（材料加工工程专业论文）不锈钢背面保护剂焊接性研究.pdf

摘要 t i g 焊已广泛应用于工业生产中，t i g 焊接过程中背面保护的问题日益突出。 目前采用的保护方法有背面充氩保护、陶瓷衬垫保护、混合气体保护等，这些方 法都存在一定的局限性。例如充氩保护生产效率低、浪费严重、无法解决缺陷焊 口处挖补时对焊缝的保护，使得焊补处成为安全隐患；陶瓷衬垫保护操作不方便。 不锈钢背面保护剂使用方法简便、灵活、可操作性好；只需涂敷于待焊工件背面， 即可得到背面无氧化、呈现银白色金属光泽、成形良好的焊缝。 本文利用自行研制的背面保护剂，对薄壁3 0 4 不锈钢管进行t i g 焊接，研究 了焊接电流、焊接速度、保护剂的涂抹厚度等对焊缝成形的影响，确定了最佳工 艺参数。测试了接头的力学性能，并进行了腐蚀实验。结果表明，自行研制的背 面保护剂能对薄壁3 0 4 不锈钢管子的t i g 焊接起到良好的保护作用，所得焊缝背 面无氧化，呈现银白色金属光泽，成形良好。涂敷保护剂后，电流越大，熔池金 属的表面张力越小，促进熔池中金属的流动，因而提高焊接电流可以消除焊缝背 面成形宽度不均、不光滑、凹凸不平等现象；当电流过大，一方面电弧对熔池的 压力增大，另一方面过大的熔池尺寸与较长的熔池存在时间，都会使焊缝成形变 差，也会使焊缝被氧化的机会增大。焊接速度是通过熔池尺寸和熔池存在的时间 来影响焊缝成形的，这主要是由于焊接速度较低时，保护剂能促使熔池充分流动 的作用明显，当焊接速度较大时这种作用减弱；随着保护剂涂敷厚度的增加，焊 缝成形的效果越好。当焊接电流为2 g a 、焊接速度为1 6 0 m m m i n 、保护剂的涂 抹厚度约为4 m m 时所得接头成形最佳。拉伸和腐蚀实验表明，焊接接头的力学 性能符合要求；未涂保护剂的焊件腐蚀严重，涂抹保护剂的焊件基本无腐蚀，表 明保护剂能有效提高接头的耐腐蚀性能。 背面保护剂在不锈钢薄壁管中的应用研究，扩大了保护剂的使用范围，突破 了不锈钢管焊接时需充氩保护等局限性，节约了焊接成本，大幅提高了焊接效率。 关键词：背面保护剂：3 0 4 不锈钢薄壁管：t i g 焊接：接头性能 a b s t r a c t t i gw e l d i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t i gw e l d i n g p r o c e s so nt h eb a c ko ft h ei s s u eo fp r o t e c t i o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t m s p r o t e c t i o nm e t h o di s o f t e nu s e db yb a c kf i l l e d 埘t ha r g o np r o t e c t i o n ，c e r a m i cl i n e r p r o t e c t i o n ，m i x e d - g a sp r o t e c t i o ne t c h o w e v e r , t h e s em e t h o d sh a v es o m el i m i t a t i o n s ， s u c ha sa r g o np r o t e c t i o np r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sl o w 、s e r i o u sw a s t e 、c a n n o ts o l v et h e d e f e c t si nt h ew e l dp a t c h i n g 、加t ha r g o np r o t e c t i o n t h u sm a c k i n gt h ew e l dp a t c h i n ga t as e c u r i t yr i s k t h ec e r a m i cl i n e rp r o t e c ti n c o n v e n i e n c e t h ep r o t e c t a n to fs t a i n l e s s s t e e li ss i m p l ea n df l e x i b l et ou s e 、a n dh a v eg o o do p e r a b i l i t y s i m p l yc o a t i n gt ot h e b a c ko ft h ew e l d m e n t ，a n dn o tn e e dt h ep r o t e c t i o no fa r g o n ，g e tn o n - o x i d i z e ，s h o w i n g as i l v e r - w h i t em e t a l l i cl u s t e ra n dg o o df o r m i n go nt h eb a c k o fw e l dl i n e t 1 l i sa r t i c l eh a sb e e ns t u d i e di n3 0 4s t a i n l e s ss t e e lf o rt i gw e l d i n go f s e l f - c o n t r o lp r o t e c t a n t s y s t e m m a t i cs t u d i e dt h ee f f e c to ft h ew e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n g s p e e d ，s m e a rt h i c k n e s so ft h ep r o t e c t a n to nw e l ds h a p e ，d e t e r m i n et h eo p t i m a l p a r a m e t e r s u s eat e n s i l et e s tt ot e s t i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ej o i n t s ，a n d r e s e a r c ht h ej o i n t sf o rc o r r o s i o nt e s t t h er e s u l t ss h o w st h a t ，t h ep r o t e c t a n tc a n p l a ya g o o dp r o t e c t i v ee f f e c to f3 0 4s t a i n l e s ss t e e lf o rt i gw e l d i n g c a ng e tn o n - o x i d i z e ， s h o w i n gas i l v e r - w h i t em e t a l l i cl u s t e ra n dg o o df o r m i n go nt h eb a c ko fw e l dl i n e a f t e rt h ep r o t e c t a n tc o a t i n g ，t h eg r e a t e rt h ec u r r e n t ，t h es m a l l e rt h es u r f a c et e n s i o no f t h em o l t e np o o lo fm e t a l ，f a c i l i t a t i n gt h ef l o wo ft h em o l t e np o o lo fm e t a l ，t h u s i n c r e a s i n gt h ew e l d i n gc u r r e n tc a ne l i m i n a t et h ep h e n o m e n ao ff o r m i n gw i d t hu n e v e n ， r o u g ha n ds a g s a n d c r e s t so ft h er o o ts u r f a c eo fw e l d w h e nt h ec u r r e n ti st o ol a r g e ，t h e o n eh a n d ，t h ep r e s s u r eo ft h ea r co ft h ew e l dp o o li n c r e a s e d ，o nt h eo t h e rh a n dt h eb a t h o ft h em o l t e np o o ls i z ea n dl o n g e re x i s t e n c et i m e ，w i l lc a u s et h ew e l ds h a p ev a r i a t i o n ， a l s om a k et h ew e l dl i n eo x i d a t i o ni n c r e a s e s t h ew e l d i n gs p e e di sa f f e c t e dt h ew e l d s h a p eb ym o l t e np o o ls i z eo ft h eb a t ha n de x i s t e n c et i m e t h i si sm a i n l yd u et ol o w e r w e l d i n gs p e e d ，t h ep r o t e c t a n tc a np r o m o t et h ef u l lf l o wo fm o l t e np o o l ，t h i se f f e c t d i m i n i s h e dw h e nt h ew e l d i n gs p e e di sl a r g e r w i t ht h ei n c r e a s ei nt h et h i c k n e s so ft h e p r o t e c t a n ta p p l i e d ，t h eb e r e rt h ee f f e c to fw e l ds h a p e w h e nt h ew e l d i n gc u r r e n ti s 2 0 a ，w e l d i n gs p e e di s16 0 m m m i n ，s m e a rt h i c k n e s so ft h ep r o t e c t a n ti s4 m m ，t h ej o i n t f o r m i n gi s t h eb e s t t e n s i l ea n dc o r r o s i o ne x p e r i m e n t ss h o w st h a t ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t sa c c o r dw i t ht h er e q u i r e m e n t s t h ew e l d m e n ts e r i o u s c o r r o s i o no fu n c o a t e dp r o t e c t a n t ，a n dl e s sc o r r o s i o no fs m e a rp r o t e c t a n t s h o w st h a t u s et h ep r o t e c t a n tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ej o i n t s a p p l i e dr e s e a r c h i nt h ew e l d i n go fs t a i n l e s ss t e e lt h i n - w a l l e dt u b eo ft h e p r o t e c t a n t ，e x p a n dt h es c o p eo ft h eu s eo fp r o t e c t a n t ，b r e a kt h r o u g ht h el i m i t a t i o n so f t h es t a i n l e s ss t e e lt u b ew e l d i n gn e e d sf i l l e d 埘t ha r g o np r o t e c t i o n , s a v et h ew e l d i n g c o s t ，g r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ew e l d i n g k e yw o r d s ：p r o t e c t i v ea g e n t ；3 0 4s t a i n l e s ss t e e lt h i n w a l l e dt u b e ；t i gw e l d i n g ；j o i n t p e r f o r m a n c e m 1 1 背景 第1 章绪论 随着我国改革开放政策的实施，国民经济获得快速增长，城镇住宅、公共建 筑和旅游设施大量兴建，对热水供应和生活用水供给提出了新的要求。特别是水 质问题，人们越来越重视，要求也不断提高。镀锌钢管这一常用管材因其易腐蚀， 在国家相关政策的影响下，将逐渐退出历史舞台，塑料管、复合管及铜管成了管 道系统的常用管材。但在许多情况下，不锈钢管更有优越性，特别是壁厚仅为0 6 1 2 r a m 的薄壁不锈钢管在优质饮用水系统、热水系统及将安全、卫生放在首位的 给水系统，具有安全可靠、卫生环保、经济适用等特点。已被国内外工程实践证 明是给水系统综合性能最好的、新型、节能和环保型的管材之一，也是一种很有 竞争力的给水管材，必将对改善水质、提高人们生活水平发挥无可比拟的作用。 在建筑给水管系中，由于镀锌钢管已经结束了百年辉煌的历史，各种新型塑 料管及复合管得到迅速发展，但各种管材还不同程度地存在着一些不足，远不能 完全适应供水管系的需要和国家对饮用水及有关水品质的要求。因此，有关专家 预言：建筑给水管材最终将恢复到金属管的时代。根据国外的应用经验，在金属 管中认定薄壁不锈钢管为综合性能最好的管材之一。 薄壁不锈钢管经久耐用，已被工程界公认。而且有关方面正在从减小壁厚、 降低价格方面着手，以利于进一步推广。特别是小口径的不锈钢管，价格不高， 因此配套的连接方法、管件之可靠性及价格是决定它发展的主要因素。国内在四 川、广东、浙江、江苏等地的开发商已经自主开发了连接技术和管件，是很有发 展前途的管材。薄壁不锈钢管这一技术与产品的推广应用对提高我国现代建筑的 档次，改善与保障供水水质都具有重要意义。 同时，建设部很重视薄壁不锈钢管材的推广应用。薄壁不锈钢水管的行业 标准已于2 0 0 1 年发布执行。相关管道工程技术规程及安装图集，建设部已发文， 正由同济大学负责编制。目前，四川、广东、浙江、江苏等地都有专业厂家生产 薄壁不锈钢管，产品已趋成熟期。 宁波市华涛不锈钢管材有限公司是国内最先拥有薄壁不锈钢连接技术专利的 厂家，也是国内最早研发生产薄壁不锈钢管材、管件的厂家之一，产品适用于给 水、燃气等管道。 目前，随着不锈钢产业的快速发展，焊接过程中的背面保护问题日益突出【h 】。 在各类钢的焊接时，大都采用氩弧焊和手工电弧焊的方法，无论是目前正在大量 使用的如t 9 1 p 9 1 铬钼钢、t p 3 0 4 不锈钢，还是即将大量使用的t 9 2 p 9 2 、 t 1 2 2 p 1 2 2 及s u p e r 3 0 4 h ，合金含量都相对较高。尤其在焊接不锈钢时，由于不锈 钢中合金元素和氧的亲和力比较强，如果不采取保护措施，背面的焊缝金属易被 氧化或者发生合金元素的烧损，易产生焊接缺陷，造成焊缝金属的力学性能和耐 腐蚀性能的下降，为保证质量，不可避免的要对焊缝背面进行保护【5 6 】。目前常用 的保护方法有焊缝背面充氩保护、自保护药芯焊丝保护、陶瓷衬垫保护、混合气 体保护等0 1 ，以上方法都存在一定的局限性。不锈钢背面保护剂使用方法简便、 灵活、可操作性好；只需涂敷于待焊工件背面，无需充氩保护，即可得到焊缝背 面无氧化、呈现银白色金属光泽、成形良好的焊缝，使用背面保护剂可以节约焊 接成本，大幅提高焊接效率。最近“太阳”牌保护剂引起了人们的极大关注，已 在工业生产中得到大量应用。兰州理工大学率先在国内开此项工展作的研究，研 发了针对不锈钢的焊缝背面保护剂。 1 2 不锈钢的焊接性和焊接特点 由于不锈钢在使用过程中，很大一部分都要焊接，因此焊接质量的好坏直接 影响着不锈钢件的性能。焊接性是指同种金属材料或异种金属材料在焊接加工条 件下，能够形成具备一定使用性能的焊接接头的特性。焊接性受到材料、焊接方 法、构件类型及使用要求等因素的影响。焊接性包括两个方面的意义：一是粘合 性，即一定的金属材料在指定的焊接工艺条件下，对焊接缺陷的敏感性，即工艺 焊接性；二是使用性能，是金属材料在指定的焊接条件下所形成的焊接接头适用 条件的程度，也称使用焊接性【1 1 d 3 1 。不锈钢焊接接头由焊缝金属区、热影响区和 母材( 基本金属) 区三部分组成，图1 1 给出了不锈钢焊接接头的组织和性能变 化示意图。 l i 2 1 萨 i t - l ；心譬 i 一月l li l o 三战 i f ；f it m i l jj l j 柞椭热彪响区毖奉金属一暇 图1 1 不锈钢焊接接头的组织和性能变化示意图 2 1 半熔化区；2 过热区；3 正火区；4 部分相变区；5 再结晶区 ( 1 ) 焊缝金属区( w m ) ：焊接加热时，焊缝处的温度在液相线以上，基本 金属和填充金属共同形成熔池，冷凝后成为铸态组织。焊缝金属区由于冷却速度 较快，晶粒较细小，再加上保护剂的保护作用和合金化作用，其强度一般不低于 母材区。 ( 2 ) 热影响区( h a z ) ：是指焊缝两侧因局部加热而产生组织和性能变化的 区域，以下着重讨论半熔化区和过热区对焊接接头的不利影响。半熔化区：位于 焊缝与基本金属的交界处，加热温度约为1 4 9 0 1 5 3 0 1 2 。部分金属加热到熔化状 态，结晶后成为铸态组织；另一部分金属为严重过热的奥氏体，冷却后成为粗晶 粒。故该区域的塑性和冲击韧性很差。过热区：紧靠半熔化区，加热温度约为 1 1 0 0 1 4 9 0 ，在如此高温作用下，奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，使塑性 和韧性大大降低【1 4 】。 ( 3 ) 母材区( b m ) ：由于焊接接头试样取样长度有限，母材区在焊接过程 中也不同程度的受到焊接热输入的影响。因此，母材区的晶粒与原热轧板材有些 区别：等轴化比较明显、组织相对均匀一些，晶粒尺寸有所长大【1 5 1 引。 奥氏体不锈钢的焊接特点如下： 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，由于其在高温、极低温度( 1 9 6 3 2 ) 均具有优良的塑韧性、冷热加工性能和耐腐蚀性能，因而广泛的应用于各行各业 中。间腐蚀由表面沿晶界深入到内部，它使材料的强度急剧下降，稍受外力即沿 晶界断裂，表面却仍然光亮完好，因此晶间腐蚀是一种具有极大的危险性的腐蚀 破坏现象。奥氏体不锈钢在氧化和弱氧化介质中易产生晶间腐蚀。当其焊缝金属 中含有少量的6 铁素体( 5 1 0 ) 时，可防止热裂纹，提高抗晶间腐蚀能力，但6 铁素体含量较高时，抗应力腐蚀裂纹倾向则会降低，6 铁素体对低温韧性很不利。 因此，要求在采用奥氏体不锈制作设备时，母材和焊接接头都应有足够的抗晶间 腐蚀性能。在对奥氏体不锈钢进行焊接时，其工艺要点为【1 9 】： ( 1 ) 焊接接头的坡口形式应尽可能选择v 形坡口，以减少焊缝金属的填充 量，降低焊接的收缩应力，防止热裂纹的产生。 ( 2 ) 尽可能地采用固定夹具，尤其是焊薄板时，避免角焊缝。 ( 3 ) 先从中间开始焊而后向两边焊或采用分段退焊技术。 ( 4 ) 由于焊丝的电阻率大、导热系数小，所以熔化系数大，焊丝伸出长度要 短一些。 ( 5 ) 尽量采用短弧焊并不做摆动，以防止合金元素不必要的烧损。 ( 6 ) 为了防止焊缝中产生气孔，应尽量限制气体来源并改善气体逸出条件。 3 1 3 国内外不锈钢薄壁管焊接的研究现状 不锈钢薄壁管在各个行业越来越广泛的应用，促使人们对不锈钢薄壁管及其 焊件接头的性能进行更深入的研究。目前国内焊接不锈钢薄壁管的方法有很多， 其中t i g 焊是一种比较成熟的焊接方法。已经广泛的应用于工业生产中。 国内在焊接时对焊缝的保护方法主要有： l 、背面加衬垫法 背面加衬垫法是在焊缝的背面加衬垫承托熔池金属并使它冷却凝固而强制成 形的焊接工艺【2 0 。2 2 1 。由于能够保证良好的背面成形，使其具有更强的实用性。国 内埋弧焊单面焊双面成形工艺大都采用的是焊缝强制成形的方法【2 3 1 ，主要有两大 类：一类是铜衬垫及焊剂铜组合衬垫；另一类是焊剂衬垫，包括焊剂气垫、硬焊 剂衬垫、固化焊剂衬垫、柔性粘贴式陶瓷衬垫等。柔性粘贴式陶瓷衬垫以其使用 快捷方便，位置适应性强等特点，在单面焊双面成形工艺及焊缝强制成形工艺中 日益得到重视，在不锈钢埋弧焊中采用该工艺一次可获得双面成形的焊缝，具有 提高生产效率、改善劳动条件、缩小焊接空间位置等优点，因而在造船、锅炉及 其它金属结构制造中已得到广泛应用【2 4 。2 们。 陶瓷衬垫单面焊是利用陶瓷材料具有耐高温性能的特点，将其作为焊缝背面 成形依托，达到单面焊双面成形的高效焊接工艺。陶瓷衬垫由陶瓷块、防固化纸、 铝箔、粘结剂涂层四部分组成。陶瓷块是陶瓷衬垫的主体，由氧化硅或氧化铝等 材料在一定的温度下烧制而成，并在一面开有弧形的成形槽，以便焊接时熔化的 金属流入其内强制成形。整条衬垫由数个尺寸大小相同的陶瓷块依次排列粘在铝 箔上，可以进行适度弯曲，形成“软衬垫 ，可适用于不同曲率半径的焊缝焊接， 如平焊缝、不同直径简体的对接焊缝等。防固化纸平时用于保护和防止粘结剂固 化，在焊接前揭去。陶瓷衬垫成形槽底部中央划有一条红线，用于粘贴时与焊缝 找正对中。陶瓷块两侧的铝箱上沿衬垫长度方向分布着一些小孔，作为焊接时的 排气孔。陶瓷衬垫规格、形状可经正交优化设计确定。 陶质衬垫具有如下主要特点： ( 1 ) 陶瓷衬垫具有合适的熔点，在电弧热作用下，成形槽表面部分熔化，对 焊缝金属起润滑作用，增加液态金属的流动性，使焊缝背面成形良好。 ( 2 ) 陶瓷衬垫按要求烘干后，吸湿性较小，焊缝含氢量低。 ( 3 ) 采用粘贴定位，避免和消除了各种焊剂衬垫应用中由于工件移动，滚动、 窜动造成的衬垫托力不均匀、衬垫错位、焊漏及成形不良等问题。 ( 4 ) 其长度可以根据需要裁定。当采用小陶瓷块时，可适用于一定曲面结构 的焊接。 目前粘贴式陶瓷衬垫以其使用快捷方便，适应性强，具有优良的背面强制成 4 形性能和工艺性能的特点，在单面焊背面强制成形的焊接工艺中得到广泛的应用， 如图1 2 所示。 图1 2 陶瓷衬垫强制成形单面焊接头形式 1 9 9 7 大庆石化总厂的张宝岩【2 7 】采用背面加玻璃纤维衬带m i g 焊，成功地焊 接了1 7 台不锈钢料仓。料仓焊后经射线检查全部符合g b 3 3 2 3 8 7 标准的要求， 焊缝正面成形良好，焊缝背面呈金黄色。 2 0 0 6 武汉船舶职业技术学院曾平【2 8 】在对板材q 2 3 5 焊接时，采用t g 1 o z 陶 瓷衬垫，其成形槽宽度为1 0m m ，深度为0 4m m ，陶瓷衬垫贴于试板背面，粘贴 时使衬垫与试件紧密贴合。采用此方法对焊缝进行保护，焊接后可得到光滑的焊 缝。 2 0 0 6 武汉理工大学汪选国【2 9 】对手工单面焊陶瓷衬垫进行了研究，焊接实验在 长3 5 0m m ，宽1 0 0m m ，厚1 6m m 的两块1 6m n 钢板对接接头上进行。在衬垫 安装之前，先在试板两头进行点焊，固定试板的间隙，使两块试板对齐。试板的 间隙确定以后进行衬垫安装，先去除铝铂上的胶纸，使衬垫的中心线对准间隙中 心，最后贴紧铝箔，固定好衬垫后，在铝箔上打上气孔，以便于焊接过程中气体 的排除。衬垫安装见图1 3 ，用该方法焊接后，可以得到成形良好的焊缝。 图1 3 衬垫安装 2 、自保护药丝 自保护药芯焊丝是在没有外加气体保护下的一种焊接材料，在焊接过程中空 气很容易侵入焊接区，在焊缝中产生气孔。无论是自身造气保护的焊条电弧焊， 还是利用外加气体保护的气体保护焊，产生的保护气体都笼罩在焊接电弧区外部， 隔绝焊接过程不受外界空气的干扰。而自保护药芯焊丝在焊接过程中，造气剂位 于焊丝内部，使焊接过程中内部气体压力过大，将金属熔滴推向外侧，产生很大 的飞溅，并且产生的气体不会有效包围金属熔滴，使氧气和氮气很容易侵入焊接 区。自保护药芯焊丝这种保护机制，使药芯中不能加入过多的造气剂，而主要依 靠造渣剂、脱氧剂和氮化物形成元素来进行保护。使用自保护焊丝不受管材规格、 焊接位置等因素的限制，操作灵活，并且减少了充氢时的准备工作。但由于焊丝 表面有较薄的涂层，在焊接操作上出现了一些不适应性，往往会出现内凹等缺陷， 因此对焊工的操作水平要求较高。自保护焊丝适用于焊缝打底，不宜用于第二层 以上的焊道，否则易造成夹渣，且焊缝成形不美观【3 0 弓3 1 。采用全氢弧焊多层多道 焊接时，宜与实芯焊丝配合使用。另外，目前市场上基本没有性能稳定的国产自 保护不锈钢焊丝，进口自保护焊丝价格较贵，成本较高，因此在应用上受到了一 定的限制。 2 0 0 5 太原高级技工学校的任萱 3 4 】在对s a 2 1 3 t p 3 4 7 h 钢进行焊接时采用s s 7 焊接渗透剂和药皮焊丝对焊缝保护，在焊接过程中电弧的穿透力明显增强、熔池 渗透性及流动性得到改善，从而使得焊接电流及坡口尺寸可以相应减小，同时采 用t g f 3 0 8 l 药皮焊丝后，药皮在焊接过程中产生自保护气氛，透过根部间隙对焊 缝背面起到了保护作用，避免了焊缝根部的氧化，改善了焊缝根部成形，取得了 满意效果。 2 0 0 5 广东火电工程总公司彭尚字、李丽红、吴发朗【3 5 】对不锈钢小径管背面免 充氩焊接采用药芯焊丝打底，实现了不锈钢管口焊接时背面免充氩保护，而且只 要操作得当，注意打底接头及封口质量，控制好道间温度，完全可保证焊接质量， 从而取消充氩保护装置，减轻焊工的劳动强度。 2 0 0 6 天津市管道工程集团有限公司刘婧、姜国庆、罗启民【3 6 在研究药芯焊丝 自保护焊在天然气管道工程焊接中，发现半自动药芯焊丝自保护焊与焊条电弧焊 联合应用，可以优势互补，提高了焊接速度和焊接质量，降低了生产成本。采用 该工艺施焊的部分，焊缝一次合格率超过9 9 4 ，焊接施工周期比仅采用焊条电 弧焊缩短了4 0 天，提高了生产率。 2 0 0 7 钢铁研究总院的喻萍、田志凌、潘川【3 7 】等，在对自保护药芯焊丝焊缝中 的气体研究中发现，用自保护焊丝保护焊缝，很容易产生氮气孔，且氮对焊缝的 冲击韧性和延展性会产生不利的影响，并会引起应变时效现象。 2 0 0 7 中原油田建筑集团的王文焱、曾九令、孙伟【3 8 】等，在长输管道焊接中采 用药芯焊丝自保护焊对焊缝进行保护，通过近几年药芯焊丝自保护焊技术在中石 化山东天然气管网、西南成品油管道、靖西天然气管道等大型项目中的推广应用， 证明药芯焊丝自保护焊具有自动化程度高、焊接质量好、生产效率高、工程适应 能力强等特点。 3 、气体保护 惰性气体保护焊用保护气体有氩、氦、氩氦混合气体和氩氢混合气体【3 9 4 2 1 。 ( 1 ) 氩气保护，氩气是惰性气体，具有高温下不分解又不与焊缝金属起化学 反应的特性，密度比空气大3 7 ，使用时不易漂浮失散，所以是一种理想的保护 气体。实践证明，这是一种有效的防止焊缝背面氧化的方法，并且由于氩气为惰 6 性气体，对焊接熔池冶金过程也不会产生不利影响【4 3 】。但背面充氩保护存在着一 些自身很难克服的缺点： i ) 工作效率低，由于充氩气和焊接操作是同时进行的，因此两个操作存在相 互干涉的问题，尤其在检修焊接时，检修空间的狭小往往会影响施工效率和焊接 质量。 i i ) 浪费严重，充氩用气量跟打底层焊接时间成正比，所以当焊接大口径管 道时，氩气的用量是相当大的。另外焊接过程中的“常气流现象也是造成充氩 保护成本高的重要因素。 i i i ) 充氩保护无法解决的问题是在缺陷焊口处，挖补时无法进行充氩保护， 进而使得焊补处成为安全隐患。 ( 2 ) 氦气保护，氦气属惰性气体，但与氩气相比，性质有较大差别。在氦气 中容易引弧，电弧稳定而柔和，氩气则较差；同样电流和弧长，氦弧的电压明显 比氩弧高，所以氦弧的温度高，发热大且集中，是氦弧焊的最大优点；氦气的密 度大，易形成良好的保护罩。为了获得同样的保护效果，氦气流量必须比氩气大 l 2 倍。但由于氦气价格较高，目前应用还很有限。 ( 3 ) 氩氦混合气体保护，氩气电弧稳定柔和，阴极清理作用好。氦气电弧 发热量大且集中，具有较大的熔深。采用氩氦混合气体可同时具有两者的优点， 一般混合气体体积比例是氦7 5 8 0 ，氩2 5 - 2 0 。 ( 4 ) 氩氢混合气体保护，氩气中添加氢气可提高电弧电压，从而可提高电 弧热效率，增加熔深，并且防止焊缝产生咬边，有抑制c o 气孔的作用。氩氢混 合气体的应用只限于焊接不锈钢、镍基合金和镍铜合金，因为氢在一定含量范围 内对这些材料不会引起有害的冶金影响。常用的成分是蚺h 2 1 5 ，所以焊接厚 度为1 6 衄以下的不锈钢对接接头，焊接速度可比用纯氩气时快5 0 。 2 0 0 0 湖南省工业设备安装公司的刘琼 4 4 1 对不锈钢管道焊接时内侧防氧化充 氩保护方法进行了研究，在管内距焊口两侧各1 0 0m i l l 处，设置一对用铁丝连接 的橡胶板，板厚为3 - - 5 m m ，板的内外两侧用夹板支撑。在其中的一块堵板上装 一直径为3 5n 吼的金属软管，焊接时向管内充氩，焊接完后，通过金属软管将 橡胶板拉出。为使焊接时熔合处得到更好的保护，并节省氩气用量，事先可用胶 带封住一段管口，仅留出焊工一次连续焊接的焊缝长度，焊完这段后，撕开相同 长度的胶带，然后再施焊，依此类推，直至焊接完成。 2 0 0 1 河北省电力建设第一工程公司的王敬红【4 5 】在t p 9 1 钢焊接时为避免合金 元素的烧损和氧化，管道内部必须进行充氩保护。对大径管焊接时，使用特制的 背面充氩保护装置，可以达到有效的背面保护。对小直径焊口的焊接，因管径较 小，可采用较简单的充氩保护方法。如在焊口的一侧，通过钢丝拖拽易取出的耐 高温材料如玻璃丝布，另一侧用卫生纸等封闭并充氩气的方法来对焊缝进行保护。 7 2 0 0 3 中国石油天然气管道局焊接培训中心，对a 3 1 2 不锈钢管进行焊接时， 由于不锈钢熔融金属流动粘滞，因此采用较大的坡口角度，防止发生熔合不良现 象，同时降低熔合比。在焊接中，保证焊接工艺参数稳定，控制焊道间温度，以 保证焊缝成分的稳定。为保证焊道的质量，管内必须充氩气保护，以保证单面焊 背面成形良好。 2 0 0 5 湖南工程学院覃波【4 6 】在焊接f 9 1 与1 2 c r l m o v 异种钢时，其方案为采 用背面充氩保护工艺，以避免焊缝根部氧化。充氩保护范围以坡口中心为准，每 侧各3 0 0m m 处，用可溶纸或其它可溶材料做成密封气室。当坡口处打火实验不 起火时施焊，一侧焊接完成后将高温胶带撕开，清理干净后再焊另一侧。氩弧焊 收口时背面氩气流量适当减小，以免引起气流紊乱而导致气孔产生。 2 0 1 1 年华南理工大学的刘翠霞在焊接q 2 3 5 钢板时，其方案为采用旋转电弧 自保护焊工艺，得到了成形良好的焊缝。 国外除采用上述传统的保护方法外，由美国s o l a r a i r c r a f tc o m p a n ys a n d i e g o c a l i f o r n i a 公司于2 0 世纪3 0 年代开发研制“太阳”牌保护剂。“太阳 保护剂主 要用于不锈钢、耐热合金钢( t 9 1 ) 、高镍超合金钢、铝及铝合金等各种材料的焊 接过程中【4 7 1 。“太阳 牌保护剂在焊接工业中已有很多年的应用历史。不断研发 出各种新型号，如适应于焊接不锈钢、高铬合金和其他的合金钢t y p eb 型保护 剂，t y p ei 型是专适应于高镍超合金钢的焊接的t y p ei 型保护剂，适应于铝及 铝合金的t y p e 2 0 2 保护剂。 1 4 课题的意义 兰州理工大学研制的适用于不锈钢的焊缝背面保护剂，在焊接过程中，应用 保护剂对焊缝背面进行保护，可以给不锈钢的焊接带来很大的方便，为焊缝保护 提供一种新的方法。然而由于管子全位置焊接受到复杂作用力的影响，涂覆保护 剂后，焊缝成形、接头性能等有待于进一步研究。因此，研究背面保护剂在薄壁 3 0 4 不锈钢管子中的应用，弄清涂覆保护剂后，影响焊缝成形的主要因素，优化 焊接工艺，从而制定出最佳的焊接工艺方案和工艺参数，为厂家提供可靠的工艺 方案，使这一优质高效的焊接技术服务于不锈钢管子焊接这一巨大的生产行业， 具有较大的理论意义及重要的应用价值。 1 5 本文研究内容 本文主要研究了在不锈钢背面保护剂作用下薄壁管焊接的工艺参数及保护剂 对焊接接头性能的影响，并分析焊接电流，焊接速度等参数对不锈钢焊接工艺的 影响。 ( 1 ) 研究保护剂中各组元对焊缝成形的影响。 ( 2 ) 研究保护剂的保护机理。 ( 3 ) 研究有保护剂和无保护剂时焊缝成形的情况。 ( 4 ) 焊接电流、焊接速度等因素对焊缝成形的影响。 ( 5 ) 综合焊接电流、焊接速度、有无保护剂等对焊缝成形的影响，在满足焊 缝外观成形的基础上，调试出最佳的焊接工艺参数，讨论各种因素对焊缝成形的 影响。 ( 6 ) 对不锈钢薄壁管接头按要求进行拉伸实验、外观检查、耐腐蚀实验。 9 第2 章背面保护剂的配方优化 目前正在大量使用的不锈钢，一般多采用全氩焊或氩弧焊打底手工电弧焊盖 面的工艺，因此焊接过程中都不可避免的需要进行焊缝背面的防氧化保护。目前 常采用的背面保护方法为焊缝背面充氩保护。实践证明这是一种有效的防止焊缝 背面氧化的方法，并且由于氩气为惰性气体，所以对焊接熔池的冶金过程也不会 产生不利的影响，是一种沿用多年的传统的保护手段。 目前采用的一些包括专用充氩工具在内的所有解决方法都只是权宜之计，都 无法从根本上克服充氩保护的这些不足，兰州理工大学紧跟国内外科技发展前沿， 率先在国内展开此项工作的研究，研发了针对不锈钢的焊缝背面保护剂。 应用自行研制的背面保护剂在宁波市华涛不锈钢管材有限公司进行了实验， 证明背面保护剂可以得到背面无氧化，表面波纹细腻，光滑，余高适中，成形良 好的焊缝，但实验中出现了焊缝处发黑的问题，如图2 1 所示。需要对研制的背 面保护剂配方进行优化。 图2 1 配方优化前焊接效果 2 1 保护剂的配方优化 优化的不锈钢背面保护剂成分主要选用以下成分，主要性能如下： m 1 1 0 2 ：黑色晶体或棕黑色粉末，密度为4 9 4 3 k g c m 3 ，熔点为1 5 6 0 ，不溶 于水、硝酸或有机溶剂，溶于热浓盐酸生成氯化锰溶液【4 8 】。具有氧化性，是一种 强氧化剂。在3 5 0 ( 2 以下性能稳定，高于此温度时会释放氧气，加热至5 3 5 脱去 部分氧生成m n 2 0 3 ，9 4 0 。c 以上生成m n 3 0 4 ，加热时可催化分解氯酸钾而放出氧 气。 m n o ：熔点为1 6 5 0 ，密度是5 1 8k g e m 3 。它会使熔渣的粘度下降，增加渣 的流动性，具有良好的电导性，m n o 也有一定的稳弧性，且具有氧化性，有减少 氢气孔的倾向。 1 0 f e ：在熔渣中可起到脱氧还原作用，同时可起到除磷的目的。与磷的反应如 下： 3 f e + p = f e 3 p ( 2 1 ) s i 0 2 ：白色，密度为2 2 , - - , 2 5 5k g e m 3 ，s i 0 2 含量增加会使粘度增加，降低电 弧的稳定性。一般s i 0 2 含量较高时，焊缝表面光滑，脱渣容易。这是由于高温冷 优化的不锈钢背面保护剂成分主要选用以下成分，主要性能如下： m n 0 2 ：黑色晶体或棕黑色粉末，密度为4 9 4 3 k g c m 3 ，熔点为1 5 6 0 ，不溶 于水、硝酸或有机溶剂，溶于热浓盐酸生成氯化锰溶液【4 引。具有氧化性，是一种 强氧化剂。在3 5 0 以下性能稳定，高于此温度时会释放氧气，加热至5 3 5 脱去 部分氧生成m n 2 0 3 ，9 4 0 1 2 以上生成m n 3 0 4 ，加热时可催化分解氯酸钾而放出氧 气。 m _ n o ：熔点为1 6 5 0 ，密度是5 1 8k g c m 3 。它会使熔渣的粘度下降，增加渣 的流动性，具有良好的电导性，m n o 也有一定的稳弧性，且具有氧化性，有减少 氢气孔的倾向。 s i 0 2 ：白色，密度为2 2 - 2 5 5k g c m 3 ，s i 0 2 含量增加会使粘度增加，降低电 弧的稳定性。一般s i 0 2 含量较高时，焊缝表面光滑，脱渣容易。这是由于高温冷 却到低温共有四个相变过程，晶格改变时伴随体积的变化，对脱渣有良好的作用。 本配方可利用其改变脱渣性。 b a c 0 3 ：白色粉末，密度是2 7k g e m 3 ，在高温时分解析出c 0 2 ，析出的c 0 2 具有氧化性，能降低焊缝金属氢的含量，但也可能产生有毒气体，所以用在实验 中可对焊缝的含氢量起到控制作用。但在焊接过程中会有气体产生，所以应尽量 控制b a c 0 3 的含量。 c a o ：白色粉末，熔点2 5 7 0 ，沸点2 8 5 0 ，密度是3 4 5k g c m 3 ，c a o 是较 强的碱性氧化物，对s 、p 的结合能力较强，可用于排除焊缝金属中s 、p 元素【4 纠。 c a o 含量增加时，其脱硫能力增强。c a o 也具有稳弧作用，其熔点较高，只有配 合其它成分形成共熔体，才适合作为造渣成分，它是一种稳定的氧化物，不易分 解。由于其熔点高，c a o 作为保护剂成分，一方面起到造渣的作用，另一方面可 覆盖在焊缝上起到物理保护的作用。 m g o ：白色粉末，熔点2 8 0 0 1 2 ，沸点3 6 0 0 c ，密度是3 6 5k g e m 3 ，在一定 条件下能和碳等强还原剂发生氧化还原反应。m g o 是良好的造渣材料，它能增加 熔渣的透气性，用m g o 代替c a o 可增加熔渣的抗锈性能。m g o 属碱性氧化物， 能降低酸性渣的粘度，在一定条件下能增强熔池的脱硫能力。m g o 也是稳定的氧 化物，不易分解，在焊接高合金钢及合金时可采用m g o 做为熔渣成分。 c a f 2 ：白色粉末，密度为3 1 8k g c m 3 ，熔点为1 4 1 8 ( 2 ，熔点较低，在高温作 用下比较活泼，能与s i 0 2 和t i 0 2 等反应生成s i f 4 和t i f 4 气体【5 0 】。由于熔点低对 熔渣起稀释作用，会降低熔渣熔点，有助于提高焊缝的成形性，c a f 2 对金属脱硫 有良好的作用。由于c a f 2 对电弧区空腔气氛中的k + 、n a + 有破坏作用，降低k + 、n a + 的浓度，使稳弧性能下降，对焊缝成形不利，同时当其含量超过一定量后 对脱渣也不好，有时很困难，所以在配方设计中要综合考虑。 a 1 2 0 3 ：白色粉末，熔点2 0 5 0 ，沸点2 9 8 0 ，密度为3 9 9k g c m 3 ，不溶于 水和一般有机溶剂，可用作吸附剂，用作重要的耐火材料和填料。它是两性氧化 物，能溶于无机酸和碱性溶液中【5 1 1 。a 1 2 0 3 含量增加愈多，焊缝鱼鳞波纹愈细小， 当含量达5 0 时，焊缝完全光滑，同时a 1 2 0 3 愈多，脱渣愈容易。当灿2 0 3 含量 达到3 0 时，可同时引入c a f 2 1 0 。继续增加a 1 2 0 3 含量，其c a f 2 含量也必须提 高才能避免出现气孔，否则单纯提高砧2 0 3 含量会出现气孔。c a f 2 一般达到2 0 时会降低其混合物的熔化温度，这就弥补了由于a 1 2 0 3 含量增加使熔化温度上升 的可能性。针对a 1 2 0 3 的高熔点，实验可利用它提高造渣能力和物理保护作用。 另外，a 1 2 0 3 的脱渣性较好，实验中应考虑加入一定量的a 1 2 0 3 。 t i 0 2 ：白色粉末，熔点是1 6 4 0 ，密度为4 1 7k g e m 3 。用t i 0 2 造渣能降低 熔化温度，改善熔渣的流动性，促使焊缝金属还原产物的聚集并能把它们排除到 熔渣中【5 2 】。t i 0 2 含量增加会使渣壳脱落容易，使焊缝光洁。高温时与c a f 2 作用 能形成t i f 4 ，有抗氢气孔的作用。以t i 0 2 与m n o 为基的渣系，工艺性能良好， 所得焊缝机械性能也令人满意。这是因为在焊剂中加入t i 0 2 ，会使t i 0 2 从熔渣中 还原，而使焊缝机械性能改善。另外，t i 0 2 能使熔渣的粘度降低，从而减少焊缝 金属的夹杂物，使焊缝表面避免压坑( 麻点) 等缺陷。实验中可利用其提高熔渣 的脱渣性和成形性。 f e 2 0 3 ：红褐色粉末，熔点1 5 6 5 ，密度为5 1k g c m 3 。在高温下能被一氧化 碳或氢还原成铁，加热时生成四氧化三铁【5 3 1 。用作油漆、油墨、橡胶、陶瓷、玻 璃等工业，也可用作催化剂、抛光剂和饲料添加剂等。f e 2 0 3 是一种氧化剂和造 渣剂。由于f e 2 0 3 具有氧化性能，对氢气孔有抑制作用，也对脱硫、脱磷有一定 好处。但由于会使焊缝中含氧量增加