劉立永 唐元生 楊永強(qiáng) 陸斌 劉永華 張之萬(wàn)

【摘要】通過(guò)革新改進(jìn)焊接方法等措施，采用直流脈沖鎢極氬弧焊（GTAW+P）根焊打底及熱焊層焊接工藝，減小了焊接過(guò)程中的熱輸入，減少晶粒組織變大幾率，提高了焊縫金屬的組織穩(wěn)定性、塑性和韌性。

關(guān)鍵詞：鎳基合金管道；脈沖鎢極氬弧焊；焊接過(guò)程控制；焊后檢測(cè)

為了能夠使中石化普光氣田分公司天然氣運(yùn)輸管道檢修工作順利開(kāi)展，我公司按照簽訂的合同要求，進(jìn)行焊接技術(shù)研發(fā)。經(jīng)過(guò)第一階段的焊接工藝研發(fā)所得經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果，組織和實(shí)施第二階段的焊接工藝篩選和正式焊接工藝評(píng)定。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，可見(jiàn)試件在耐腐蝕（點(diǎn)蝕、晶間腐蝕開(kāi)裂）試驗(yàn)中所出現(xiàn)的問(wèn)題較多。針對(duì)以上問(wèn)題的出現(xiàn)，各專(zhuān)家和教授進(jìn)行了討論和研究，通過(guò)革新改進(jìn)焊接方法等措施，以減小焊接過(guò)程中的熱輸入，減少晶粒組織變大幾率，提高焊縫金屬的組織穩(wěn)定性和塑韌性。

下面介紹革新工藝當(dāng)中的直流脈沖鎢極氬弧焊（GTAW+P）根焊打底及熱焊層焊接工藝。

1. 材料特性

鎳基合金具有良好的高溫強(qiáng)度和優(yōu)良的耐磨損、耐高溫、抗熱震沖擊、抗氧化性能和優(yōu)良的耐強(qiáng)酸、堿性介質(zhì)和含有氯離子的氧化還原介質(zhì)等物質(zhì)的腐蝕，主要用于石油、化工、環(huán)保、航天以及核工業(yè)等行業(yè)各類(lèi)零部件的制造、修復(fù)和預(yù)保護(hù)。但鎳基合金導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大、冷卻速度較快、熔合性能較差，焊接過(guò)程中保護(hù)不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生熔池氧化等，增加了焊接難度，因此應(yīng)該選擇操作技能水平較高、有豐富經(jīng)驗(yàn)的焊工進(jìn)行施焊。材料的化學(xué)成分如表1所示，常溫下力學(xué)性能如表2所示。

2. 直流脈沖鎢極氬弧焊原理及特點(diǎn)

脈沖鎢極氬弧焊的原理是用可控的脈沖電流加熱熔化工件，每一個(gè)脈沖會(huì)形成一個(gè)點(diǎn)狀熔池。脈沖頻率間歇時(shí)，僅有維弧電流繼續(xù)工作，熔池凝固而形成一個(gè)有效焊接接頭。當(dāng)下一個(gè)脈沖電流作用時(shí)，在已凝固焊接接頭的局部和母材上產(chǎn)生第二個(gè)點(diǎn)狀熔池，當(dāng)出現(xiàn)第二個(gè)脈沖頻率間歇時(shí)，熔池又凝固成第二個(gè)有效焊接接頭并與前一個(gè)相連接。依此周而復(fù)始地進(jìn)行，便形成一條完整的焊接接頭。

表1 鎳基復(fù)合材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

化學(xué)CSiMnPSCrNiMoCuFeTiAl成分19.538.02.51.50.6規(guī)范值≤0.05≤0.5≤1.00≤0.02≤0.005～～～～≥22.0～≤0.2 23.546.03.53.01.2實(shí)測(cè)值0.019 0.2110.530.0110.00122.69 38.86 3.22 1.90 29.98 0.81 0.110

表2 鎳基材料力學(xué)性能

力學(xué)性能屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率（%）剪切硬度HBW規(guī)范值≥415≥457≥20≤250實(shí)測(cè)值35447353.5414

脈沖鎢極氬弧焊的特點(diǎn)是：①可以精確控制對(duì)工件的熱輸入和熔池尺寸，提高焊縫抗燒穿和熔池的保護(hù)能力，易獲得均勻的熔深，特別適用薄板、全位置焊接和單面焊雙面成形。②由于每個(gè)焊點(diǎn)加熱和冷卻迅速，所以也適用于焊接導(dǎo)熱性能差和厚度較大的工件。③脈沖電弧熱輸入較低且熔深較大，因此在同樣條件下，能減小焊接熱影響區(qū)和焊接變形，這對(duì)薄板、超薄板焊接有更顯著地效果，能夠改善鎳基合金熔合性較差現(xiàn)象。④焊接過(guò)程中熔池金屬冷凝快，高溫停留時(shí)間短，可減小對(duì)熱量特別敏感材料焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向。

綜合上述材料特性與工藝特性的比較，可以發(fā)現(xiàn)直流脈沖鎢極氬弧焊，能夠滿足焊接鎳基合金的要求，并能夠減少鎳基合金焊接過(guò)程中易出現(xiàn)熔合性能不好、過(guò)熱組織、晶粒長(zhǎng)大、裂紋等傾向。

3. 焊接材料選擇

根據(jù)SH/T3523《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳基合金焊接工藝規(guī)程》規(guī)定，鎳基合金鋼氬弧焊接時(shí)應(yīng)按與材料等成分的原則選擇焊接材料，根據(jù)以上材料所含化學(xué)成分含量篩選，可發(fā)現(xiàn)ERNiCrMo—3的化學(xué)成分，能夠滿足母材焊接的需求，所選焊接材料為實(shí)芯氬弧焊絲，根焊打底時(shí)需要進(jìn)行背面充氬氣保護(hù)。焊接材料合金成分實(shí)測(cè)值如表3所示。

4. 焊前準(zhǔn)備和坡口組對(duì)

在焊接前確認(rèn)設(shè)備的可調(diào)節(jié)性、電流輸出的穩(wěn)定性。焊接電源絕緣良好，有可靠的接地。正確穿戴勞保防護(hù)用品，打磨時(shí)要帶上打磨面罩或防護(hù)眼鏡。焊接前確認(rèn)焊接電流和坡口間隙大小是否合適。組對(duì)前檢查坡口的角度是否適合施工要求，并把坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)油污、銹跡等打磨干凈。用丙酮擦拭坡口和焊絲，戴干凈的手套，并保持場(chǎng)地整潔。組對(duì)前對(duì)母材的材質(zhì)、管徑、厚度、焊絲型號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，是否匹配合適。焊接前確認(rèn)施工環(huán)境是否滿足焊接要求，做好擋風(fēng)等防護(hù)措施。準(zhǔn)備背面充氬氣保護(hù)的工具和設(shè)備，并保證背面保護(hù)氬氣純度≥99.99%。點(diǎn)固組對(duì)采用搭橋或夾具連接組對(duì)，點(diǎn)固位置應(yīng)在基層側(cè)，焊接完成后把焊點(diǎn)打磨圓滑。層間打磨清理時(shí)采用不銹鋼砂輪片或不銹鋼絲刷。

5. 焊接過(guò)程

坡口組對(duì)前應(yīng)在管道內(nèi)側(cè)靠近坡口200～300mm處放置充氣工具（或背部拖罩），如巖綿等不易熔化、燃燒的材料。施焊前確認(rèn)施焊環(huán)境溫度，當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，要做焊前預(yù)熱，預(yù)熱寬度為焊縫及坡口兩側(cè)100mm范圍，并且預(yù)熱溫度≥15℃。

將焊絲端部用氬弧焊加熱后快速放進(jìn)管道內(nèi)部，用來(lái)檢查背面充氬氣保護(hù)濃度，當(dāng)焊絲端部呈現(xiàn)銀白色時(shí)，說(shuō)明管道內(nèi)部保護(hù)氬氣的濃度已經(jīng)達(dá)到焊接要求。檢測(cè)管道內(nèi)部充氣合格如圖1所示。

脈沖鎢極氬弧焊打底過(guò)程中，焊槍角度應(yīng)該隨著焊接位置的變化而變換，并且為了能夠更好的熔合，焊槍要與母材保持合適的后傾角度。焊接過(guò)程中焊槍做輕微擺動(dòng)，減小焊接熱輸入對(duì)熱影響區(qū)的影響，防止焊道晶粒組織變大，提高焊接接頭的塑韌性，降低出現(xiàn)熱裂紋的傾向。脈沖鎢極氬弧焊打底焊接時(shí)要在脈沖高峰值出現(xiàn)并打開(kāi)熔孔時(shí)續(xù)送焊絲，續(xù)送的焊絲量要充足，主要根據(jù)間隙和熔孔大小而定，以保證背面兩側(cè)融合良好和足夠的背面穿透高度。采用點(diǎn)續(xù)送方式，送進(jìn)焊絲的端部不得脫離氬氣保護(hù)區(qū)域，以防焊絲端部產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，再次送進(jìn)時(shí)氧化雜質(zhì)溶進(jìn)到液態(tài)熔池中。用于送進(jìn)焊絲的手應(yīng)找到牢固可靠的支撐點(diǎn)，以免手腕抖動(dòng)造成焊絲送進(jìn)不良，產(chǎn)生內(nèi)部焊縫凹陷、焊縫金屬連接不良、焊縫夾鎢等缺陷。?；r(shí)，應(yīng)把?；√幚侥覆牡钠驴谔?，熄弧采用電弧衰減法或熄弧前點(diǎn)送焊絲增加收弧處的厚度，防止產(chǎn)生弧坑裂紋及縮孔。再次起弧前對(duì)?；√庍M(jìn)行砂輪打磨，修出斜面的接頭形式，待接頭部位處充分熔孔后方可繼續(xù)送焊絲，保證背面接頭處熔合良好。

表3 焊接材料ENiCrMo—3化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

化學(xué)CMnSiSPCrNiFeMoCuTiNbAl成分≤≤≤≤208≤≤3.15≤規(guī)范值0.100.500.500.015≤0.02～≥58≤5.0～0.500.40～0.40 23104.15實(shí)測(cè)值0.012 0.001 0.160.001 0.004 22.6 640.05 8.90.020.203.590.10

圖1 檢測(cè)管道內(nèi)部充氣合格

表4 焊接參數(shù)

焊接層次焊接電流/A電弧電壓/V脈沖頻率脈沖寬度脈沖電流/A低中高頻根焊層601210～152090低頻熱焊層1301520～2520120低頻

脈沖鎢極氬弧焊固定口打底焊接時(shí)，由于鎳基合金材料下墜和流動(dòng)性較差的原因，在6點(diǎn)位置焊絲端部的送進(jìn)位置應(yīng)在坡口根部，并適當(dāng)增加焊絲送進(jìn)量，以保證坡口背面焊接質(zhì)量。在3、9點(diǎn)位置焊接時(shí)應(yīng)適當(dāng)加快焊接速度、點(diǎn)送絲速度，以降低熔池高溫停留時(shí)間，減少晶粒粗大傾向。打底焊接過(guò)程中，盡量減少使用磨光機(jī)打磨焊道，過(guò)多使用砂輪打磨會(huì)破壞管道內(nèi)部充氬氣保護(hù)的氣體濃度，造成背面保護(hù)不良。根焊打底成形如圖2所示。

根焊打底層的正面厚度不得超過(guò)3mm，以防止基層材料對(duì)根部焊道的稀釋。由于根焊打底層較薄，不適于大直徑焊接材料的填充焊接，故在熱焊層也采用脈沖鎢極氬弧焊工藝進(jìn)行填充。對(duì)完成根焊打底的焊道用不銹鋼絲刷清理，完成清理后進(jìn)行熱焊層的焊接，熱焊層最好采用搖把方法焊接，這樣可以將殘留的氧化物甩到焊道邊緣，保證熔池內(nèi)的清潔度并提高焊道的熔合性。熱焊層成形如圖3所示。

鎳基合金材料焊接過(guò)程中要嚴(yán)格控制層道間溫度，溫度控制在100℃以下。在焊縫厚度未達(dá)到8～10mm以前，不得撤離背面充氬氣保護(hù)措施。脈沖鎢極氬弧焊根焊打底及熱焊層焊接參數(shù)如表4所示。

6. 質(zhì)量檢查

對(duì)完成根焊和熱焊的試件進(jìn)行質(zhì)量檢查，以采用高倍放大鏡進(jìn)行外觀檢測(cè)為主。要求焊道背面和正面不得有未融合、氣孔、咬邊、墜瘤、裂紋、弧坑及保護(hù)不良等缺陷。鎳基合金的試件檢查不得使用滲透劑等有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)，以防止有機(jī)物滲透到熔池中，造成開(kāi)裂現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)要及時(shí)修補(bǔ)，對(duì)于問(wèn)題較嚴(yán)重，機(jī)械清理不理想的試件，應(yīng)進(jìn)行整口切割重新焊接。檢查合格后的焊道可采用焊條電弧焊、熔化極脈沖MIG焊、埋弧焊工藝進(jìn)行填充蓋面。

7. 結(jié)語(yǔ)

脈沖鎢極氬弧焊與無(wú)脈沖鎢極氬弧焊相比較：熱輸入小、熱影響區(qū)寬度小、增加熔池?cái)嚢枘芰κ挂簯B(tài)熔池合金元素分布更均勻、增加熔敷深度、脈沖電流峰值能夠增加電弧挺度，使電弧燃燒更穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)踐對(duì)比，發(fā)現(xiàn)脈沖鎢極氬弧焊比無(wú)脈沖鎢極氬弧焊，更能夠勝任鎳基合金根焊打底層的焊接。

圖2 根焊打底成形

圖3 熱焊層成形

20170626

作者簡(jiǎn)介：劉立永等，中國(guó)石化集團(tuán)第十建設(shè)有限公司。