蔣冬冬 路書(shū)永
隨著公司項(xiàng)目的增加,優(yōu)秀焊工缺口越發(fā)明顯,提升管道自動(dòng)焊的能力和技術(shù)成為一個(gè)趨勢(shì)。A—TI G焊接法是指在材料表面涂上一層很薄的活性劑,達(dá)到改善熔深的方法。與普通TIG焊相比具有焊接熔深大,生產(chǎn)率高;對(duì)材料的微量元素波動(dòng)不敏感;成本低,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、變形小等優(yōu)點(diǎn)。將A-TI G應(yīng)用到管道自動(dòng)焊技術(shù)上,顯著提升公司安裝焊接技術(shù)水平。
A—TIG焊接法是指在施焊板材的表面涂上一層很薄的表面活性劑,從而大大改善焊接熔深的方法。利用這種方法,可使焊接熔深達(dá)到傳統(tǒng)TIG 焊的2~3 倍。
表面活性劑是通過(guò)改變?nèi)鄢乇砻鎻埩囟忍荻?,從而改變了熔池?nèi)液態(tài)金屬流動(dòng)方向,即由傳統(tǒng)TI G焊時(shí)的從熔池中心向熔池邊緣流動(dòng)變?yōu)閺娜鄢剡吘壪蛉鄢刂行牧鲃?dòng),使得焊接熔深顯著增加。同時(shí)表面活性劑還使得電弧明顯收縮,導(dǎo)電面積減小,電流密度增大,同時(shí)也使電弧力增大,最終導(dǎo)致焊接熔深增大。
蘭州南特工大焊接科技有限公司所開(kāi)發(fā)的不銹鋼用A-TI G焊活性劑產(chǎn)品已經(jīng)先后獲得了中國(guó)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。對(duì)于一定厚度的不銹鋼對(duì)接焊縫,可以不開(kāi)坡口,不填絲,一次焊接完成,可輕松實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形,且焊縫組織和成分與傳統(tǒng)TIG焊相同,焊縫綜合性能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。使用方法如下:
第一,將固體粉末A—TIG焊活性劑按(20~30)m L/10g的工業(yè)丙酮進(jìn)行配比,均勻混合。
第二,待焊工件表面去油、去污并打磨出金屬光澤。
第三,用干燥,清潔的刷子沾取活性劑,均勻涂敷在待焊工件表面,以覆蓋金屬光澤為宜,涂層寬度為10~20mm。
第四,待丙酮揮發(fā)后,在30min內(nèi)進(jìn)行常規(guī)TIG焊。
焊機(jī)選擇奧拓自動(dòng)TIG 焊機(jī),型號(hào)為AUTO CWM—A。管子工裝在自定心卡盤(pán)上,卡盤(pán)可以勻速轉(zhuǎn)動(dòng),保證焊接位置總是平焊。焊前焊槍可以前后、左右、上下調(diào)整位置,焊接過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)焊槍左右擺動(dòng)和停留。
圖1 坡口形式
(1)坡口制備與組對(duì) 坡口采用機(jī)械加工方式。對(duì)于不銹鋼,φ 60mm×4mm、φ 60mm×6mm坡口形式如圖1 a 所示;φ60mm×8mm坡口形式如圖1b所示;φ133mm×14.2mm坡口形式如圖1c所示。
對(duì)于碳鋼φ60mm×4.5mm、φ60mm×6mm,φ114mm×6mm坡口如圖1a所示。φ60mm×8mm管坡口如圖1b所示。
(2)焊接 焊工按預(yù)焊工藝規(guī)程要求施焊。氬氣純度≥99.96%。環(huán)境溫度≥-5℃,環(huán)境濕度≤90%RH。采用直流正接,鈰鎢極φ2.4mm,尖角60°。噴嘴φ16mm,氣體流量為8~15L/mi n;氬氣純度為99.99%,流量為10~20L/mi n,提前送氣,滯后停氣;電弧長(zhǎng)度1~3mm。
(3)檢測(cè)要求 首先,外觀(guān)及無(wú)損檢測(cè)。焊縫在焊接完畢后立即進(jìn)行外觀(guān)檢查,焊接質(zhì)量符合下列要求:①不得有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣及飛濺存在。②不得有咬邊。③焊縫表面不得低于管道表面。
管道焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)按J B 4730—2005進(jìn)行焊縫等級(jí)評(píng)定,X射線(xiàn)透照質(zhì)量等級(jí)不得低于AB級(jí),焊接接頭經(jīng)射線(xiàn)檢測(cè)后的合格等級(jí)不低于II級(jí)合格。
其次,理化試驗(yàn)要求。對(duì)于外觀(guān)和無(wú)損檢測(cè)都合格的試樣要進(jìn)行拉伸和彎曲性能試驗(yàn)。① 拉伸試驗(yàn)按GB/T228,20鋼抗拉強(qiáng)度≥420MPa;奧氏體不銹鋼抗拉強(qiáng)度≥520MPa。② 彎曲試驗(yàn)按GB/T232,彎軸直徑4 S,支座間距離6 S+3,彎曲角度為180°。試樣彎曲到規(guī)定角度后,其拉伸面上沿任何方向不得有單條長(zhǎng)度>3mm的裂紋或缺陷。
表1 0Cr18Ni9 A—TIG焊縫區(qū)和母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
薄壁管(φ60mm×4mm、φ60mm×8mm)的管子可以先開(kāi)2mm深V形坡口進(jìn)行A—TIG焊接,然后過(guò)渡到不開(kāi)坡口直接熔透8mm厚母材。焊接時(shí)取適量不銹鋼活性劑均勻地刷涂到管子待焊焊縫中間,焊接時(shí)管子內(nèi)部通氬氣保護(hù)。將管子固定在焊接工作平臺(tái)上水平轉(zhuǎn)動(dòng)。A—TI G焊打底,填充蓋面用自動(dòng)TIG焊。
厚壁管不銹鋼管規(guī)格φ133mm×14.2mm,加工成60°V形坡口,鈍邊為4~6mm,無(wú)間隙對(duì)中、加緊、點(diǎn)固,涂敷活性劑,管子內(nèi)部通氬氣保護(hù),用A—TI G打底,填充蓋面用自動(dòng)TIG焊。
(1)試驗(yàn)結(jié)果 在不銹鋼管焊接試驗(yàn)中,φ60mm×4.5mm、φ 60mm×6mm、φ 60mm×8mm規(guī)格的管子都達(dá)到預(yù)期效果。φ133mm×14.2mm管未能達(dá)到要求主要出現(xiàn)未焊透、焊穿、收弧裂紋。厚壁管φ133mm×14.2mm的管子坡口鈍邊有4mm、5mm、6mm各3種,鈍邊的厚度越厚,未焊透的部位越多,焊穿的部位越多,越易出現(xiàn)收弧裂紋。
第一,無(wú)損及力學(xué)性能:φ 60mm×4mm、φ 60mm×6mm和φ 60mm×8mm開(kāi)2mm深坡口的管子探傷結(jié)果均能達(dá)到I I級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)。用焊絲蓋面之后焊縫光滑平整,紋路均勻,背面光滑平整,背面高度及焊縫正面高度符合要求。通過(guò)試驗(yàn)證明,焊接外觀(guān)、無(wú)損合格的試件力學(xué)性能能夠達(dá)到要求,說(shuō)明活性劑的使用不影響焊接接頭的力學(xué)性能。
第二,化學(xué)成分。分別對(duì)0Cr18Ni9 A—TIG焊縫區(qū)和母材取樣進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定,焊縫區(qū)與母材化學(xué)成分比較如表1所示。
由上表可以看出,與“GB/T14976—2002流體輸送用不銹鋼管”中對(duì)0Cr18Ni9鋼管化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)比較發(fā)現(xiàn),A—TI G焊縫區(qū)的化學(xué)成分除P略高外均在母材標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),說(shuō)明A—TIG對(duì)化學(xué)成分影響不大。
第三,宏觀(guān)、微觀(guān)金相。以φ60mm×8mm管子A—TIG打底,普通TI G焊蓋面的試樣為例說(shuō)明不銹鋼宏觀(guān)金相和微觀(guān)組織。
從宏觀(guān)金相上看焊縫熔合良好,沒(méi)有氣孔、裂紋、夾渣、未焊透及未熔合等缺陷如圖2所示。
圖3~圖5為放大200倍之后的母材、焊縫、熱影響區(qū)的金相組織,可看出φ60mm×8mm不銹鋼管母材組織為奧氏體+少量鐵素體,焊縫組織為奧氏體+鐵素體+少許沉淀物,熱影響區(qū)組織為奧氏體+鐵素體+少許沉淀物。未發(fā)現(xiàn)微裂紋及影響性能的有害沉淀物。
第四,熔深對(duì)比。根據(jù)不銹鋼A—TI G焊接試驗(yàn)的結(jié)果,截取宏觀(guān)金相試樣,觀(guān)察熔深情況。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),涂敷活性劑后焊縫的熔深明顯加深,熔寬明顯φ60mm×6mm)采用無(wú)間隙點(diǎn)固,一次焊接成形。薄壁管變窄。不銹鋼A—TI G焊接參數(shù)越大,焊縫熔深越深。
(2)焊接參數(shù) 合適的焊接參數(shù)才能使焊縫完全焊透。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)焊接電壓基本穩(wěn)定在10~1 4V,焊接速度變化范圍不大,基本維持在60~90mm/mi n。通過(guò)大量試驗(yàn)總結(jié)出3種規(guī)格不銹鋼管的A—TI G焊接參數(shù),如表2所示。
表2 薄壁不銹鋼管A—TIG焊接參數(shù)
表3 碳鋼A—TIG焊活性劑配方
圖2 φ60mm×8mm宏觀(guān)金相
圖3 φ60mm×8mm母材微觀(guān)觀(guān)金相
圖4 φ60mm×8mm焊縫微觀(guān)觀(guān)金相
圖5 φ60mm×8mm熱影響區(qū)微觀(guān)觀(guān)金相
(1)活性劑研制 由于A-TIG焊接活性劑的成分和配方有專(zhuān)利限制,必須自行研制活性劑配方?;钚詣┑某煞种饕裳趸锖望u化物粉末組成,通過(guò)查閱資料,氧化物對(duì)熔深的影響大于鹵化物,常用的活性劑成分氧化物中首先以Si O2的改善熔深作用最明顯,其次是Ti O2,鹵化物中以Na Cl改善熔深的效果最明顯,所以在活性劑的配方中,以Si O2、Ti O2和Na Cl粉末為主要成分,另外加入Mn O2、Cr2O3作為補(bǔ)充。最終確定配方成分如表3所示。
各組分為分析純粉末狀或顆粒狀,各組分的要求符合J B/T11084—2001不銹鋼和碳鋼A—TIG活性劑的要求,顆粒度要求固體顆粒直徑≤74μm。
(2)試驗(yàn)結(jié)果 在碳鋼管焊接的試驗(yàn)中,φ 60mm×4mm、φ60mm×6mm,φ114mm×6mm規(guī)格的管子都達(dá)到了預(yù)期效果,φ60mm×8mm的管子未能達(dá)到要求主要問(wèn)題是在焊接過(guò)程中難以控制焊接參數(shù),使部分部位由于積溫過(guò)高而突然焊穿。而手工調(diào)節(jié)參數(shù)很難保證φ60mm×8mm的管子既要焊透又不焊穿。
碳鋼管φ 60mm×4.5mm、φ60mm×6mm和φ114mm×6mm的管子探傷結(jié)果最后均能達(dá)到I I級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)。外觀(guān)、無(wú)損合格的試件的力學(xué)性能能夠達(dá)到要求,說(shuō)明活性劑的使用能滿(mǎn)足焊接接頭的力學(xué)性能要求。
分別對(duì)碳鋼A—TI G焊縫區(qū)和母材取樣進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定,測(cè)定方法為直讀光譜法,將焊縫區(qū)與母材化學(xué)成分比較如表4所示。
由表4可以看出,A—TIG焊縫區(qū)和母材的化學(xué)成分大部分元素質(zhì)量百分含量相差不大,只有Si、Mn的百分含量比母材稍低。沒(méi)有達(dá)到“GB/T699—1999優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼”中對(duì)20鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求。其主要原因是母材的Si、Mn的百分含量偏低,接近標(biāo)準(zhǔn)下限。
(3)宏觀(guān)、微觀(guān)金相 以φ 60mm×6mm管子A—TIG打底,普通TI G焊蓋面的試樣為例說(shuō)明不銹鋼薄壁管的宏觀(guān)金相和微觀(guān)組織。
從宏觀(guān)金相上看焊縫熔合良好,沒(méi)有氣孔、裂紋、夾渣、未焊透及未熔合等缺陷。
圖6~圖9為放大200倍之后的母材、焊縫、熱影響區(qū)的金相組織,可看出φ60mm×6mm 碳鋼管子母材組織為鐵素體+珠光體,焊縫組織為鐵素體+珠光體+貝氏體+少量魏氏體,熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微裂紋及影響性能的有害沉淀物。
在A—TI G焊縫中沒(méi)有魏氏組織,并且晶粒細(xì)小,與母材組織及其相近。少量魏氏組織是出現(xiàn)在填絲蓋面與A—TI G焊接打底層之間的熔合線(xiàn)處。原因可能是A—TI G打底焊接完全冷卻后進(jìn)行的填絲蓋面,由于填絲蓋面的電流稍大,溫度偏高,冷卻速度過(guò)快,而蓋面層和打底層接觸的地方冷卻速度是最大的,所以產(chǎn)生了少量魏氏組織。
(4)熔深對(duì)比 根據(jù)低碳鋼A—TI G焊接試驗(yàn)的結(jié)果,截取宏觀(guān)金相試樣,觀(guān)察熔透情況發(fā)現(xiàn),涂敷活性劑后焊縫的熔深明顯加深,熔寬明顯變窄。同時(shí)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)焊接參數(shù)越大熔深越深,與不銹鋼的結(jié)論相同。
(5) 焊接參數(shù) 碳鋼焊接需要合適的焊接參數(shù)才能使焊縫完全焊透。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)焊接電壓基本穩(wěn)定在10~14 V,焊接速度浮動(dòng)范圍也不是很大,基本維持在60~80mm/mi n。通過(guò)大量試驗(yàn),總結(jié)出3種規(guī)格管子的A—TIG焊接參數(shù),如表5所示。
圖6 φ60mm×6mm宏觀(guān)金相
圖7 φ60mm×6mm母材微觀(guān)金相
圖8 φ60mm×6mm焊縫微觀(guān)金相
圖9 φ60mm×6mm熱影響區(qū)微觀(guān)金相
表4 碳鋼A—TIG焊縫區(qū)和母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
表5 低碳鋼薄壁不銹鋼管A—TIG焊接參數(shù)
(1)焊接缺陷預(yù)防 不論是低碳鋼還是不銹鋼,壁厚≤6mm的管A—TI G焊總體較為成功,但有些缺陷在低碳鋼和不銹鋼管道中不容忽視。
焊穿:由于加工的原因管子組對(duì)后有的地方有少量間隙,有間隙的地方容易焊穿,所以加工質(zhì)量要保證。
氣孔:管子組對(duì)后受潮、碳鋼管坡口處有鐵銹、配置活性劑的丙酮中含水分可導(dǎo)致氣孔出現(xiàn)。因此管子組對(duì)前要將坡口打磨干凈,去除油、銹;碳鋼管當(dāng)天焊接當(dāng)天組對(duì),防止受潮生銹。
咬邊:由于有活性劑覆蓋在管道組對(duì)縫隙上,所以不注意焊接位置偏離中心線(xiàn)就會(huì)導(dǎo)致咬邊,此外焊接電流過(guò)大也有可能引起咬邊。因此焊接時(shí)需要選擇合適的電流,焊接操作工需集中注意力,發(fā)現(xiàn)焊接電弧偏離焊縫中心要立即調(diào)整。
(2)起焊處熔透問(wèn)題 開(kāi)始焊接時(shí)管件溫度低,不容易熔透,往往開(kāi)始有一小段不能完全熔透。解決方法:①加大初始的焊接電流,減小焊接速度。②打底焊時(shí)焊完一圈后使初始部位二次熔透。
(3)熱量傳導(dǎo)問(wèn)題 隨著焊接的進(jìn)行,管件的溫度越來(lái)越高,如果保持焊接參數(shù)不變,很可能發(fā)生燒穿的危險(xiǎn)。必須在施焊過(guò)程中不斷調(diào)節(jié)參數(shù),適當(dāng)減小電流或適當(dāng)增大焊接速度。
(4)活性劑涂覆 焊接時(shí)取適量活性劑粉末置于燒杯中,加入丙酮將其調(diào)成糊狀,采用刷子均勻地刷涂到管子待焊焊縫中間,一旦脫落可以補(bǔ)刷?;钚詣┩扛惨⒁猓孩倩钚詣┩康焦茏由弦芡耆采w金屬顏色。②溫度較高時(shí)涂覆活性劑會(huì)使活性劑迅速變干然后爆皮脫落,所以要等管子冷卻后再涂覆活性劑。
(5)組對(duì)問(wèn)題 無(wú)縫鋼管的壁厚不是很均勻是常見(jiàn)現(xiàn)象,組對(duì)時(shí)需要注意尋找兩節(jié)管子的最佳組對(duì)位置,即較厚部位和較厚部位組對(duì),較薄部位和較薄部位組對(duì),盡量做到不錯(cuò)邊,否則容易出現(xiàn)未熔合缺陷。
(1)在相同焊接參數(shù)下,活性劑能使熔深增大,熔寬變窄。
(2)增大熱輸入對(duì)增大A-TIG焊縫熔深有直接影響,熱輸入不能過(guò)大或過(guò)小,熱輸入過(guò)大會(huì)使焊縫焊穿,熱輸入過(guò)小會(huì)使焊縫出現(xiàn)未焊透的缺陷。調(diào)節(jié)熱輸入的途徑主要是調(diào)節(jié)焊接電流和焊接速度。
(3)在管子A—TIG自動(dòng)焊接過(guò)程中,要保證焊接質(zhì)量熱輸入不能一成不變,開(kāi)始需要較大熱輸入量,隨著積溫的增大,需要逐步減小熱輸入量,防止焊穿。
(4)管子A—TIG自動(dòng)焊壁厚≤6mm的管子能夠符合焊縫成形,力學(xué)性能等要求。
(5)低碳鋼A—TI G焊活性劑可以實(shí)現(xiàn)自行研制,且已經(jīng)達(dá)到預(yù)期效果。