)格，優(yōu)良的焊接工藝是產(chǎn)品滿足工作要求的重要因素，如果設(shè)計不當(dāng)可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的事故[2-3]。

國內(nèi)外研究學(xué)者針對波紋管的成形工藝、焊接工藝、缺陷分析、腐蝕行為、疲勞壽命等諸多方面進行大量的研究[4-10]，其中在U形波紋管成形設(shè)計中，研究普遍局限于低層數(shù)，并且對于多層波紋管的焊接參數(shù)優(yōu)化研究較少[11-12]。在動力設(shè)備的本體或進出口，由于減隔振需求及管口許用載荷限制，需要布置用來吸收熱位移與振動的膨脹節(jié)。尤其是一些高端的敏感動力設(shè)備本體與進出口，一般多為強振、高溫高壓工況，為了保護高端敏感設(shè)備安全，需要配置特殊的超多層高柔性薄壁波紋管膨脹節(jié)。

文中對12層316Ti不銹鋼多層波紋管與16Mo3耐熱鋼接管的焊接工藝進行研究，設(shè)計多種不同的焊接工藝參數(shù)，通過組織分析得出較優(yōu)異的焊接工藝參數(shù)，可為以后的實際生產(chǎn)提供有效數(shù)據(jù)。

1 試驗材料及方法

試驗所用U形12層波紋管，材質(zhì)為316Ti不銹鋼，接管為16Mo3耐熱鋼，鋼材成分見表1。12層波紋管首先采用電阻縫焊將直邊段端頭縫焊成一體，再用多道氬弧焊焊接波紋管、接管和加強套環(huán)，焊接材料為ERNiCrMo3的焊絲。查找相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和焊接手冊，設(shè)計相關(guān)的一系列焊接試驗并在線切割后進行分析，找出最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。具體焊接工藝參數(shù)見表2。由于試驗試件較多且工藝復(fù)雜，在圖1a左側(cè)為焊后的三維示意圖，圖1a右側(cè)為焊后采用線切割制備的分析試件三維示意圖，圖1b為14種工藝下的分析試樣實物圖。

表1 試驗材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 波紋管環(huán)焊縫焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接試樣示意圖及實物圖

2 焊縫宏觀組織

圖2可以觀察到在無背面氬氣保護2.5 mm焊絲直徑低加強套環(huán)位置和有背面氬氣保護高加強套環(huán)位置條件下(9號和11號)波紋管縫焊焊縫中均出現(xiàn)了約1 mm的空洞，這可能是由于焊前表面處理不當(dāng)而引起的，可以通過減緩焊接速度，嚴(yán)格仔細(xì)清理表面臟物或焊前預(yù)熱等手段防止空洞產(chǎn)生。無背面氬氣保護2.5 mm焊絲直徑高加強套環(huán)位置(11號)在多道氬弧焊焊縫中心區(qū)域表面出現(xiàn)了氣孔，其余試件均未出現(xiàn)。對于多道氬弧焊波紋管與接管之間的焊縫而言，14個試件熔焊的熔合質(zhì)量都很好，然而有背面氬氣保護、2.5 mm焊絲直徑、高加強套環(huán)位置條件下(14號)焊縫靠波紋管一側(cè)出現(xiàn)了未熔合缺陷，其余試件均無明顯缺陷。未熔合缺陷的微觀形貌如圖2d所示。

圖2 焊接工藝中的部分焊接缺陷

3 試驗結(jié)果分析

3.1 氬氣保護對焊接質(zhì)量的影響

熔深作為表征焊接質(zhì)量的重要因素在一些條件下難以直接精確測量和直觀的展示優(yōu)劣差別，文中工藝中采用金相顯微鏡在低倍下對試件焊縫不同部位進行有序拍照，然后拼接到一個整體圖片，這樣可以直觀展現(xiàn)測量方法和不同工藝下的熔深差別，最后應(yīng)用image軟件測量熔深。圖3為2個焊縫熔深及微觀組織。

圖3 焊縫熔深及微觀組織

焊接過程中保護氣體是影響焊縫成形質(zhì)量的重要因素。圖4為加強套環(huán)相對波紋管為較低位置時，對比2種不同焊絲直徑下，有無背面氬氣保護對于焊接熔深的影響。熔深測量結(jié)果為1號熔深為1.9 mm，4號熔深為2.3 mm；9號熔深為1.8 mm，12號熔深為2.0 mm。結(jié)果表明：1.6 mm焊絲通過背面氬氣保護措施焊縫熔深提升了21%，而2.5 mm焊絲則提升了13%。

圖4 氬氣條件作用下焊縫熔深

圖5為氬氣保護對焊縫熔合區(qū)微觀組織的影響。圖5a在熔合線附近明顯的出現(xiàn)了微觀缺陷數(shù)目多且密集，并且出現(xiàn)了碳遷移。圖5c通了20 L/min的氬氣，在熔合線附近未見明顯微觀缺陷，成形質(zhì)量良好，這是由于氬氣的流入避免了合金元素的燒損[13]。圖5b中同樣清晰地看出，在沒有氬氣保護下焊縫熔合區(qū)出現(xiàn)了焊接缺陷，緊貼焊縫分布，而圖5d有氬氣保護下焊縫熔合區(qū)成形質(zhì)量良好。綜上所述，氬氣保護會提升焊接質(zhì)量，增加焊縫熔深。

圖5 氬氣條件下焊縫的微觀組織

3.2 焊絲直徑對焊接質(zhì)量的影響

圖6為在有氬氣保護的條件下，對比3種不同加強套環(huán)位置及不同焊絲直徑對于焊縫熔深的影響。結(jié)果表明：1.6 mm焊絲直徑在不同加強套環(huán)位置(低、齊、高)條件下焊縫熔深分別為2.3 mm，2.7 mm，2.5 mm；2.5 mm焊絲直徑下焊縫熔深分別為2.0 mm，2.4 mm，2.1 mm。并且圖6研究結(jié)果中也表明低加強套環(huán)位置無氬氣保護下，1.6 mm焊絲比2.5 mm焊絲的焊接質(zhì)量更好。

圖6 焊絲直徑變化對熔深的影響

圖7展現(xiàn)了不同焊絲直徑對接頭中熔合區(qū)微觀組織圖。結(jié)果表明：圖7c的焊接質(zhì)量最好，熔合區(qū)無明顯顯微缺陷；圖7d的同樣條件下的2.5 mm焊絲工藝下圖的左上角熔合區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的焊接缺陷，這是由于2.5 mm焊絲直徑下的大焊接電流增加了焊接熱輸入，熔合區(qū)附近出現(xiàn)了合金元素的燒損。并且在圖7a、圖7b、圖7e和圖7f中可以清楚的看出，1.6 mm焊絲直徑下的焊縫成形質(zhì)量均好于2.5 mm焊絲直徑下的焊縫成形質(zhì)量。因此，縱觀熔深數(shù)據(jù)和熔合區(qū)微觀組織形貌，相比于2.5mm焊絲直徑，1.6mm焊絲直徑下的焊接質(zhì)量更好。

圖7 不同焊絲直徑下熔合區(qū)的微觀組織

3.3 加強套環(huán)位置對于環(huán)焊縫的影響規(guī)律

圖8為無氬氣保護的條件下，對比2種不同焊絲直徑，加強套環(huán)位置不同對于焊縫熔深的影響。結(jié)果表明：1.6 mm焊絲直徑在不同加強套環(huán)位置(低、齊、高)條件下焊縫熔深分別為：1.9 mm，2.2 mm，2.1 mm；2.5 mm焊絲直徑下分別為：1.8 mm，2.1 mm，1.9 mm。在1.6 mm的焊絲中齊加強套環(huán)的熔深高于高加強套環(huán)0.8 mm、高于低加強套環(huán)2.8 mm，2.5 mm焊絲下高出1.7 mm和2.8 mm。

圖8 不同焊絲直徑下加強套環(huán)位置對焊縫熔影響

圖9為不同加強套環(huán)條件下焊縫熔合區(qū)微觀組織圖?？梢钥闯觯瑘D9c的整體焊接質(zhì)量最好，熔合區(qū)顯微焊接缺陷數(shù)量最少缺陷最小。同樣條件下圖9a、圖9e(低、高加強套環(huán)位置工藝下)沿著焊縫則存在較多的缺陷。這是因為齊加強位置對比低、高位置下，焊接時緊固力均勻，并且高度平齊情況下更加有利于焊縫成形。并且圖9中2.5 mm焊絲情況下：齊加強套環(huán)位置條件下的焊接質(zhì)量均優(yōu)于其它位置。因此，縱觀2種條件下的數(shù)據(jù)加強套環(huán)相對波紋管端頭平齊時焊接質(zhì)量最好。

圖9 不同加強套環(huán)位置顯微組織圖

3.4 波紋管與接管間隙對焊接質(zhì)量的影響

根據(jù)上述研究結(jié)果，確定氬氣保護下1.6 mm焊絲直徑齊加強套環(huán)位置為最優(yōu)焊接工藝參數(shù)，但是在生產(chǎn)實際中，波紋管與接管間隙由于一些情況會較難準(zhǔn)確把握。而不同的間隙對焊接質(zhì)量也會存在影響。所以在1.6 mm焊絲直徑、齊加強環(huán)位置、不同波紋管與接管間隙條件下，綜合分析了焊接質(zhì)量及焊縫力學(xué)性能。

圖10為最優(yōu)焊接工藝下不同波紋管與接管間隙(0.5 mm，1 mm，2 mm)下的熔深測量結(jié)果。結(jié)果表明：3種工藝下的熔深分別為3.2 mm，2.7 mm，2.9 mm。0.5 mm間隙下熔深最大，這是由于小間隙會使波紋管與接管的焊接熔合更加容易。圖11為0.5 mm，1 mm，2 mm波紋管與接管間隙下的焊縫金相組織?？梢郧逦目闯?，3種條件下的熔合區(qū)都未見明顯焊接顯微缺陷，成形質(zhì)量均良好。綜合以上有氬氣保護下、1.6 mm焊絲直徑、105 A焊接電流、齊加強套環(huán)位置、0.5 mm波紋管與接管間隙條件下獲得最優(yōu)的焊接質(zhì)量。

圖10 波紋管與接管間隙條件下焊縫熔深

圖11 波紋管與接管間隙條件下顯微組織圖

對最佳工藝進行異種材料的焊接工藝的力學(xué)性能分析，采用美國 INSTRON 5500 萬能拉伸試驗機對異種材料焊接后的力學(xué)性能測試結(jié)果為，抗拉強度551 MPa±10 MPa、屈服強度為240 MPa±5 MPa、斷后伸長率≥43.2%。對異種鋼焊接接頭進行硬度測試，儀器為顯微維氏硬度計HVS-1000Z，測量結(jié)果為：316Ti母材處：176 HV±8 HV；焊縫處：185 HV±2 HV；16Mo3接管處：179 HV±2 HV。符合EN ISO 17639標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1)在波紋管與接管的多道氬弧焊焊接工藝設(shè)計中，氬氣保護、焊絲直徑、加強套環(huán)的位置、波紋管與接管間隙均會影響焊縫成形質(zhì)量，尤其是熔深的大小。

(2)文中12層薄壁波紋管環(huán)焊縫最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為有氬氣保護下、1.6 mm焊絲直徑、105 A焊接電流、齊加強套環(huán)位置、0.5 mm波紋管與接管間隙。