背面免充氩保护剂焊接工艺探讨

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摘要：管道焊接施工中，经常遇到返修焊口、与罐体设备连接口及“死口”不能有效充氩的情况，给焊接施工带来一定难度。文中论述TP304，P91钢管道免充氩保护剂打底焊接工艺难点，研究出免充氩保护剂的涂刷宽度、厚度及涂刷工艺，总结出合理焊接工艺参数、焊接技巧，对焊接工艺试验试件进行无损检测及理化试验，得到合格的焊接接头。

关键词：TP304；P91；免充氩保护剂；工艺参数

当前，TP304，P91管道焊接为防止打底焊缝内表面氧化，通常采用在管道内部进行充氩保护。在罐体联头和长管道焊接时，充氩量相当大，部分管道的大小头、三通、弯头等存在充氩困难，特别是高空作业更不利于施工，直接影响焊接质量。焊接管道时，需建立一个保护气体的气室，传统方法使用可膨胀的橡胶气囊、橡胶垫，尽可能放置在离焊接点较近的位置。常用的气室封堵因管道焊口位置的影响，有时安装难度非常大，需要放置在距离焊口很远的位置，甚至不能进行封堵。气室封堵位置较远时，焊接区域因此需要更多的氩气，造成气体的大量浪费。部分返修口、死口存在不能有效地进行充氩，因而影响焊接质量。

1研究内容

由于不锈钢中的Cr，Ni，Al等合金元素与氧有很强的亲和力，若不采取切实有效的焊缝保护措施，背面的焊缝金属很容易在焊接过程中发生氧化，造成有益合金元素的烧损，导致焊接缺陷的产生，使焊接接头的力学性能和耐蚀性能下降。在焊接施工过程中不能够或不便于进行氩气保护焊接时，需要考虑其他的焊接工艺，以保证焊缝质量。免充氩保护剂打底焊接工艺方法在管道焊接中有一定的应用价值，需要研究其焊接工艺与焊接施工方法。研究TP304，P91钢管免充氩保护剂打底焊接工艺，文中总结焊接技术，研究免充氩保护剂的刷涂宽度、厚度、混合剂类型及混合比等刷涂工艺。研究免充氩保护剂实心焊丝手工钨极氩弧焊打底焊接工艺，对打底焊的参数、成形进行试验，对焊接工艺试验件进行理化试验。

2工艺试验

2．1试验材料。工艺试验使用的母材、焊材及规格见表1，不锈钢板主要用于免充氩焊接的初步试验，便于观察背面的焊接成形、保护及熔渣的变化情况。背面免充氩保护剂为适用于焊接不锈钢、高铬钼合金的太阳牌TYPEB保护剂（自粘结型），保护剂粉末和丙酮的体积比例按照1∶1进行混合，搅拌成奶油状的混合物，用干燥、清洁的刷子蘸取混合好的保护剂，涂刷在焊件背面。调好后的保护剂放置一段时间后，由于丙酮的挥发会变得黏稠，可以再次加入丙酮，搅拌成奶油状后继续使用。2．2板试件焊接试验。板试件焊接试验分别在2G，3G和4G位置下进行，试验过程中发现2G位置保护剂保护效果明显比3G，4G位置要好，2G位置焊接时上坡口边缘的保护剂会随着熔池下坠，在焊缝背面铺开起到良好的保护效果。3G，4G位置焊接时保护剂不能充分铺开，焊缝中心位置得不到良好的保护。在3G，4G位置焊接时保护剂的厚度要比2G位置时的厚，厚度应为3～4mm。根据试验结果，板试件的组对间隙控制在3～4mm，保护剂的刷涂厚度3～4mm，焊接电流100A，电弧电压10～11V，焊接速度45～60mm/min。观察到保护剂对于焊缝背面保护效果较佳，焊缝背面成形较好，焊缝颜色呈银白色，试验对比工艺参数见表2。对打底成形较好的3对试件焊缝继续进行填充盖面焊。对完成的焊缝进行目视检测及射线检测，结果全部合格。板状试样进行背弯试验，检测结果无开口缺陷，检测结果全部合格。2．3管试件焊接试验。在板状试件上，掌握了使用免充氩保护剂进行打底焊接的基本焊接工艺，管试件在5G位置立向上进行打底焊接试验。试验过程中焊缝接头出现丙酮加入量过少、保护剂浓稠无法附着在管道内壁上。采取保护剂分2次进行涂刷，管试件的涂刷单边宽度为5～6mm，厚度为3～4mm时焊接过程不易脱落，打底焊接时将保护剂涂抹在焊丝上使保护效果更充分。确定焊接工艺参数后，连续焊接5对试管，验证焊接连续性。成形较好的焊接工艺参数见表3。在接头焊接完成后，对焊缝背面的熔渣及多余的焊接保护剂进行清理，使用木棒在焊口及附近区域进行敲击，使熔渣及保护剂脱落，P91钢管接头的敲击应在焊后热处理完成后进行。TP304，P91钢管焊接接头分别选取3对试件进行射线检测，所有的试件全部达到射线Ⅰ级合格。试件焊接接头的拉伸、背弯、面弯、宏观检测结果均合格，化学分析结果合格，见表4。焊缝金相组织的晶界均未见氧化和低熔点共晶产物形成的痕迹，金相组织合格，如图1，2所示。TP304钢管焊接接头进行晶间腐蚀检测，未见晶间腐蚀裂纹。P91钢管焊接接头硬度检验，母材硬度HB217，HB218，HB219，焊缝硬度HB257，HB261，HB266，均合格。

3试验分析

3．1保护剂涂刷工艺对焊缝成形的影响。焊接前将管材内表面坡口两侧各≥30mm范围内的油污、氧化皮等杂质清理干净，并打磨，直至露出金属光泽，以避免母材本身的杂质对焊缝产生不良的影响。保护剂涂刷厚度对焊缝背面保护效果规律如图3所示。从图3可见，保护剂的涂刷厚度在1mm时，焊缝背面易氧化，随着保护剂的涂刷厚度增加，焊缝背面的保护成形逐渐变好，保护剂分2次进行涂刷，厚度达到4mm时保护效果较好［1］，当涂刷厚度超过4mm时，保护剂干裂，易脱落，焊缝成形较差，保护效果不佳。3．2组对间隙对焊缝成形的影响。焊接坡口的组对间隙是影响打底焊缝成形的重要因素，组对间隙为2mm时，焊缝并未完全焊透、成形不均匀，使得焊缝强度降低，造成焊缝区撕裂；组对间隙为3～4mm时，焊缝成形良好，背面余高为2～3mm；组对间隙为6mm时，熔池不稳定，焊缝成形不均匀，间隙大、焊接时热输入大，热影响区韧性降低影响试件的强度。因此，组对间隙取3～4mm能得到良好的打底焊缝。3．3焊接电流对焊缝成形的影响。采用保护剂涂刷背面保护的焊接接头，打底焊时的焊接电流比正常采用氩气进行背面保护的焊接电流大5％～8％。焊接时的电流增大会促进焊缝熔池的铁液流动性，减小熔池的表面张力，增大电流可以改善焊缝背面成形，当焊接电流为85～90A时焊缝成形最好。焊接电流大于100A时，焊缝成形不稳定，焊缝背面易氧化。

4结论

采用免充氩保护剂对TP304，P91钢管进行焊接，保护剂可以改善焊缝质量，使焊缝背面不氧化，焊缝背面成形良好。焊接接头的外观、射线检测、弯曲、宏观、微观、晶间腐蚀、化学成分等指标均符合相关标准要求。经试验，背面免充氩保护剂焊接工艺可以用于实际生产，将有效解决充氩困难焊口、“死口”、返修焊口的打底焊接问题，缩短焊口充氩保护的准备时间，提高焊接生产效率，降低焊接施工成本，保证焊接接头质量。

参考文献：

［1］郑祥超．不锈钢背面保护剂焊接性研究［D］．甘肃兰州：兰州理工大学，2012．

作者:丁超 王璐 赵冠鹏 李根 孙翔 单位:中国核工业第五建设有限公司